Los modelos de combustión para CFD se refieren a modelos de combustión para la dinámica de fluidos computacional . La combustión se define como una reacción química en la que un combustible de hidrocarburo reacciona con un oxidante para formar productos, acompañada de la liberación de energía en forma de calor. Siendo la parte integrante de diversas aplicaciones de ingeniería como: motores de combustión interna , motores de aviones , motores de cohetes , hornos , y las cámaras de combustión de centrales eléctricas , se manifiesta de combustión como una amplia dominio durante las etapas características de diseño, de análisis y de rendimiento de las aplicaciones mencionadas anteriormente. [1]Con la complejidad añadida de la cinética química y el logro de un entorno de mezcla de flujo de reacción, se debe incorporar la física de modelado adecuada durante las simulaciones de combustión de dinámica de fluidos computacional (CFD) . Por lo tanto, la siguiente discusión presenta un esquema general de los diversos modelos adecuados incorporados con el código dinámico de fluidos computacional para modelar el proceso de combustión. [2]
Descripción general
El modelado computacional de la dinámica de fluidos de la combustión requiere la selección e implementación adecuadas de un modelo adecuado para representar fielmente el complejo fenómeno físico y químico asociado con cualquier proceso de combustión. El modelo debe ser lo suficientemente competente para entregar información relacionada con la concentración de especies, su generación volumétrica o tasa de destrucción y cambios en los parámetros del sistema como entalpía, temperatura y densidad de la mezcla. El modelo debe ser capaz de resolver las ecuaciones generales de transporte para el flujo de fluidos y la transferencia de calor, así como las ecuaciones adicionales de la química de combustión y la cinética química incorporadas según el entorno de simulación deseado [1].
Consideraciones críticas en el fenómeno de la combustión
La consideración principal durante cualquier proceso de combustión general incluye la escala de tiempo de mezcla y la escala de tiempo de reacción transcurrido para el proceso. También deben tenerse en cuenta el tipo de llama y el tipo de mezcla de las corrientes de los componentes. Aparte de eso, en lo que respecta a la complejidad cinética de la reacción, la reacción procede en múltiples pasos y lo que parece ser una reacción simple de una línea en realidad se completa después de una serie de reacciones. [1] [2] También deben resolverse las ecuaciones de transporte para las fracciones de masa de todas las especies, así como la entalpía generada durante la reacción. Por lo tanto, incluso la reacción de combustión más simple implica un cálculo muy tedioso y riguroso si todos los pasos intermedios del proceso de combustión, todas las ecuaciones de transporte y todas las ecuaciones de flujo deben satisfacerse simultáneamente. Todos estos factores tendrán un efecto significativo en la velocidad computacional y el tiempo de la simulación. Pero con los supuestos simplificadores adecuados, se puede realizar un modelado dinámico de fluidos computacional de la reacción de combustión sin comprometer sustancialmente la precisión y la convergencia de la solución. [2] Los modelos básicos utilizados para el mismo se tratan en los siguientes párrafos.
Modelo de sistema de reacción química simple
Este modelo toma en consideración solo la concentración final de especies y solo toma en cuenta la naturaleza global del proceso de combustión donde la reacción avanza infinitamente rápido como un proceso de un solo paso sin mucho estrés en la cinética detallada involucrada. [1]
Se supone que los reactivos reaccionan en proporciones estequiométricas . El modelo también deduce una relación lineal entre las fracciones de masa de combustible, oxidante y la fracción de mezcla variable adimensional. [2] El modelo también tiene en cuenta una suposición adicional de que los coeficientes de difusión de masa de todas las especies son iguales. [3] Debido a esta suposición adicional, el modelo solo resuelve una ecuación diferencial parcial adicional para la fracción de la mezcla y, después de resolver la ecuación de transporte para la fracción de la mezcla, se calculan las fracciones de masa correspondientes para el combustible y el oxidante.
Este modelo puede aplicarse muy bien a un entorno de combustión donde los efectos de difusión laminar son dominantes y la combustión procede a través de corrientes de oxidante y combustible no premezcladas que se difunden entre sí dando lugar a una llama laminar. [1]
Modelo de ruptura de Eddy
Este modelo se utiliza cuando se debe tener en cuenta la mezcla turbulenta de los componentes. La escala de tiempo turbulento k / Ɛ se utiliza para calcular la velocidad de reacción. Se hace una comparación entre las velocidades de disipación turbulenta del combustible, el oxidante y los productos y se toma el mínimo entre todos como la velocidad de la reacción. Las ecuaciones de transporte para las fracciones de masa de los constituyentes se resuelven usando esta velocidad de reacción. [1] Aparte de esto, también se resuelve una ecuación de entalpía media y la temperatura, densidad y viscosidad se calculan en consecuencia. El modelo también se puede implementar cuando se va a simular una reacción controlada cinéticamente de velocidad finita. En tal situación, al decidir la velocidad de la reacción, también se tiene en cuenta la expresión de la velocidad cinética de Arrhenius y la velocidad de reacción se toma como mínimo entre las velocidades de disipación turbulenta de todos los constituyentes y la expresión de la velocidad cinética de Arrhenius. [2] Dado que la mezcla turbulenta gobierna las características de este modelo, existe un límite a la calidad de la simulación de combustión dependiendo del tipo de modelo turbulento implementado para representar el flujo. El modelo también se puede modificar para tener en cuenta la mezcla de estructuras finas durante la reacción turbulenta. Esta modificación del modelo da como resultado el modelo de disipación de remolinos que considera la fracción de masa de las estructuras finas en sus cálculos. [1]
Modelo flamelet laminar
Este modelo se aproxima a la llama turbulenta como una serie de regiones de llama laminar concentradas justo alrededor de las superficies estequiométricas de la mezcla reaccionante. [1] Este modelo aprovecha el uso de datos experimentales para determinar relaciones entre las variables consideradas como fracción de masa, temperatura, etc. La naturaleza y tipo de dependencia de las variables se predice a través de datos experimentales obtenidos durante el experimento de llama de difusión laminar y la relación de llama laminar es deducido en base a lo mismo. Estas relaciones se utilizan luego para resolver las ecuaciones de transporte para la fracción de masa de especies y la composición de la mezcla. [2] El modelo se puede implementar muy bien para situaciones en las que la concentración de especies menores en la combustión se debe calcular como cuantificar la generación de contaminantes. [1] Una simple mejora del modelo da como resultado el modelo de escala de tiempo flamelet que toma en consideración el efecto cinético de velocidad finita. El modelo de escala de tiempo de flama produce una solución de flama laminar estable cuando la reacción avanza muy rápido y captura los efectos de velocidad finita cuando la química de reacción es dominante. [4]
Modelo de función de distribución de probabilidad presunta
Este modelo tiene en cuenta un enfoque estadístico para calcular las variables como fracciones de masa de especies, temperatura y densidad, mientras que la composición de la mezcla se calcula en las cuadrículas. [2] Entonces todas estas variables se calculan como funciones de la fracción de mezcla alrededor de una función de distribución de probabilidad presunta. [1] [5] El modelo puede producir resultados satisfactorios para flujos reactivos turbulentos donde los efectos de convección debidos a componentes medios y fluctuantes de la velocidad son dominantes. [6] El modelo se puede ampliar tanto para condiciones adiabáticas como no adiabáticas.
Cierre de momento condicional
El cierre de momento condicional (CMC) es un modelo de combustión avanzado. La idea básica es modelar la fuente química en base a promedios condicionales . El modelo se introdujo por primera vez para flujos no premezclados y, por lo tanto, el acondicionamiento se realiza en la fracción de mezcla. [7]
Otros modelos
Los siguientes son algunos de los otros modelos relevantes utilizados para el modelado dinámico de fluidos computacional de la combustión.
- El modelo de equilibrio químico
- El modelo de colector generado por Flamelet
- El modelo de densidad de la superficie de la llama
- El gran modelo de simulación de remolinos
El modelo de equilibrio químico considera el efecto de reacciones intermedias durante la combustión turbulenta. [1] La concentración de especies se calcula cuando la reacción de combustión alcanza el estado de equilibrio. La concentración de especies se calcula en función de la fracción de la mezcla mediante la implementación de ciertos programas de cálculo de equilibrio disponibles para cumplir este propósito. El modelo de cierre condicional resuelve las ecuaciones de transporte para los componentes medios de las propiedades de flujo sin considerar la composición fluctuante de la mezcla de reacción. [6]
Referencias
- ^ a b c d e f g h i j k “Introducción a la dinámica de fluidos computacional: el método de volumen finito” HK Versteeg y W. Malalasekara Pearson Education limited.p.357
- ^ a b c d e f g Introducción a la dinámica de fluidos computacional: el método de volumen finito ”HK Versteeg y W. Malalasekera Longman Group limited.p.210
- ^ http://www.cham.co.uk/phoenics/d_polis/d_lecs/general/combust.htm#2
- ^ 9-rao-rutland.pdf --- "Un modelo de combustión de escala de tiempo Flamelet para combustión turbulenta en KIVA" Shrikanth Rao y Christopher J. Rutland (Centro de investigación de motores, UW Madison).
- ^ Pope_NACM_91.pdf— “modelado de combustión usando métodos de función de densidad de probabilidad” SBPope.
- ^ a b Pope_ACAC_97.pdf --- “Modelado de combustión de turbulencia: fluctuaciones y química (cálculo avanzado y análisis de combustión: 310-320)” SBPope (Escuela Sibley de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de Cornell, Ithaca NY).
- ^ Cant, RS y Mastorakos, E. Una introducción a los flujos de reacción turbulentos . Imperial College Press, Londres. 2007.