燃燒過程數值計算

概念簡介

燃燒過程數值計算(numerieal eaeulation ofcombustor)對鍋爐爐膛或燃燒室內的流動、燃燒化學反應及傳熱與傳質兩相流動過程進行的計算機模擬計算。是根據送人鍋爐或燃燒室的風量、風溫、嫩料t等人口物料狀態參數以及研究對象的幾何邊界條件，利用計算機進行數值計算，從而預測出爐內或嫩燒室內燃燒反應產物的氣體溫度、流速分布、組分濃度分布以及傳熱、燃燒性能、污染物排放水平等熱物理參數。

內容介紹

從20世紀70年代初開始，在計算流體力學、計算傳熱學和計算燃燒學發展的基礎上，從一維模擬逐步發展到三維模擬計算，已能對大型煤粉鍋爐、燃氣輪機燃燒室等的三維兩相湍流化學反應流動的實際嫩燒過程進行數值計算。

世界上已有數種功能比較強大、可信度比較好的商業化計算軟體，在工程實踐中得到較好的套用，已開始用於指導鍋爐及燃燒器等的設計或改造，其計算方法正在不斷的完善，計算結果的可靠性不斷提高。燃燒過程是極其複雜的物理化學過程。涉及到氣粒(氣體一燃油液滴、氣體一固體燃料顆粒)兩相的湍流流動、湍流燃燒化學反應及傳熱與傳質過程。燃燒過程數值計算是根據質量守恆定律、牛頓第二定律、熱力學第一定律和化學反應的規律，建立求解湍流氣粒兩相流動的質量、動量、能量及組分守恆等微分方程組，但這些方程所構成的聯立非線性偏微分方程組，不能用經典的分析法求解，而必須根據確定的邊界條件和必要的理論假設，選擇並構造描述所研究過程的數學模型，包括氣相和順粒相的湍流模型、顆粒相的整體模型、湍流流動中氣相反應模型、輻射換熱模型、污染物生成模型等等，同時，必須將這些偏微分方程組離散成與徽分方程具有一致性的代數方程組採用數值計算方法進行求解。

微分方程離散化的方法有:有限差分法、有限元法及有限分析法，其中有限差分法是求解流體流動過程最有效的方法。求解離散化代數方程組的方法有sIMPLE系列、SIVA系列等。計算所得結果必須得到各種實驗的驗證，由此對模型及計算方法作出評價，並加以改進或提出新的模擬理論及方法。因此，數值模擬計算必須經過理論構想、計算實踐與實際試驗三者反覆的相互校核，才能使這種計算具有足夠的可靠性和實用價值。

出版背景

1、創始期(1965 – 1974)

交錯網路的提出

1965年由美國科學家Harlow/Welch提出解決了速度與壓力存放在同一格線上出現的不合理壓力場問題。對流項差分迎風格式的確認對流項若採用中心差分格式當流速較高時計算會出現振盪。第一本介紹CFD/NHT的雜誌⎯“J of Comput. Phy. ”創刊(1966)Patankar與Spalding發表了求解拋物型流動的P-S方法(1967)在P-S方法中把x-y平面上的計算區域邊界層轉換到x-w平面上(w為無量綱流函式)從而不論在邊界層的超始段還是在其後的發展段所設定的計算節點均可落在邊界層範圍內。

SIMPLE算法問世(1972)

求解不可壓流動時如果對包含速度與壓力的代數方程直接求解則可同時得到速度場與壓力場⇒對計算機要求高.SIMPLE算法分離式的求解方法的基本思想是在流場疊代的求解的任何層次上速度場必須滿足質量守恆方程從而保證流場疊代計算的收斂。美國學者Thompson等人提出採用微分方程生成適體坐標的方法(TTM方法)為有限差分法與有限容積法處理不規則邊界問題提供了一條新路通過交換把物理平面上的不規則區域(二維問題)變換到計算平面上的規則區域從而在計算平面上完成計算再將結果傳遞到物理平面上。

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