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Kazui Fukumoto,有利于Ogami, ”模拟CO-H2-空气湍流火焰Nonpremixed使用涡耗散概念模型和查找表的方法”,《燃烧我>, 卷。2012年, 文章的ID496460年, 11 页面, 2012年。 https://doi.org/10.1155/2012/496460
模拟CO-H2-空气湍流火焰Nonpremixed使用涡耗散概念模型和查找表的方法
文摘
提出了一种新的基于查找表的方法燃烧模拟技术。在拟议的技术流解算器提取反应速率从查找表中使用混合分数,进步变量,和反应时间。查表构建和燃烧模拟同时进行。化学物种的反应被记录在查找表中根据混合物分数,进步变量,时间尺度的反应。一旦反应记录,直接集成解决化学方程变得不必要的;因此,计算反应速率的时间缩短。该技术应用于一个涡流损耗的概念(EDC)模型,通过仿真验证CO-H2-空气nonpremixed火焰。结果获得通过使用该技术与实验和计算获得的数据通过使用EDC与直接集成模型。良好的协议我们的方法和EDC模型和实验数据。此外,该技术是大约99.2%的计算时间低于EDC模型的直接集成。
1。介绍
计算资源的日益普及使得密集使用数值方法预测火焰的化学结构和设计燃烧设备。然而,模拟湍流燃烧,包括详细的化学机制仍然是难以捉摸的,虽然提出了一些技术来克服这个问题。例如,内在的低维流形(ILDM) [<一个href="#B1">1一个>,<一个href="#B2">2一个>)是一个方法来自动减少详细的化学机制。这种方法是基于动态行为的直接数学分析非线性反应的化学方程式。然而,ILDM同意在低温领域不太好,因为一个查找表的维度和复杂性大大提高在这一领域。一个flamelet-prolonged ILDM (FPI) [<一个href="#B3">3一个>)开发来克服这个问题。
在ILDM,扩散是查找表的建设被忽视,因此结果在该地区化学和扩散都是重要的不太准确。提高准确性,相空间ILDM [<一个href="#B4">4一个>提出了]。
另一个选择是现场适应性制表(成绩测试标准)<一个href="#B5">5一个>- - - - - -<一个href="#B7">7一个>)方法,该方法是基于原位生成的查找表由直接解决物种浓度的时间演化。这种方法一直采用ANSYS流利(<一个href="#B8">8一个>)利用涡流损耗的概念(EDC)模型(<一个href="#B9">9一个>- - - - - -<一个href="#B11">11一个>),和概率密度函数(PDF)模型(<一个href="#B12">12一个>,<一个href="#B13">13一个>]。
燃烧模拟的人工神经网络(ANN) [<一个href="#B14">14一个>,<一个href="#B15">15一个>是最近的一个选择。这种方法包括在培训代表的安脱机使用热化学数据库的实际成分和动荡。这时,一个僵硬的常微分方程(ODE)解算器计算反应速率的化学物种取代了使用数据库的安。
层流小火焰单元模型(<一个href="#B16">16一个>- - - - - -<一个href="#B18">18一个>)广泛用于燃烧模拟。尽管这是一个数值模型计算的质量分数在湍流燃烧化学物种,执行模拟的计算时间的层流小火焰单元模型非常短。这是因为,在这个模型中,温度和质量分数的化学物种都是通过一个查找表是建立在燃烧模拟。
flamelet-generated导管(女性生殖器切割)技术(<一个href="#B19">19一个>)股票的层流小火焰单元模型,可以同时考虑化学和运输过程的函数混合分数和进步使用查找表变量。该技术已经应用于模拟H2燃烧(<一个href="#B20">20.一个>),CH4燃烧(<一个href="#B21">21一个>),而发射(<一个href="#B22">22一个>]。
燃烧模拟,考虑详细的化学机制需要大量的计算时间,因为反应的计算涉及到<我>n我>维常微分方程,根据化学物种的数量必须解决。如果计算时间将很容易在不损失精度降低,我们能够更快地获得结果。
减少计算时间,燃烧模拟技术的基础上结合化学平衡法和EDC模型(CE-EDC)开发的一项研究。这项技术是通过模拟H进行验证2-空气湍流nonpremixed火焰(<一个href="#B23">23一个>),一个CO-H2-空气湍流nonpremixed火焰(<一个href="#B24">24一个>),和CH4-空气局部湍流nonpremixed火焰(<一个href="#B25">25一个>]。上述技术的优势的降低化学机制可以根据精度要求的化学物种。因此,这项技术可以预测中间物种高精度即使减少次要物种建立的机制。在这种技术中,一个低的物种数量,修改的化学方程式,导致较低的计算时间。然而,预测的准确性也取决于数量的物种包括修改。
在这项工作中,我们提出一个新的基于查找表的方法模拟技术。表结构和燃烧模拟同时执行。反应速率估计的直接集成解决方案的化学方程,然后将它们存储在查找表。一旦反应率查找表中的记录,进一步直接集成的化学方程式都是不必要的,因此,缩短了计算时间不影响精度。我们的技术的优点是,不需要查找表的建设前燃烧模拟。此外,这种技术很容易应用于其他燃烧模型如果适当的变量选择查找表的索引。虽然,减少机制足以获得温度和质量分数的主要物种,我们的技术可以减少计算时间减少的常微分方程(ode)机制。然而,中间的质量分数和激进的物种需要根据仿真的目的。例如,质量分数啊,哦,和H需要估计发射。在这样的情况下,计算时间增加而增加的数量的化学方程式。
该技术应用于EDC CO-H验证了模型和计算2-空气湍流nonpremixed火焰。报告的结果与实验数据相比,科雷亚,Gulati<一个href="#B26">26一个>)以及计算通过使用EDC模型直接获得的数据集成。
2。方法
2.1。数值实现
ANSYS流利的13.0被用于这项研究。温度、焓和反应速率的化学物种的计算是通过一个用户定义的函数(UDF)。UDF是一个函数,可以通过编程来加载求解动态提高ANSYS流利的标准特性。此外,动量方程、湍流模型和质量分数方程解决了通过使用ANSYS流利。求解动量方程,速度和压力耦合通过使用简单的方法(<一个href="#B27">27一个>),和基本的雷诺应力模型在ANSYS流利<一个href="#B28">28一个>)被选为湍流模型。Smooke提出的简化传输模型(<一个href="#B29">29日一个>)被用来计算粘度、导热系数、质量扩散系数。不幸的是,在ANSYS流利的能量方程不能用在这项研究中,因为反应率计算的用户定义函数。获得的温度是通过求解能量方程如下: 在哪里表示密度;的速度方向;,焓;的坐标方向;,湍流粘度;,有效的普朗特数;热导率。变量代表的符号- - - ~时间和平均密度,分别。温度计算的吗 在哪里。表示化学物种的标准生成焓;,化学物种的质量分数;的意思是定压比热化学物种。
被计算为 在哪里表示化学物种的定压比热容。
2.2。EDC的理论模型
在这项研究中,EDC模型(<一个href="#B30">30.一个>,<一个href="#B31">31日一个>)是用作燃烧模型。在这个模型中,假定燃烧发生在湍流的精细结构。精细结构被认为是一个完美的搅拌反应器后的稳态方程解决初始条件下获得当前的质量分数,密度、温度和在每个计算单元: 在哪里是质量分数吗和质量分数的精细结构和周围的气体,分别。是时间,精细结构的反应速率。表示的长度很好结构和表示为 在哪里,表示粘度;是湍流耗散率,表示湍流动能。表示精细结构区域停留时间,并给出 在哪里。
平均反应速率的化学物种是计算
2.3。提出技术
一个查找表被用来减少计算时间。流解算器(ANSYS流利的如上所述)反应速率从查找表中提取使用混合分数,进步变量,时间尺度的反应。该技术应用于EDC模型在这个研究。然而,我们的技术很容易应用于其他燃烧模型如果适当的变量选择查找表的索引。反应的进展变量和时间尺度是由公司的质量分数2和EDC的精细结构区域停留时间模型,分别。
使用该技术,火焰的特征必须是有组织的。混合分数通常被用来模拟湍流扩散火焰。EDC模式不是基于快速化学反应的假设,因此需要进步变量来表达如何反应所得。虽然,混合物分数和进步变量几乎可以表达湍流扩散火焰的特征,精细结构区域停留时间的EDC模型考虑在本研究提高预测精度。混合分数和进步变量统一划分在查找表。然而,精细结构区域停留时间非均匀时间尺度范围从1.0以来的分裂在这项研究中6到1.0。
查找表结构和燃烧模拟同时进行。反应速率的化学物种记录的查找表根据混合物分数,进步变量,时间尺度的反应。计算时间是减少数量的增加反应速率的数据查找表因为解决常微分方程是不必要的。
数据<一个href="//www.newsama.com/journals/jc/2012/496460/fig1/" target="_blank">1一个>和<一个href="//www.newsama.com/journals/jc/2012/496460/fig2/" target="_blank">2一个>显示的算法提出的技术和查找表结构的示意图表示,分别。为简单起见,只有一个二维查找表见图<一个href="//www.newsama.com/journals/jc/2012/496460/fig2/" target="_blank">2一个>。如果变量,即混合分数和进步的变量,在采样点,则反应速率的化学物种保存点,,,在查找表中。这些点的插值用于反应率。然而,存储反应包括一个错误,因为存储的坐标和采样点略有不同。因此,为了减少这种差异,平均反应速率可以通过使用下面的方程在每个存储的观点: 在哪里和表示新老数据反应的化学物种的保存点,,,分别。在采样点表示反应速率。是计算 在哪里是化学物种的质量分数,表示质量分数化学物种的精细结构。因此,平均反应速率计算 在哪里表示化学物种的反应速率通过插值获得。