本發(fā)明屬于鐵粉燃燒數(shù)值模擬計(jì)算領(lǐng)域，具體涉及一種用于模擬鐵粉群顆粒燃燒的數(shù)值計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
1、鐵作為一種反應(yīng)金屬，有望推動(dòng)向低碳能源的轉(zhuǎn)換。近幾年相關(guān)學(xué)者開展了很多鐵粉燃燒的實(shí)驗(yàn)和模擬。鐵粉燃燒的實(shí)驗(yàn)研究多基于地面單個(gè)鐵粉顆粒試驗(yàn)展開，但為減少顆粒沉降和自然對(duì)流對(duì)貧燃鐵火焰速度測(cè)量的影響，鐵粉顆粒的直徑被限制在10μm以下，然而這很容易產(chǎn)生熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性。因此有部分學(xué)者進(jìn)行了微重力條件下的鐵粉燃燒實(shí)驗(yàn)，但微重力條件下的實(shí)驗(yàn)成本高、技術(shù)要求嚴(yán)格；在數(shù)值計(jì)算方面，以前工作主要集中在考慮重力條件下的單顆粒和顆粒群燃燒的數(shù)值模擬。該類研究的缺點(diǎn)是不能考慮由于重力和浮力引起的粒子動(dòng)力學(xué)對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊?。同時(shí)，以前工作沒有考慮差異擴(kuò)散對(duì)鐵粉群燃燒過程的影響。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)背景技術(shù)中提出的問題，本發(fā)明提供了一種用于模擬鐵粉群顆粒燃燒的數(shù)值計(jì)算方法，該計(jì)算方法既適用于單個(gè)鐵顆粒燃燒，也可應(yīng)用于鐵粉群的燃燒，可處理微重力環(huán)境時(shí)，不同氧氣濃度和考慮差異擴(kuò)散條件下的鐵粉群燃燒。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
3、一種用于模擬鐵粉群顆粒燃燒的數(shù)值計(jì)算方法，包括如下步驟：
4、步驟一，建立多相湍流燃燒數(shù)學(xué)模型，確定鐵粉顆粒的尺寸分布、形狀、初始溫度，根據(jù)鐵粉燃燒的化學(xué)反應(yīng)特性和計(jì)算資源情況等選擇反應(yīng)機(jī)理；將鐵粉顆粒的傳熱傳質(zhì)計(jì)算結(jié)果作為氣體各方程的源項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)固相-氣相耦合系統(tǒng)的建立與求解；
5、步驟二，結(jié)合網(wǎng)格劃分情況、幾何模型特征、初始條件和邊界條件，對(duì)步驟一中建立的多相湍流燃燒數(shù)學(xué)模型中的進(jìn)行數(shù)值離散，得到關(guān)于速度、密度、組分、溫度和壓力的代數(shù)方程組，并對(duì)代數(shù)方程組進(jìn)行非線性處理；
6、步驟三，通過數(shù)值方法逐步推進(jìn)時(shí)間，在每個(gè)時(shí)間步內(nèi)，迭代求解步驟二中的非線性方程組，通過外循環(huán)逐步修正速度和壓力場(chǎng)，并用更新后的壓力場(chǎng)校正速度場(chǎng)，以保證收斂；對(duì)湍流模型進(jìn)行修正；通過上述三個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)鐵粉顆粒群燃燒的數(shù)值模擬過程。
7、進(jìn)一步地，所述步驟一中的鐵粉尺寸分布及形狀可根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定。
8、進(jìn)一步地，所述步驟一中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理應(yīng)考慮到顆粒表面的氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。
9、進(jìn)一步地，上述步驟二中采用有限體積法在計(jì)算域網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，通過中心差分格式或迎風(fēng)格式來離散化速度、組分、溫度、壓力和密度的空間導(dǎo)數(shù)，再引入顯示、隱式或半隱式的時(shí)間離散格式，得到定義在網(wǎng)格中心點(diǎn)上的代數(shù)方程。
10、進(jìn)一步地，所述步驟二中的邊界條件中需要考慮顆粒與氣體之間的耦合關(guān)系，包括曳力模型和熱傳遞模型。
11、進(jìn)一步地，所述步驟三中采用隱式方法推進(jìn)時(shí)間，求解過程中采用pimple算法。
12、進(jìn)一步地，步驟三中涉及到的控制方程包括氣相和顆粒相兩部分，各組分參數(shù)通過直接求解組分的控制方程得到。
13、有益效果：
14、1.可以用于處理差異擴(kuò)散及微重力條件對(duì)單個(gè)及鐵粉群燃燒的影響，消除了對(duì)流和浮力作用的影響，更精確地描述鐵粉顆粒和周圍氣體之間的質(zhì)量、熱量和動(dòng)量交換，模擬結(jié)果可幫助開發(fā)更穩(wěn)定的燃燒器；
15、2.通過改變鐵粉濃度和氧氣濃度，可對(duì)貧燃和富燃等條件下的鐵粉燃燒進(jìn)行模擬計(jì)算，有助于開發(fā)更環(huán)保的燃燒技術(shù)。
1.一種用于模擬鐵粉群顆粒燃燒的數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬鐵粉群顆粒燃燒的數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于：步驟一中建立的多相湍流燃燒數(shù)學(xué)模型包括以下幾個(gè)方程：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬鐵粉群顆粒燃燒的數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于：步驟二中采用有限體積法，將計(jì)算域劃分為有限個(gè)小控制體，將守恒定律應(yīng)用在每一個(gè)控制體上，將步驟一中建立的組分方程、壓力方程、溫度方程、質(zhì)量方程以及動(dòng)量方程在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)體積積分，再在時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)進(jìn)行時(shí)間積分，通過采用不同的空間離散格式和時(shí)間離散格式，得到定義在該網(wǎng)格中心點(diǎn)上的代數(shù)方程，再對(duì)所有網(wǎng)格進(jìn)行相同操作，得到整個(gè)計(jì)算域內(nèi)各方程的代數(shù)方程組，將代數(shù)方程組進(jìn)行非線性化處理并迭代求解，得到相應(yīng)的變量場(chǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬鐵粉群顆粒燃燒的數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于：步驟三將多相湍流燃燒模型耦合到壓力、速度修正方法中，求解鐵粉群顆粒燃燒過程中的各變量場(chǎng)，求解步驟如下：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬鐵粉群顆粒燃燒的數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟一中的鐵粉尺寸分布及形狀可根據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬鐵粉群顆粒燃燒的數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟一中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理應(yīng)考慮到鐵粉顆粒表面的氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬鐵粉群顆粒燃燒的數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于：步驟二中采用有限體積法在計(jì)算域網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，通過中心差分格式或迎風(fēng)格式來離散化速度、組分、溫度、壓力和密度的空間導(dǎo)數(shù)，再引入顯式、隱式或半隱式的時(shí)間離散格式，得到定義在網(wǎng)格中心點(diǎn)上的代數(shù)方程。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬鐵粉群顆粒燃燒的數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟二中的邊界條件中考慮顆粒與氣體之間的耦合關(guān)系，包括曳力模型和熱傳遞模型。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬鐵粉群顆粒燃燒的數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于：步驟三中采用隱式方法推進(jìn)時(shí)間，求解過程中采用pimple算法。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬鐵粉群顆粒燃燒的數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于：步驟三中涉及到的控制方程包括氣相和顆粒相兩部分，各組分參數(shù)通過直接求解組分的控制方程得到。