sử dụng trong quá trình mô phỏng cháy than.
3.2.2.1. Tổng quan về mô hình dòng phản ứng và mô hình cháy
Bằng việc xác định động học và phản ứng hóa học, Fluent có thể tính các phản ứng hóa học bên trong miền dòng chảy, chúng ta có thể thấy cách bộ giải tính nồng độ và nhiệt độ các chất. Cái này sau đó được kết hợp với lí thuyết phản ứng để hình thành chất mới trong mô hình, với sự chuyển năng lượng tương ứng. Với mô hình dòng phản ứng có thể được áp dụng cho cả các phản ứng dòng đơn pha cũng như hạt như cháy giọt chất lỏng, cháy hạt như than và sinh khối.
FLUENT chứa các mô hình có khả năng ứng dụng với các dòng phản ứng đồng nhất và không đồng nhất. Và nó được ứng dụng trong:
- Buồng đốt
- Lò hơi - Tuabin khí
- Động cơ tên lửa - Động cơ đốt trong
35
Và từ đó đưa ra các đặc tính về trường dòng, trường nhiệt độ, các dạng nồng độ và các chất gây ô nhiễm.
Hầu hết các bài toán về phản ứng kĩ thuật đều là dòng chảy rối. Điều đó đã đặt ra không ít những khó khăn và thách thức để giải các bài toán này. Đối với bài toán mô phỏng quá trình cháy than, đó là một bài toán phức tạp. Có thể nói đây là một bài toán tổng hợp tất cả các mô hình liên quan về chuyển động rối và các phản ứng hóa học, pha rời rạc, bức xạ và mô hình phát thải chất gây ô nhiễm (NOx, SOx…). Hình 3.2 trình bày tổng quan về mô hình hóa phản ứng và các mô hình liên quan đến dòng phản ứng.
Hình 3.2. Mô hình hóa phản ứng trong FLUENT
Bài toán mô phỏng cháy than được ứng dụng trực tiếp trong mô hình phản ứng nhanh (Fast chemistry). Bao gồm các mô hình liên quan sau:
- Mô hình chuyển động rối
- Mô hình tiêu tán Eddy Dissipation (Species transport)
- Mô hình pha rời rạc
36
- Mô hình chất gây ô nhiễm (SOx, NOx)
3.2.2.2. Mô hình chảy rối
Từ những năm 1960, khi mà khả năng tính toán của máy tính được tăng lên rất nhiều, các mô hình chảy rối dựa trên phương trình năng lượng cho động năng chảy rối đã trở thành nền tảng cho việc nghiên cứu mô hình chảy rối hiện đại. Ở đây chúng ta xét đến hai loại mô hình năng lượng chảy rối: mô hình một phương trình và mô hình hai phương trình. Điển hình cho mô hình một phương trình là mô hình Spalart- Allmaras – mô hình được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng hàng không vũ trụ liên quan đến các dòng chảy bị giới hạn bởi tường và nó cũng phổ biến cho các ứng dụng liên quan đến máy tuabin (turbomachinery).
Mô hình chảy rối hai phương trình là một trong những mô hình phổ biến nhất của mô hình chảy rối. Mô hình k-epsilon và mô hình k-omega đã trở thành mô hình tiêu chuẩn công nghiệp và được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các linh vực kĩ thuật.
Theo định nghĩa, mô hình chảy rối hai phương trình gồm hai phương trình vận chuyển để mô tả cho quá trình chảy rối của dòng chảy. Hai mô hình phổ biến và được sử dụng trong mô hình hai phương trình là:
- Mô hình k-epsilon
- Mô hình k-omega
Ở đây, tác giả chọn mô hình k-epsilon cho mô hình tính toán vì do điều kiện tính toán cũng như khả năng giải của máy tính. Mô hình k-epsilon bao gồm: Standard k-epsilon model, RNG k-epsilon model, Realizable k-epsilon model.
Standard k-epsilon model
Standard k-epsilon model (SKE) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp. Đây là mô hình mặc định. Tuy nhiên, mô hình SKE có một số hạn chế như hiệu quả kém khi áp dụng với các dòng chảy xoáy lớn, chia tách mạnh và dự đoán không chính xác sự mở rộng tốc độ của luồng phun tròn.
37
Động năng chảy rối, k, và tốc độ tiêu tán, ε, thu được từ hai phương trình vận chuyển tổng quát sau đây:
(3.2)
(3.3)
là các hằng số từ thực nghiệm.
RNG k-epsilon model
RNG k-epsilon model là mô hình biến thể của mô hình SKE. Mô hình này sử dụng kĩ thuật thống kê được gọi là thuyết nhóm tái chuẩn hóa (renormalization group). Các hệ số trong trong phương trình k- ε nhận được từ phép phân tích dùng thuyết RNG. Mô hình này thực hiện tốt hơn SKE cho dòng chảy phức tạp hơn có tốc độ biến dạng cao, xoáy và chia tách. Mô hình này được áp dụng để dự đoàn dòng chảy xoáy và dòng có số Reynolds thấp.
Realizable k-epsilon model
Đây cũng là một biến thể của mô hình SKE, cải thiện được những hạn chế của hai mô hình ở trên. Mô hình này có các cải thiện sau:
- Dự đoán chính xác tốc độ lan rộng của dòng phun thẳng và quay tròn,
- Có khả năng cung cấp hiệu suất cao cho các dòng có sự quay, các lớp biên dưới gradient áp suất bất lợi mạnh mẽ, chia tách và tuần hoàn.
Từ những điểm trên, đối với mô hình cháy than thì mô hình Realizable k-epsilon được lựa chọn sử dụng để có thể dự đoán và cho ra kết quả chính xác hơn.
( )
j i j
i t t k
i i j i i i Dissipation
Convection Generation Diffusion
U U U k k U x x x x x x 2 1 j i j ( ) 2 i t t i i j i i i
Convection Generation Diffusion Destruction
U U U U C C x k x x x x x k , , 1 , 2 k C C
38
3.2.2.3. Mô hình tiêu tán xoáy (Eddy dissipation (Species transport))
ANSYS FLUENT có thể mô hình hòa trộn và vận chuyển các chất hóa học bằng cách giải các phương trình bảo toàn mô tả sự đối lưu, khuếch tán và các nguồn phản ứng cho mỗi chất thành phần.
Nhiều phản ứng hóa học đồng thời có thể được mô hình, với các phản ứng xảy ra trong pha khối (các phản ứng thể tích) hoặc trên tường hoặc bề mặt hạt và trong vùng xốp. Trong phần này, chúng ta sẽ mo tả các khả năng mô hình vận chuyển các chất đi kèm các phản ứng và không đi kèm các phản ứng.
Hầu hết nhiên liệu là cháy nhanh, và tỉ lệ lệ tổng thể của phản ứng được điều khiển bằng hỗn hợp rối. Trong các ngọn lửa không hòa trộn, hỗn hợp nhiên liệu và chất Ôxy hóa chảy rối chậm vào vùng phản ứng nơi chúng cháy nhanh. Trong ngọn lửa hỗn hợp đã hòa trộn, hỗn hợp chất phản ứng lạnh chảy rối chậm và các sản phẩm nóng vào trong vùng phản ứng, nơi phản ứng xảy ra đột ngột.
ANSYS FLUENT cung cấp một mô hình tương tác chảy rối-hóa học, dựa trên nguyên lí của Magnussen và Hjertager, được gọi là mô hình sự tiêu tán xoáy (Eddy dissipation). Tỉ lệ sản phẩm thực của chất i do phản ứng r, Ri,r được cho bởi hai phương trình nhỏ dưới đây:
(3.4)
(3.5)
Trong đó, YP là tỉ lệ khối lượng của sản phẩm bất kỳ, P YR là tỉ lệ khối lượng của một chất phản ứng thực tế, R
A, B là các hằng số , , w, , w, ' min ( ) ' R i r i r i R r R Y R v M A R k v M , , w , , w , ' '' P p i r i r i N j r j j Y R v M AB k v M
39
Trong phương trình 3.4 và 3.5, tỉ lệ phản ứng hóa học được điều khiển bởi hệ số thời gian hỗn hợp xoáy rộng, k/ε. Các diễn biến cháy bất kỳ khi nào chảy rối hiện diện (k/ε>0), và một nguồn đánh lửa là không cần thiết để bắt đầu cháy. Điều này luôn có thể chập nhận được cho ngọn lửa không hòa trộn trước, nhưng ngọn lửa hòa trộn, các chất phản ứng sẽ cháy ngay sau khi chúng đưa vào miền tính toán.
3.2.2.4. Mô hình pha phân tán (Discrete phase model)
Nhiều dòng chảy kĩ thuật liên quan sự tương tác giữa một pha khí và các hạt/giọt rất mịn, như:
- Bộ tách kiểu xiclone
- Lò hơi đốt than phun hoặc dầu - Động cơ đốt trong
- …
Sự tương tác này được tính toán bởi mô hình pha phân tán (DPM) trong FLUENT.
40
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY THAN TRONG LÒ HƠI BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ANSYS FLUENT
Giới thiệu lò hơi SG-130-40-450 của nhà máy điện Ninh Bình, và xây dựng mô hình mô phỏng lò hơi SG-130-40-450 dựa trên dữ liệu vận hành của lò hơi. Mô phỏng theo quy trình như sau: