Детальная химия в ANSYS

Аннотация

В статье рассмотрены модели горения доступные в ANSYS Fluent и CHEMKIN Prо, их соответствие различным задачам. Представлены результаты тестирования механизма Grimech 3.0 в рамках задачи риформинга природного газа. Показаны слабые стороны механизма Gri 3.0. Предложен новый, более сложный редуцированный механизм, рассмотрены результаты, полученные с использованием нового механизма. Представлена общая последовательность действий при разделении методов компьютерной гидродинамики и детальной химии с использованием программ Fluent, Energico, Chemkin pro и Reaction Workbench.

Введение

Скорость химической реакции может лимитироваться диффузией либо кинетикой. Как правило, в случае, когда окислитель и топливо предварительно не перемешаны, говорят о диффузионном факеле, т.е. скорость реакции определяется временем смешения компонентов. Если же компоненты уже предварительно перемешаны, то диффузионного сопротивления больше нет, а скорость реакции определяется скоростью химических превращений. В ANSYS Fluent можно моделировать и диффузионный режим и кинетический. Для диффузионного режима подходят такие модели, как ED, EDC, NPC, PPC, FGM. Для кинетического режима подходят модели конечной скорости такие, как FR и PDF Concept. В программе CHEMKIN Pro также можно моделировать оба режима. Для кинетического режима применяют реакторы Closed homogeneous, Partially Stirred и Plug Flow. Для диффузионного – Sheared Flow реактор, в котором подача окислителя производится отдельно от топлива и требуется задание параметров турбулентности потока.

Средствами ANSYS любую задачу можно решать несколькими способами и сегодняшний пример не исключение. В настоящей статье будет рассмотрен риформер природного газа с использованием двух разных подходов. Первый, традиционный, с подключением механизма Gri 3.0 и его редуцированием при помощи встроенных в модель FR инструментов: ISAT интерполяция, динамическое редуцирование и агломерация механизма. Второй способ, общий, подходит для более широкого круга задач, с использованием принципа разделения CFD от детальной химии. Здесь есть два подхода: использование связки Reaction Workbench/Fluent/Energico/CHEMKIN-Pro и редкий – чтение зашифрованных механизмов в ANSYS Fluent инструментом CHEMKIN-solver (редкий ввиду того, что как правило механизмы из CHEMKIN-pro больше разрешимых лимитов по количеству компонентов).

В инженерной практике есть пласт задач, не решаемых без использования детальных механизмов (Reaction Workbench, Energico, CHEMKIN-pro), в настоящей статье рассмотрена одна из таких задач – некаталитический риформер природного газа.

Модель

Установка

Предварительно перемешанная смесь природного газа и кислорода поступает из смесительной камеры в риформер. Стенки конуса горячие 1200 С, они играют роль зажигательного элемента, инициируя процесс горения. Стенка реактора изолирована, коэффициент теплоотдачи 0,7 Вт/кв.К. Температура окружающей среды 25 С. Задача получить на выходе из реактора синтез газ отвечающий технологическим параметрам качества: <60 мг/куб.м сажи, восстановительный потенциал не менее 8.

Рисунок 1 – Схема реактора

Модель 1

Рассматривался кинетический режим горения, поэтому применялась модель FR. Подключался механизм GRI 3.0, термодинамические и транспортные таблицы. Решались уравнения неразрывности, транспорта, сохранения энергии, закон действующих масс. Для ускорения расчета использовались ISAT интерполяция, динамическое редуцирование и агломерация механизма.

Модель 2

Рисунок 2 – Этап создания редуцированного механизма

В составе ANSYS есть библиотека химических механизмов для сложных углеводородных топлив таких, как дизель, бензин, биотопливо и керосин. Каждый из детальных механизмов содержит в себе десятки тысяч химических реакций. Детальный механизм еще может быть использован при моделировании задачи с закрытым гомогенным реактором, но расчет поточного реактора уже не сможет быть проведен за адекватное время. Поэтому требуется редуцирование механизма, для исключения из него ненужных для выбранных условий уравнений таким образом, чтобы результаты, полученные путем редуцирования, не отличались о тех, что были получены на полном детальном механизме. Программа Reaction Workbench вобрала в себе лучшие методики вычислительной химии для проведения редуцирования таких сложных механизмов.

Следующий этап – решение задачи CFD без учета химии, получение скоростей, давлений температур и поля распределения реагентов в объеме реактора.

Третий этап – построение сети реакторов в Energico. Выходные параметры из Fluent считываются в Energico и на их баз строятся распределения расчетного объема на зоны горения, которые имеют свои координаты, объемы, площади и прочие параметры, требуемые для инициализации химического реактора (closed homogeneous или plug flow).

4й этап – открытие диаграммы реакторов в CHEMKIN-pro и их расчет.

Результаты моделирования сравнивались с результатами экспериментов сотрудников ГИАП [1].

Результаты

Модель 1 (ANSYS Fluent)

Рисунок 3 – Сравнение результатов расчета по механизму GRI 3.0 с экспериментом по основным компонентам

На графике представлена зависимость мольных долей от глубины реакции. Точками показан – эксперимент, линии – расчет для метана, пунктир – расчет для природного газа. GRI 3.0 сильно упрощает процесс горения. Несмотря на то, что конечные точки совпадают, динамику механизм описывает неправильно.

Рисунок 4 - Сравнение результатов расчета по механизму GRI 3.0 с экспериментом по промежуточным компонентам

СО2 описывается GRI 3.0 с отклонением 10-20%. Что касается радикалов, то наблюдается различие в несколько порядков с занижением. Также исходя из документации к GRI 3.0, механизм не может описывать процесс образования сажи и выбросов NOx. Для оценки используются инструменты пост обработчика.

Модель 2 (CHEMKIN  /  ENERGICO  /  Fluent)

Рисунок 5 – Поле температур в предварительном расчете без химии

В ANSYS Fluent было получено поле температур (нагрев топливной смеси от стенки), распределение химических компонентов, скорости, время пребывания газа в объеме расчетной области.

Рисунок 6 – Интерфейс программы Energico

Основываясь на скорости потока расчетная область была разбита на отдельные объемы (реакционные зоны). Зоны использовались для построения диаграммы сети реакторов.

Рисунок 7 – Диаграмма химических реакторов

Сеть реакторов включает в себя вход, выход, тройники-смесители, стрелки потоков, поточные и частично перемешанные реакторы (в данном примере только поточные).

Рисунок 8 – Пути пост обработки

Используя метод 2 пост обработку можно проводить в 3х программах – CHEMKIN, Fluent и Energico.

Рисунок 9 – Сравнение нового механизма с экспериментом по топливу и окислителю

Рисунок 10 – Сравнение нового механизма с экспериментом основным компонентам

Новый механизм лучше описывает динамику изменения H2 по глубине реакции.

Рисунок 11 – Сравнение нового механизма с экспериментом по побочным компонентам

Расхождение по СО2 сократилось до 10%.

Рисунок 12 – Сравнение нового механизма с экспериментом по радикалам

Радикалы теперь занижаются, но не так сильно, как при использовании GRI 3.0.

Заключение

Благодаря наличию таких программ, как CHEMKIN Reaction Workbench и Energico пользователи ANSYS могут расширить диапазон решаемых задач, разрабатывать и использовать свои детальные механизмы и использовать их в прикладных целях.

Список литературы

1. Казарновский Я. С. Промежуточные стадии неполного горения метана в кислороде. Хим. Пром. 1965