Uporaba STAR-CCM+ za razumevanje podrobne kemije v procesu zgorevanja

Uporaba STAR-CCM+ za razumevanje podrobne kemije v procesu zgorevanja

Učinkovitost emisij in meritve pogonskega cikla pri osebnih avtomobilih z dizelskimi motorji z notranjim izgorevanjem so v zadnjem času ustvarili veliko »dima« v medijih. Razprave poudarjajo pomen zmanjševanja emisij in učinkovitosti ter razkrivajo tudi velik izziv tega dela. Če se nekateri največji proizvajalci avtomobilov na svetu trudijo doseči mejne vrednosti emisij, je očitno, da ni lahke rešitve.

Emisije so stranski produkti kemičnega procesa in za razumevanje, predvidevanje invozila skladna z dizajnom, je treba dobro razumeti osnovne kemične poti . Namen tega članka je predstaviti razpoložljiva orodja za lažje in enostavnejše razumevanje dela in napovedovanje kemije. Tukaj je zgodba o Jane, namišljeni inženir projektiranja zgorevalne komore , ki opisuje vsakodnevne izzive, s katerimi se sooča.

Spoznajte Jane, inženirko zgorevanja in uporabnico STAR-CCM+

Jane je na novo zaposlena inženirka oblikovanja v podjetju CombustionCorp, ki je pravkar začelo uporabljati CFD za večino svojih razvojnih projektov, med katerimi je tudi načrtovanje zgorevalne komore. Janeina prva naloga je raziskati in izboljšati zasnovo gorilnika zemeljskega plina. Z uporabo STAR-CCM+ lahko nastavi geometrijo in fiziko, pri čemer se odloči za standardni model zgorevanja Eddy Break Up (EBU). . Odloči se, da je poenostavitev s samo modeliranjem ene splošne reakcije dobro izhodišče, saj je pod velikim pritiskom svojega vodstva, naj hitro opravi delo. Pridobi polje pretoka in temperature ter preveri, ali so dobljeni rezultati točni. Nato začne svoje oblikovalsko delo z Optimate+TM, in lahko samodejno izboljša zasnovo z optimizacijo namestitve šobe za gorivo.

In potem, nekaj dni pozneje, ji znanstvenik iz laboratorija pove, da se gorilnik, ki ga načrtuje, obnaša drugače za različne kvalitete zemeljskega plina. Sprašuje se, ali mora razmisliti o bolj zapletenem pristopu in začne spraševati ...



Zakaj se gorilnik obnaša drugače za različne kvalitete zemeljskega plina?

Različne kakovosti zemeljskega plina vsebujejo različne količine večjih ogljikovodikov. Visokokakovostni zemeljski plin je sestavljen predvsem iz metana, medtem ko zemeljski plin nizke kakovosti vključuje nekaj odstotkov etana, propana in butana . Večji ogljikovodiki se veliko lažje zlomijo kot metan, zato se zemeljski plin nizke kakovosti hitreje vname.

Kako zgodnji vžig vpliva na splošno zgorevanje?

Da bi to razumela, Jane preučuje kemične učinke v izoliranem okolju in odpravlja vpliv pretočnih polj. Ugotovi, da lahko uporabi DARS, da to doseže. DARS je samostojno orodje podjetja CD-adapco za analize kemijskih reakcij v 0D in 1D idealiziranih reaktorjih. Orodje lahko bere in analizira sheme kemičnih reakcij, na primer za zgorevanje ogljikovodikov in katalitične procese v sistemih za naknadno obdelavo.

Jane odpre DARS in prebere standardno kemijo zemeljskega plina, ki je priložena DARS. Nato na modul mehanizma za branje poveže nekaj različnih reaktorjev:

  • Plamen, ki se prosto širi: Ta modul izračuna laminarno hitrost plamena, ki je pomembna lastnost za širjenje plamena in s tem obnašanje zgorevanja v zgorevalni komori. Modul izračuna tudi profile vrst in temperaturo v plamenu.
  • Stalni tlak: Ta modul izračuna zakasnitvene čase vžiga, pa tudi profile vrst in termodinamične lastnosti dogodka samovžiga pri homogenih pogojih konstantnega tlaka. Uporablja se lahko tudi za izračun proizvodnje emisij.
  • Flamelet knjižnica: Ta modul izračuna vrste in temperaturne profile v difuzijskem plamenu. Izračuna tudi mejo izumrtja.
  • ravnotežje: Ta modul izračuna ravnotežne vrste in temperaturo.

Uporabniški vmesnik DARS

Za vsak modul Jane preizkusi dve različni kakovosti goriva v DARS:

  • Čisti metan za simulacijo zelo kakovostnega zemeljskega plina,
  • Metan, pomešan z nekaj odstotki večjih ogljikovodikov (C2-C4).

Najprej izračuna laminarno hitrost plamena za razpon ekvivalentnih razmerij. Hitrost laminarnega plamena je hitrost prosto razširjenega plamena v predhodno mešanih pogojih. Ugotavlja, da je hitrost plamena približno 1 cm/s hitrejša za mešanico nizke kakovosti. Razmišlja, ali je to pomembno za njen dizajn ...

Kaj pomeni hitrejša hitrost plamena za gorilnik?

Jane se odloči, da se s tem poveča tveganje za povratne trenutke v zgorevalni komori. Prav tako ugotavlja, da je v zelo pustih pogojih hitrost goriva čistega metana za približno 14 % počasnejša od goriva nižje kakovosti, kar kaže, da je visokokakovostni zemeljski plin bolj nagnjen k pustemu izpihovanju.

Da bi razumela obnašanje pri difuzijskem zgorevanju, izračuna knjižnico flamelet za vsako sestavo goriva. Flamelet je idealiziran laminarni difuzijski plamen, knjižnica flamelet pa je niz flameletov za različne stopnje skalarne disipacije (mešanja) . Opaža, da je najvišja temperatura v flameletu približno 30 K višja za gorivo nizke kakovosti pri visoki stopnji skalarne disipacije. Zaradi tega je visokokakovosten plamen zemeljskega plina bolj nagnjen k izumrtju; ugotavlja, da je stopnja skalarne disipacije ekstinkcije 41/s za gorivo nizke kakovosti in 35/s za visoko kakovostno gorivo. Hitrost skalarne disipacije ekstinkcije je stopnja mešanja, pri kateri se difuzijski plamen ugasne. To kaže, da je izpuh pogostejši pri visokokakovostnem zemeljskem plinu.

Jane izračuna zakasnitve vžiga, da bi razumela vžigljivost in ocenila nagnjenost pred vžigom v območju mešanja zgorevalne komore. Ustvarja pregled parametrov (v DARS-u se imenuje multi-run) z metanom kot gorivom, pri čemer pometa celotno paleto razmerij enakovrednosti goriva in zraka glede na vstopno temperaturo in zunanji tlak. Po nekaj sekundah so izračuni končani in lahko opazuje vžig mešanice. Ugotavlja, da je pri nizkokakovostnem zemeljskem plinu čas do vžiga skrajšan za približno 25 %, kar pomeni povečano tveganje za predvžig v območju mešanja. .

Iz ravnotežnih izračunov opaža, da je adiabatna temperatura plamena za nizkokakovostni zemeljski plin približno 5K višja kot za visokokakovostni zemeljski plin. Ker vidi učinek na obnašanje zgorevanja le z zelo rahlo spremembo sestave goriva, razume, da mora nadaljevati študije v simulacijah CFD, da bi količinsko opredelila učinek na vedenje zgorevalnega sistema. Zdaj mora ugotoviti, kako to storiti in se sprašuje ...

Kako v izračunih CFD upoštevam različne mešanice goriv?

Jane ugotovi, da lahko to stori z uporabo Model kolektorja, generiranega s plameni (FGM) v STAR-CCM+ , ki vključuje popolno podrobno kemijo končne hitrosti brez ogrožanja hitrosti izvedbe. Učinek različnih mešanic goriv se upošteva z ustvarjanjem ene knjižnice FGM za vsako mešanico goriv. Knjižnica FGM je ustvarjena iz podrobne kemije.

Kako dobim Knjižnico FGM za moje pogoje zgorevanja za STAR-CCM+?

Jane ugotovi, da lahko za to uporabi tudi DARS. Odpre svoj projekt DARS in povleče modul za generiranje knjižnice FGM na delovno mizo, nastavi izračune in zažene generiranje knjižnice. Ustvari niz knjižnic FGM za različne mešanice zemeljskega plina in jih uporablja v svojih izračunih CFD ter svojim optimizacijam Optimate+ dodaja različne kakovosti goriva. Najde dizajn, ki je primeren tudi za nizkokakovostni zemeljski plin, in ga dostavi laboratorijskim inženirjem na testiranje.

Po tej posodobitvi so njeni kolegi zelo zainteresirani za različno vedenje in želijo razumeti, zakaj se to zgodi.

Kako razumeti učinek različnih mešanic goriv?

Da bi to naredila, ponovno zažene homogeni ohišje reaktorja s konstantnim tlakom samo z nizko kakovostjo zemeljskega plina in metana ter preveri analizo občutljivosti vrst. Rezultati za zgorevanje čistega metana so videti takole:

Kot je bilo pričakovano, sta metan in kisik prevladujoči vrsti za proces zgorevanja. Nato nariše enako analizo občutljivosti za nizkokakovostni zemeljski plin:

Propan predstavlja le 1,5 % mešanice goriva, vendar še vedno vpliva na izgorevanje skoraj tako kot metan. Pomemben vpliv na zgorevanje ima tudi butan, ki predstavlja le 0,3 % mešanice. . To kaže, da imajo večji ogljikovodiki velik vpliv. Da bi razumela reakcije za tem vedenjem, preveri njihovo občutljivost. Opaža, da sta disociacija propana in butana poleg oksidacijskih reakcij še dva zelo pomembna procesa:

Z uporabo analiz občutljivosti, grafov časov zakasnitve vžiga in simulacij CFD je Jane zdaj oborožena z vsem materialom, ki ga potrebuje, da svojim kolegom razloži, kaj se zgodi med tem procesom.

Čez nekaj časa se vrne laboratorijski inženir in jo vpraša o emisijah. Za nekatere obremenitvene točke so emisije CO nesprejemljivo visoke. Je pripravljena na svoj naslednji izziv?

Kako izboljšati učinkovitost emisij?

Da bi bolje razumela emisije CO, Jane zažene DARS in zažene niz homogenih reaktorjev s konstantnim tlakom pri konstantni temperaturi, s čimer ustvari zemljevid emisij:

Na tem zemljevidu lahko vidi proizvodnjo CO za različna razmerja enakovrednosti goriva in zraka in različne temperature. V primerjavi z frakcijo mešanice in temperaturnim poljem pretoka v CFD ugotovi, da njen gorilnik vstopa v območje pridobivanja CO v nekaterih območjih, bogatih z gorivom, blizu izhoda goriva za območje obremenitve, ki ga je določil njen kolega. . Izboljšati mora mešanje v teh območjih in tako določi omejitev največjega razmerja ekvivalence v teh regijah za naslednjo optimizacijsko zanko. Uspelo ji je zmanjšati CO z nekaj zmanjšanja učinkovitosti in lahko preuči kompromis med emisijo CO in učinkovitostjo. Za nadaljnje razumevanje donosa CO doda CO vrstam za naknadno obdelavo v svoji generaciji knjižnice FGM in ponovno ustvari knjižnice FGM. Zdaj lahko neposredno preučuje donos CO v svoji simulaciji CFD.

Nazadnje, da bi v celoti razumela učinke podrobne kemije, izbere enega od primerov in uporabi kompleksno kemijo v STAR-CCM+, da izvede popolno simulacijo CFD s kemičnim mehanizmom, ki se uporablja v DARS. To služi kot dobro merilo v primerjavi z drugimi modeli zgorevanja. Svojega vodjo prepriča, da bodo te simulacije, čeprav traja dlje časa, zagotovile veliko večjo natančnost. Navsezadnje podjetje ne želi, da bi ga ustavili zaradi neskladnosti. Daljši čas računanja je lahko le majhna cena.

Poleg izvajanja zapletenih kemijskih izračunov, opisanih v tem članku, lahko DARS uporabite za:

  • Ustvarite knjižnice zgorevanja in emisij za zgorevanje v cilindru:
    • ECFM-3Z TKI
    • ECFM-CLEH TKI + ravnotežje
    • PVM-MF
    • Saje
  • Izračunajte debelino laminarnega plamena
  • Izračunajte kemijo površinske in plinske faze v katalizatorjih (DOC, TWC, DPF, …)
  • Zmanjšajte mehanizme

vir: CD-adapco