Zgorevanje plinastega gorivalab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-zgorevanje.pdfFakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko Zgorevanje plinastega goriva Stran: 5 od

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za strojništvo

Aškerčeva 6

1000 Ljubljana, Slovenija

telefon: 01 477 12 00

faks: 01 251 85 67

www.fs.uni-lj.si

e-mail: [email protected]

Katedra za energetsko strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

Zgorevanje plinastega goriva

CFD simulacija

Avtor: Boštjan Drobnič

Boštjan Jurjevčič

Ljubljana, oktober 2015

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Zgorevanje plinastega goriva Stran: 2 od 12

Numerična simulacija zgorevanja metana

0. Uvod

Analitični analiza zgorevanja je možna le integralno in ob upoštevanju določenih poenostavitev.

Med procesom zgorevanja sočasno poteka cela vrsta kemičnih reakcij, ki so tudi medsebojno

odvisne. Potek reakcij pa je odvisen od lokalnih razmer, torej koncentracij reaktantov in produktov,

temperature itd. Podrobnejšo analizo zgorevalnega procesa je zato možno izvesti samo z

numeričnimi orodji. Tudi v programskem paketu ANSYS-CFX so poleg modelov za izračun

tokovnih in temperaturnih razmer vključeni osnovni modeli za izračun zgorevanja, možno pa je

zgorevalne modele tudi dodajati. Pri analizi zgorevanja gre postopek dela preko vseh petih osnovnih

korakov numerične analize:

1. risanje 3D geometrijskega modela računskega področja

2. izdelava računske mreže

3. določevanje robnih in začetnih pogojev

4. numerična simulacija

5. analiza rezultatov

Kot primer simulacije zgorevanja bomo obravnavali zgorevanje metana v odprtem in zaprtem

prostoru, v prvem primeru je na voljo neomejena količina zgorevalnega zraka, v drugem pa lahko

količino zgorevalnega zraka omejimo. Iz gorilnika lahko priteka samo gorivo in se naknadno zmeša

z zrakom, s čimer dobimo difuzno zgorevanje, lahko pa že v gorilniku podamo mešanico goriva in

zrak, iz česar sledi kinetično zgorevanje goriva.

Slika 1: Numerična simulacija difuzijskega zgorevanja



1. Geometrija in mreža

Računsko mrežo imamo v tem primeru že pripravljeno Projekt lahko začnemo z okoljem

Workbench, pri čemer v projektno okno(Project Schematic) postavimo element CFX, ki vsebuje

korake Setup, Solution in Results.

2. CFX-Pre

V programu CFX-Pre opravimo celotno predprocesiranje, torej nastavljanje vseh parametrov, s

katerimi kontroliramo potek simulacije:

robni pogoji določajo, kaj se dogaja na mejnih ploskvah računskega področja

stiki med podpodročji določajo pretok delovne tekočine med podpodročji in njihovo morebitno

gibanje

snovi, v računskem področju so lahko različne snovi v različnih agregatnih stanjih, moramo pa

jim določiti ustrezne snovne in transportne lastnosti

reakcije, med določenimi snovmi v računskem področju lahko pride do kemičnih reakcij, ki

morajo biti vnaprej opisane z ustreznimi matematičnimi modeli

nastavitve računskega postopka, kamor sodijo turbulenčni modeli, diskretizacija, način

iteriranja, kriteriji za zaključek računanja (konvergenca),...

Z dvojnim klikom na vrstico Setup lahko odpremo CFX-Pre, kjer bomo nastavili vse potrebne

parametre. Najprej moramo v program uvoziti mrežo računskega področja, ki je za ta primer že

pripravljena. Izberi File-Import-Mesh... in poišči datoteko gorilnik.cmdb.

Slika 2: Uvoz pred-pripravljene geometrije in mreže

Za obravnavanje zgorevanja, je potrebno določiti ustrezne snovi (pline), ki bodo sodelovali v

procesu in jih je potrebno upoštevati pri simulaciji. V danem primeru so to:

− gorivo: CH4

− zrak: O2 in N2

− produkti zgorevanja: CO2 in H2O



Gorivo naj bo čisti metan, torej ogljikovodik s kemijsko formulo CH4. Z ikono Material definiramo

novo snov s poljubnim imenom, npr. metan.

Slika 3: Določanje nove snovi

Za metan velja, da je čista snov (ni zmes), uporabljali jo bomo za procese zgorevanja plinov (Gas

Phase Combustion), agregatno stanje je torej plinasto in ga bomo obravnavali kot idealen plin.

Poišči podatke za molsko maso, dinamično viskoznost in toplotno prevodnost metana pri

temperaturi okrog 300 K (manjša odstopanja pri temperaturi bomo zanemarili).

Poleg navedenih lastnosti je potrebno definirati tudi odvisnost specifične toplote, entalpije in

entropije od temperature. Te vrednosti bomo podali v t.i. NASA formatu, pri katerem je potrebno

podati po 7 koeficientov za dve temperaturni področji. Prvih 5 koeficientov določa polinom, ki

izraža odvisnost specifične toplote od temperature:

45

34

2321 TaTaTaTaa

R

cp

Plinska konstanta R velja za obravnavano snov in jo lahko določimo iz splošne plinske konstante in

molske mase. Šesti koeficient v NASA formatu je integracijska konstanta za določanje entalpije,

sedmi pa integracijska konstanta za določanje entropije. Iz termodinamike velja, da je

dT

dhcp

torej je

dh = cpdT

istočasno pa velja

dh = Tds

zato je

dTT

cds

p

Glede na zgornje enačbe izpelji izraza za h/R in s/R. Vrednosti koeficientov a1 do a7 nato določi z

upoštevanjem odvisnosti entalpije od temperature, ki je podana v spodnji tabeli in dogovora, da

imata tako entalpija, kot tudi entropija pri referenčnih pogojih (25 °C) vrednost 0.



Tabela 1: Specifična entalpija metana

temperatura / K specifična entalpija / (kJ/kg)

200 -194

298 0

300 4

400 243

500 517

600 824

700 1165

800 1539

900 1946

1000 2384

1500 4873

2000 7703

2500 10725

3000 13851

3500 17036

4000 20264

4500 23527

5000 26811

V splošnem lahko za območje nižjih in višji temperatur določimo različne koeficiente, v našem

primeru pa so lahko tudi enaki, saj ne zahtevamo velike natančnosti izračuna, v vsakem primeru pa

je potrebno vnesti koeficiente za obe območji in ju tudi omejiti s spodnjo, mejno in zgornjo

temperaturo. Druge snovi, ki nastopajo pri zgorevanju,

lahko določimo na podoben način, pri tem pa je

potrebno poiskati ustrezne parametre. Lahko pa iz

knjižnice v programu CFX-Pre izberemo že definirane

snovi. V seznamu objektov v desnem oknu z

nastavitvami klikni z desnim gumbom miške na

skupino Materials in izberi Import Library Data. Odpre

se knjižnica, v kateri v skupini Gas Phase Combustion

izberi zgoraj naštete pline, ki bodo nastopali v procesu.

Vse termodinamične, transportne in druge zahtevane

lastnosti teh snovi so že ustrezno nastavljene. Možno

pa jih je tudi spremeniti, če z dvojnim klikom na

izbrano snov odpremo okno z razpoložljivimi

nastavitvami za izbrano snov.

Ko so reaktanti pripravljeni, lahko definiramo tudi kemijske reakcije, ki bodo potekale med

zgorevanjem. Reakcije definiramo z gumbom Reaction.

Slika 4: Specifična entalpija metana

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

0 1000 2000 3000 4000 5000sp

eci

fičn

a e

nta

lpija

/ (M

J/kg

)temperatura / K

Slika 5: Izbira obstoječih snovi



Slika 6: Določevanje kemijske reakcije

Reakcijo med metanom in zrakom določi z enim samim korakom (Single Step)

CH4 + O2 + N2 → CO2 + H2O + N2

Pod Additional Materials List izberi vse snovi, ki sodelujejo pri zgorevanju, pod

Reaction or Combustion pa izberi model zgorevanja Eddy Dissipation. Nato na zavihkih Reactants in

Products določi reaktante in produkte ter njihova stehiometrična razmerja. Upoštevaj še to, da je

stopnja reakcije (določiti jo je potrebno eksperimentalno) za kisik 1,3, za metan pa –0,3. V zavihku

Reaction Rate izberi Arrheniusov model določanja hitrosti reakcije, pri čemer naj bo

Pre Exponential Factor 8,3·106 s

-1, Temperature Exponent pa 0. Določi še, da je za aktivacijo reakcije

potrebna energija 125,6 J/mol. S tem je kemijska reakcija definirana. Dejansko pri zgorevanju

potekajo še druge reakcije, ki pa jih bomo v obravnavanem primeru zanemarili.

Po definiranju osnovnih snovi in reakcij med njimi,

definiramo še plinsko zmes, ki jo bomo v

nadaljevanju potrebovali pri definiranju lastnosti

računskega področja. Z ukazom Material v orodni

vrstici ustvari novo snov in ji daj poljubno ime, npr.

metan zrak. Odpre se okno z nastavitvami za novo

snov, določi ji lastnosti, kot so prikazane v desni

tabeli. Nastavitve potrdi z Ok.

Naslednji korak pri predpocesiranju je definiranje

računskega področja (domain). V našem primeru bo

zadoščalo eno samo računsko področje. Z gumbom

Domain ustvari novo področje in ji najprej izberi

ime, npr. 'gorilnik'. Odpre se okno, kjer nastavimo

splošne parametre za računsko področje. V

računsko domeno vključi oba dela mreže (gorilnik

in okolica) in izberi prej ustvarjeno mešanico plinov kot delovno snov. V izračun vključi tudi vzgon

(Buoyancy) in nastavi ustrezno smer sile težnosti, referenčna gostota je lahko 1,2 kg/m3.

Basic Settings

Option Reacting Mixture

Material Group Gas Phase Combustion

Reaction List zgorevanje

Mixture Properties

Mixture Properties

Option Ideal Mixture

Radiation Properties

Refractive Index

Option Value

Refractive Index 1

Absorption Coefficient

Option Value

Absorption Coefficient 1 [m^-1]

Scattering Coefficient

Option Value

Scattering Coefficient 0 [m^-1]



V zavihku Fluid models izberi Thermal Energy za model prenosa toplote, k-Epsilon za turbulenčni

model in Eddy Dissipation za model zgorevanja. Nastavitve potrdi z gumbom OK in nastavitveno

okno se zapre.

Naslednji korak je definiranje robnih pogojev. Vsem zunanjim ploskvam računskega področja je

potrebno predpisati določene lastnosti, drugače so avtomatsko definirane kot trdna, hidravlično

gladka, adiabatna stena. Možnih je več tipov robnih pogojev, od izbranega tipa pa so odvisni tudi

parametri, ki jih je potrebno nastaviti. Uporabi gumb Boundary in definiraj spodaj navedene robne

pogoje na ustreznih površinah:

simetrija ker računsko področje pokriva samo polovico dejanskega simetričnega

področja simulacije, nastavimo na simetrijsko ravnino robni pogoj Symetry

vstop_gorivo vstop goriva s podano hitrostjo in temperaturo

okolica vstop/izstop zraka s temperaturo 20 °C in Entrainment vstopnim pogojem pri

relativnem tlaku 0 Pa, vstopna turbulenca je določena z modelom

Zero Gradient; določi na vseh ploskvah okolice (za zgorevanje v odprtem

prostoru) ali samo na zgornji strani (za zgorevanje v zaprtem prostoru)

stena stranska ploskev je adiabatan stena (Wall) v primeru zgorevanja v zaprtem

prostoru

vstop_zrak vstop zgorevalnega zraka skozi spodnjo ploskev za primer zgorevanja v

zaprtem prostoru



3. CFX-Solver Manager

Simulacijo poženemo z dvojnim klikom na Solution in odpre se nam okno, kot ga vidimo na sliki 8.

Slika 8: Izbira in zagon simulacije

Vsi dodatni parametri so nastavljeni na običajne vrednosti, zato lahko poženeš izračun s Start Run.

Odpre se okno razdeljeno na dva dela, kjer je prikazan potek izračuna. V desnem oknu je prikazana

vsebina (zapisana je tudi v datoteki s končnico .out), ki je razdeljena na več delov:

1. seznam vseh robnih pogojev in parametrov simulacije, ki so bili nastavljeni v CFX-Pre

2. rezultati preverjanja mreže, računskega področja in nastavitev računanja

3. potek izračuna (konvergenca)

4. integralne bilance pomembnejših veličin in osnovne informacije o rezultatih izračuna

V levem oknu je potek konvergence prikazan grafično. Pri uspešni konvergenci je trend vseh

diagramov padajoč.



Slika 9: Podatki o poteku izračuna

Po koncu izračuna, ko je dosežen kriterij konvergence, ali največje število korakov računanja se

rezultati skupaj z vsemi nastavitvami računanja in informacijami o poteku računanja zapišejo v .res

datoteko. Rezultate računanja si lahko ogledamo v programu CFX-Post, ki ga poženemo v

Workbenchu z dvojnim klikom na Results.



4. CFX-Post

Rezultat numerične simulacije so tridimenzionalna polja hitrosti, temperatur, tlakov, ..., zato je

ponavadi najprimernejši grafični način prikazovanja teh parametrov, kar omogoča CFX-Post.

Rezultate lahko prikazujemo z uporabo različnih objektov:

vektorji hitrosti

hitrost reakcije

temperatura

delež goriva

sestava plinske zmesi

sestava plamena



5. Navodila za pisanje poročila

1. Na kratko opišite posamezne korake, ki pripeljejo od začetnih podatkov do rezultatov simulacije.

2. V .out datoteki poiščite glavne nastavitve računskega primera:

LIBRARY:

MATERIAL: Air Ideal Gas

Material Description = Air Ideal Gas (constant Cp)

Material Group = Air Data, Calorically Perfect Ideal Gases

Option = Pure Substance

Thermodynamic State = Gas

PROPERTIES:

Option = General Material

ABSORPTION COEFFICIENT:

.

.

.

END

.

.

.

FLOW:

DOMAIN: kanal

Coord Frame = Coord 0

Domain Type = Fluid

Fluids List = Air Ideal Gas

Location = Assembly

BOUNDARY: vstop

Boundary Type = INLET

Location = vstop

BOUNDARY CONDITIONS:

FLOW REGIME:

Option = Subsonic

END

HEAT TRANSFER:

Option = Static Temperature

Static Temperature = 800 [C]

END

MASS AND MOMENTUM:

Normal Speed = 15 [m s^-1]

Option = Normal Speed

END

TURBULENCE:

Option = High Intensity and Eddy Viscosity Ratio

END

END

END

.

.

.

DOMAIN MODELS:

BUOYANCY MODEL:

Option = Non Buoyant

END

DOMAIN MOTION:

Option = Stationary

END

REFERENCE PRESSURE:

Reference Pressure = 1 [bar]

END

END

FLUID MODELS:

COMBUSTION MODEL:

Delovna snov in njene

lastnosti.

Računsko področje, delovna

snov.

Robni pogoj 'vstop'

Računski modeli – turbulenca,

prenos toplote, ...



Option = None

END

HEAT TRANSFER MODEL:

Option = Thermal Energy

END

THERMAL RADIATION MODEL:

Option = None

END

TURBULENCE MODEL:

Option = SST

END

TURBULENT WALL FUNCTIONS:

Option = Automatic

END

END

END

.

.

.

SOLVER CONTROL:

ADVECTION SCHEME:

Option = High Resolution

END

CONVERGENCE CONTROL:

Length Scale Option = Conservative

Maximum Number of Iterations = 100

Timescale Control = Auto Timescale

END

CONVERGENCE CRITERIA:

Residual Target = 1.E-4

Residual Type = RMS

END

DYNAMIC MODEL CONTROL:

Global Dynamic Model Control = On

END

END

END

.

.

.

+--------------------------------------------------------------------+

| Total Number of Nodes, Elements, and Faces |

+--------------------------------------------------------------------+

Domain Name : kanal

Total Number of Nodes = 12983

Total Number of Elements = 21553

Total Number of Tetrahedrons = 13273

Total Number of Prisms = 8280

Total Number of Faces = 17114

.

.

.

Nastavitve računanja, kriterij

konvergence, ...

3. Predstavite rezultate izračuna z ustreznimi grafičnimi objekti in na kratko komentirajte rezultate

prikazane na slikah.

Documents

Zgorevanje plinastega gorivalab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/ANSYS-zgorevanje.pdfFakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko Zgorevanje plinastega goriva Stran: 5 od