反应组分输运

当使用反应组分传输模型时,Simcenter STAR-CCM+ 对化学反应中涉及的所有组分的质量分数传输方程进行求解。这些组分质量分数传递到返回产品量的单独化学求解器。

在下图中,深色区域显示发生反应的厚反应前锋。由于某些反应的速度比湍流混合慢,因此湍流混合会导致某些反应较慢的中间组分逃逸此厚反应前锋,并继续再往下游混合。



反应组分传输模型包括:
  • 复杂化学:使用湍流火焰中动能现象显著的详细机制来模拟反应流体。
  • 涡破碎 (EBU):使用动能现象不显著的简单机制(一步或两步)来模拟反应流。
  • Eddy Contact Micromixing
  • 加厚火焰模型 (TFM)
  • Polymerization

使用反应组分传输工作流来模拟多组分液体或气相湍流火焰中的反应流体。

复杂化学

复杂化学模型采用刚度求解器集成某个时间步的化学,并使用聚类、动态机理简化、原位自适应制表 (ISAT) 和加速度因子控制等方法减少此开销。由于复杂化学模型使用详细机制,因此可以对火焰点燃、缓慢形成污染物、火焰淬火和熄灭等动能现象建模。复杂化学机制通常以 Chemkin 格式导入。

该模型提供最常规的对有限比率动能建模的方法。如果其他模型不捕捉驱动过程的有限比率效应,可使用此模型。

复杂化学模型具有用于模拟湍流-化学相互作用的子模型,即层流火焰概念 (LFC)、涡流耗散概念 (EDC) 和湍流火焰速度闭合 (TFC) 模型。

LFC 和 EDC 湍流-化学相互作用模型是非正式的加厚火焰模型 (TFM),因为局部湍流扩散率作用类似于 TFM,用以加厚火焰并增大火焰传播速度至超过层流值。但是,当使用 LFC 模型或 EDC 模型时,湍流火焰速度对网格大小非常敏感 - 虽然可以通过更改扩散率来控制此速度(使用湍流施密特数),但通常不切实际。相反,TFC 模型可用于对预混和部分预混火焰前缘进行建模,其中显式指定了火焰的传播速度。

  • 层流火焰概念:计算平均温度、压力和组分质量分数的瞬时反应率 — 对于稳态,这相当于在网格单元中在停留时间内集成化学。LFC 模型适用于预混、部分预混和非稳态火焰。
  • 涡耗散概念:在网格单元中以接近 Kolmogorov(最小涡)时间尺度的时间尺度来集成化学。EDC 模型适当于稳态扩散火焰,这种火焰给出比 LFC 模型低的反应速率。
  • 湍流火焰速度封闭:标识预混火焰前缘,并以指定的湍流火焰速度传播这些前缘。TFC 模型适用于对具有预混和部分预混火焰前缘的湍流火焰建模。

这些模型通过湍流模型的增强扩散率解释湍流-化学的相互作用。可以通过更改湍流施密特数调整火焰位置。

涡破碎模型

涡破碎模型假设,反应受限于湍流混合反应物和加热到火焰区域的速率。EBU 模型通过大尺度湍流混合速率来限制动能反应速率。由于动能速率替换为单一湍流混合速率,因此仅使用具有一个或两个步骤的小型机制。EBU 模型是一个火焰位置模型,不适用于对点燃和污染物等动能为主的现象建模。

如果存在动能数据,则可以在合并的时间尺度模型和混合模型之间选择。这些模型解释有限速率动能效应 — 这是预混火焰必需的,否则湍流会在火焰承载器之前点燃混合物。但是,对于单纯由湍流控制的扩散火焰,标准 EBU 模型已够用且更高效。

漩涡接触微观混合模型

漩涡接触微观混合模型是液体的燃烧模型。在液体中,组分扩散系数通常很小,分子混合时间尺度较长,漩涡接触微观混合模型解释了通过降低反应率减弱湍流混合速率中的分子扩散。漩涡接触微观混合模型是 EBU 模型的一种变体。

加厚火焰模型

相对于网格大小,预混层流火焰通常非常薄。由于火焰速度由火焰内的扩散和反应决定,因此准确预测火焰速度需要足够的内部火焰结构分辨率。要克服大涡模拟的这一严格分辨率要求,一种方法是使用 TFM 模型,在该模型中预混火焰前缘通过增大局部扩散率人为增厚,从而可以在网格上解析火焰。

聚合模型

聚合模型是模拟液体聚合过程的专用模型(在多组分液体中),或者作为多组分液相(在欧拉多相模拟中)。它追踪活性和非活性聚合物的聚合物尺寸分布。

聚合是通过以化学方式结合大量小单体分子来创建长链分子的过程。此过程将首先混合溶剂中的单体和引发剂分子。聚合过程包含多个化学反应(如引发、传播、链转移、链分支、裂解和终止),这些反应涉及不同链长的自由基。

Simcenter STAR-CCM+ 中的聚合模型模拟自由基聚合,并使用矩量法来描述聚合物的大小分布。

反应组分传输模型点火器

选择复杂化学、EBU 或 TFM 模型后,出现连续体 > 点火器节点,用于控制点燃。

复杂化学、EBU 或 TFM 模型支持创建固定温度点火器。处于活动状态时,固定温度点火器对点火器部件中包含的网格单元应用恒定温度。

除了固定温度点火器,EBU 模型还提供 EBU 点火器。当 EBU 点火器开启时,对于 EBU 点火器部件中包含的网格单元,点火器会强制反应率在不使用产品的情况下受到混合限制。

适用于 EBU 模型的点火器类型取决于为 EBU 反应控制属性选择的设置。
EBU 反应控制属性设置 EBU 点火器是否可用? 固定温度点火器是否可用?
标准 EBU
混合
结合时间尺度
仅动力学

有关更多详细信息,请参见特定燃烧模型参考页。