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计算流体力学--多相流仿真专题

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发表于 2018-10-19 15:45:24 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 中国
本帖最后由 CAE大拿 于 2018-10-19 16:12 编辑

第十章  应用粒子追踪法之仿真(4)
这一次,继续讨论粒子追踪法(Particle Tracking Method),当粒子产生蒸发或挥发时,对生成的化学成分作详细的说明。
上次讲座里曾说起过,对于活性粒子,也就是指那些需要考虑蒸发或挥发的粒子,必须就蒸发或挥发过程建立模型。举例来说,一起来考察一下图10.1中燃料液滴的喷雾燃烧这样一个模型。受到周围流体传导的热量,燃料液滴的温度逐步升高,当受到的传导热量进一步达到汽化热时,就开始挥发。由挥发而在流体中生成的有机化合物燃烧起来,产生二氧化碳和水蒸气。
图10.1 燃料液滴的喷雾燃烧模型
在第七章(即应用粒子追踪法之仿真(1))的讲座里,曾介绍过PSI-Cell法(即Particle Source in Cell,)。图10.2就是用PSI-Cell法把燃料液滴(也就是粒子)和流体(用网格分割成元素)进行耦合分析。由于燃料液滴的升温或挥发需要热量,相应的流体单元的温度就降低了。燃料液滴所受到的传导热量及其挥发量(即由燃料液滴向流体的物质转移),其计算方法根据程序代码的不同而各有差异,但一般多采用Ranz-Marshall公式,这是1952年提出的一个经验公式。这里,我们不对Ranz-Marshall公式作详细介绍,只是指出一点,在模拟过程中,必须估算燃料液滴挥发成分的蒸汽压。原本,挥发是在燃料液滴表面发生的,因此就应该考虑燃料液滴的温度和成分的分布,然而,一般都假定燃料液滴的温度和成分是均匀分布的,根据它的平均温度来推算其挥发成分的蒸汽压。
图10.2 PSI-Cell方法示意图
蒸汽压的推算方法有Antoine公式,这是1988年提出的一个经验公式,其表达式如下:
log10P = A – B / ( T + C )
式中:P[Pa,即帕]为蒸汽压;T[K]为绝对温度。
上式中,A, B, C都是常数,因物质不同而各异。各种物质的这些常数都可以从公开的化学数据库中查到
例如,柴油中含有的有机化合物癸烷(分子式为C10H22),其A, B, C三个常数的值分别为6.0786,1501.27,-78.67,当然,这些数值会因蒸汽压和温度采用的单位不同而发生变化。
由燃料液滴挥发而来的有机化合物遇到流体中的氧气等就燃烧起来。建立燃烧的模型虽然有多种方法,这里仅对涡耗散模型作说明,它在流体模拟的仿真软件中得到广泛的应用。涡耗散模型适用于湍流的扩散燃烧。图10.3是扩散燃烧的示意图,分离出来的燃料(也就是燃料液滴在喷雾燃烧时挥发生成的有机化合物)和氧化剂(譬如空气)由于扩散而使两者的界面互相混合从而产生火焰。这时的化学反应非常迅速,可以认为燃烧速度是由燃料和空气的湍流混合程度所控制,而湍流混合程度则为湍流的某些变量(诸如湍动能及其耗散率等)的函数,这些变量则得自于时间平均的湍流模型,这样的方法就是涡耗散模型。
图10.3 扩散燃烧的示意图
下面就来介绍这次的模拟实例,即用粒子追踪法来模拟燃料液滴的喷雾燃烧。图10.4是一个装有流入和流出管道的燃烧容器,流入的空气体温度为500℃,进口管道的中央装有燃料液滴的雾滴喷嘴(喷雾用的空气温度为27℃)。容器及喷嘴的形状都是回转体,因此模拟时可以作为轴对称的二维问题来处理。从进口管道流入的高温气体的流速为25米/秒,喷雾用的空气流速为38.6米/秒,所有壁面的边界条件都设定为静止、绝热的固壁。
图10.4 燃烧容器
从喷嘴里喷出的雾状燃料液滴的Sauter平均粒径为20微米(μm),粒径服从Nukiyama-Tanazawa分布。喷雾流量设为0.005千克/秒(Parcel approximation为10,000秒-1),喷雾速度为15米/秒,喷雾模式为中空锥形,分散角设为110~120°。另外,为了使计算稳定进行,在开始的1秒内,仅流入高温空气和喷雾用空气,1秒后再开始喷洒燃料雾滴。燃料液滴的挥发热为200千焦/千克,Antoine经验公式中的常数采用癸烷的数值。燃烧模型选取涡耗散模型,挥发产生的有机化合物的成分设为癸烷(C10H22),从而化学反应可概括为下面的方程式:
C10H22 + 15.5 O2 →10 CO2 + 11 H2O
还有,容器壁面的辐射率定为0.6,容器内燃烧气体的吸收率定为0.2,以此来模拟辐射现象。
作为12秒期间内的模拟结果,图10.5是燃料液滴的运动和温度分布的变化情况。从图10.5中可以看到由于燃料液滴的喷雾燃烧,容器内的燃烧气体的温度升高了。图10.6是燃烧气体的质量含量的分布变化,左图为有机化合物,右图为二氧化碳。可以看出,从燃料液滴挥发出来的有机化合物,经过燃烧,变成了二氧化碳。
图10.5 燃料雾滴的运动及温度分布
图10.6 燃烧气体的质量含量的分布变化
下一章将介绍粒子的液化。

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