1 - 2006

Моделирование процессов горения в ANSYS CFX

Денис Хитрых

Анализ сложных взаимодействий

Стратегии моделирования горения

Точное моделирование

В настоящее время более 80% всей производимой в мире энергии вырабатывается за счет сжигания органического топлива. Другие источники энергии: ядерная энергетика, гидроэнергетика, солнечные и ветряные электростанции — в ближайшие десятилетия не смогут конкурировать с традиционными способами.

Ограниченность ресурсов ископаемого топлива диктует необходимость поиска более экономичных способов его сжигания, а масштабы промышленного производства таковы, что проблема образования вредных веществ при горении выходит на первый план.

Решение этих вопросов невозможно без детального исследования процесса горения. Поэтому все большее распространение в промышленности получают методы вычислительной гидродинамики. Они позволяют ускорить процессы проектирования и доводки изделия, снижая при этом финансовые затраты на проект. При этом частично отпадает необходимость в дорогостоящих экспериментах, поскольку появляется возможность оптимизировать конструкцию изделия на основе его виртуального прототипа.

Анализ сложных взаимодействий

В большинстве устройств, использующих процесс горения, поток обычно бывает турбулентным.

Исследование турбулентности является, пожалуй, самым сложным разделом гидродинамики. При горении турбулентность осложняется дополнительными факторами — большим количеством разнообразных химических реакций и излучением.

Температура, концентрация реагентов и другие параметры изменяются вследствие как химических реакций, так различных физических процессов: конвекции, диффузии, лучистого теплообмена и пр. Очень часто именно физические факторы оказывают определяющее влияние на полноту сгорания и условия воспламенения. Вследствие этого компания ANSYS, Inc. уделяет большое внимание разработке и совершенствованию моделей турбулентности. Сейчас в ANSYS CFX их более 16, включая уникальную переходную модель турбулентности на основе SST-модели.

Трубчато-кольцевая камера сгорания DLE-типа («сухой» способ снижения эмиссии NOx) 5-МВт установки «Тайфун»

Трубчато-кольцевая камера сгорания DLE-типа («сухой» способ снижения эмиссии NOx) 5-МВт установки «Тайфун»

В начало В начало

Стратегии моделирования горения

В этом разделе мы кратко рассмотрим основные модели CFX, которые описывают турбулентные реагирующие потоки.

Модель распада вихрей (Eddy Dissipation Model, EDM) была разработана для описания турбулентных пламен предварительно перемешанных смесей и диффузионных пламен. Она основана на предположении, что химические реакции очень быстро приводят реагирующую смесь к равновесному состоянию — другими словами, скорость химической реакции намного выше, чем скорость смешения горючего и окислителя.

Согласно этой модели для инициации процесса горения достаточно, чтобы горючее и окислитель (обычно воздух) находились в одном контрольном объеме. Рассматриваемая ситуация является одной из тех, когда возможно существование стабильного пламени. Модель EDM хорошо зарекомендовала себя при проектировании камер сгорания газовых турбин для прогнозирования распределения температуры внутри объема жаровой трубы и связанных с ней тепловых нагрузок.

Современная лазерная измерительная аппаратура обеспечивает получение надежных экспериментальных данных. К их числу относятся средние и амплитудные значения скоростей, температур и концентраций продуктов химических реакций

Современная лазерная измерительная аппаратура обеспечивает получение надежных экспериментальных данных. К их числу относятся средние и амплитудные значения скоростей, температур и концентраций продуктов химических реакций

Использование модели EDM вместе с моделью лангранжевых частиц позволяет моделировать процессы, происходящие в топках энергетических котлов, в том числе оценивать оптимальную степень измельчения угля.

Поскольку очень мелкий размол неэкономичен и часто приводит к нарушениям расчетного режима горения, к недостаткам модели распада вихрей можно отнести то, что она неверно предсказывает уровень эмиссии окислов азота, а также с недостаточной точностью имитирует процесс воспламенения смесей. Вместе с тем этими весьма важными аспектами горения нельзя пренебрегать.

В противоположность неограниченно высоким скоростям («быстрая химия») модель Finite Rate Chemistry Model (FRC) учитывает следствия конечности скорости химических реакций. Она позволяет рассчитывать скорости реакций, описываемые молекулярным взаимодействием между компонентами жидкости.

FRC-модель может быть объединена с моделью распада вихрей при расчете пламен, в которых скорость химических реакций слабо конкурирует с темпом перемешивания реагентов.

Вторая стратегия моделирования горения в ANSYS CFX построена на предположении о том, что турбулентный поток может быть адекватно описан статистическими методами. Если, например, известна функция распределения вероятности (Probability Density Function) для какого-либо параметра реагирующего потока (скорости, температуры, массовых долей отдельных компонентов) в некоторой точке пространства, то средние значения локальных свойств потока всегда можно легко вычислить.

Пример расчета процессов горения с использованием SAS-модели турбулентности. На верхнем рисунке показаны турбулентные структуры в нереагирующей смеси. Наблюдается ярко выраженный центральный вихрь. Верхние значения турбулентной вязкости. На нижнем рисунке — то же самое, но с учетом химических реакций. Хорошо видно, как турбулентные структуры захватывают соседние слои. Нижний диапазон значений турбулентной вязкости

Пример расчета процессов горения с использованием SAS-модели турбулентности. На верхнем рисунке показаны турбулентные структуры в нереагирующей смеси. Наблюдается ярко выраженный центральный вихрь. Верхние значения турбулентной вязкости. На нижнем рисунке — то же самое, но с учетом химических реакций. Хорошо видно, как турбулентные структуры захватывают соседние слои. Нижний диапазон значений турбулентной вязкости

Пример расчета процессов горения с использованием SAS-модели турбулентности. На верхнем рисунке показаны турбулентные структуры в нереагирующей смеси. Наблюдается ярко выраженный центральный вихрь. Верхние значения турбулентной вязкости. На нижнем рисунке — то же самое, но с учетом химических реакций. Хорошо видно, как турбулентные структуры захватывают соседние слои. Нижний диапазон значений турбулентной вязкости

В начало В начало

Точное моделирование

Рассмотренные выше стратегии моделирования горения и их составные части постоянно совершенствуются. Например, в последней версии CFX появилась возможность использовать при расчетах процессов горения новые модели турбулентности: Large Eddy Simulation (LES) — модель больших вихревых структур, Detached Eddy Simulation (DES) — модель свободного вихря. В стадии разработки находится Scale Adaptive imulation (SAS) — модель, учитывающая масштабы турбулентных пульсаций. SAS-модель сочетает в себе два альтернативных подхода записи уравнений Навье-Стокса: LES и RANS. В первом случае используется специальная процедура для исключения из расчета подсеточных вихрей, то есть вихрей, размер которых меньше ячеек расчетной сетки. Второй вариант подразумевает запись уравнений переноса, осредненного по времени потока со всеми предполагаемыми масштабами турбулентности.

Компьютерное моделирование становится все более важным элементом исследования процессов горения и проектирования различных устройств, использующих процесс горения. Можно ожидать, что его роль будет возрастать и в дальнейшем. Вместе с тем говорить о полной замене экспериментальных исследований численными расчетами было бы неправильно — здесь речь идет о подходах к проектированию, которые должны взаимно дополнять друг друга.

 

Статья приводится в сокращенном варианте. Полный вариант статьи будет опубликован в журнале «ANSYS Solutions. Русская редакция» № 3 (май)'2006.

В начало В начало

САПР и графика 1`2006