一种模拟固体燃料热化学转化的数值计算方法技术

本发明专利技术提供了一种模拟固体燃料热化学转化的数值计算方法，属于热化学领域，更具体地，该方法具体为：构建包含固体燃料和气体环境在内的几何模型；针对构建的几何模型建立控制方程；定义固体燃料的化学反应动力学模型，并根据其确定控制方程的源项，从而获得实际控制方程；基于努森扩散机理，对实际控制方程中不同气体的扩散通量进行修正，以获得修正后的实际控制方程；根据构建的几何模型和修正后的实际控制方程对热化学转化过程进行计算。本发明专利技术能够避免因可燃气体和氧化剂或气化剂向较高温度区域的迅速集中而导致计算模型局部出现严重超温崩溃，从而弥补现有固体燃料热化学转化数值计算方法的缺陷。数值计算方法的缺陷。数值计算方法的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟固体燃料热化学转化的数值计算方法


[0001]本专利技术属于热化学领域，更具体地，涉及一种模拟固体燃料热化学转化的数值计算方法。

技术介绍

[0002]在热化学转化领域，数值计算是一种能精确快速描述热化学转化过程的研究方法，但由于固体燃料的热化学转化过程十分复杂，运用数值计算研究固体燃料的热化学转化过程时，要充分考虑固体燃料的特点。
[0003]燃料热化学转化包括氧化剂或气化剂到达燃料表面和氧化剂或气化剂与燃料发生反应两个过程，这两个过程进行的快慢是决定固体热化学转化速率两个主要因素。氧化剂移动至燃料表面的过程指的是氧化剂的传质过程，依靠氧化剂的流动和扩散共同实现。对于氧化剂在气体中的传质，流动和扩散同样重要，然而，对于固体的热化学转化，氧化剂不仅需要到达固体表面，还需要穿过固体表面的惰性层与固体内部的活性组分接触才可能完成热化学转化，也就是说，固体的热化学转化还必须考虑氧化剂或气化剂在固体内部的传质过程，且固体的尺寸越大，固体内部传质过程的影响也越大。在固体内部，气体的流动阻力通常很大，氧化剂或气化剂在固体内部难以自由流动，氧化剂或气化剂的传质只能依靠扩散。要想对固体燃料的热化学转化进行模拟计算，不仅要考虑气体在气体中的扩散过程，还必须明确氧化剂或气化剂在固体内部的扩散能力。例如，对于煤颗粒，在颗粒表面的活性物质消耗殆尽之后，颗粒内部燃料被不可燃的紧实灰层包裹，灰层中，氧化剂或气化剂的流动阻力大，流动困难，气体的传质严重受阻，导致内部燃料无法接触氧化剂或气化剂，热化学转化速率明显下降。
[0004]因此，想要高效地模拟固体燃料热化学转化过程，就需要对传质这一物理过程进行简洁且准确的数学描述。但是，目前用于模拟固体燃料热化学转化过程的数值模型通常忽略了大量的物理过程，尤其是对传质过程的数学描述过于简略，使得计算结果难以真实可信。CN110727906A公开了一种基于多组分热解气体的固体可燃物燃烧特性求解方法，该方法给出了固体燃烧过程中热解气的燃烧过程，较全面地给出了固体挥发分分解燃烧的反应动力学过程，但该专利技术并没有考虑固体燃料较缓慢的传质特性对固体燃料燃烧的影响，这使得其对固体燃料燃烧过程的模拟是必然失真的，在失真的气体浓度场中，可燃气体和氧化剂或气化剂易向较高温度区域集中，迅速燃烧放热，导致计算燃烧数值计算模型局部出现严重超温，最终计算结果脱离实际，失去参考价值。综上所述，现有技术缺乏一种简洁的、准确的、鲁棒性高的处理固体燃料热化学转化的数值模拟方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种模拟固体燃料热化学转化的数值计算方法，旨在解决现有的固体燃料燃烧过程模拟失真的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种模拟固体燃料热化学转化的数值计算方法，
该方法包括如下步骤：
[0007]S1构建包含固体燃料和气体环境在内的几何模型；
[0008]S2针对步骤S1构建的几何模型建立控制方程；
[0009]S3定义所述固体燃料的化学反应动力学模型，并根据其确定步骤S2中控制方程的源项，从而获得实际控制方程；
[0010]S4基于努森扩散机理，利用下式对所述实际控制方程中不同气体的扩散通量进行修正，以获得修正后的实际控制方程，
[0011][0012]式中，为孔隙度，J
i
为气体i的扩散通量，ρ为气体密度，D
fe,i
是气体i的菲克扩散系数，μ
t
是流体的涡流粘度，Sc
t
是流体的湍流施密特数，是气体i质量分数的梯度，D
T,i
是气体i的温度扩散系数，K是扩散修正系数，T为温度；
[0013]S5根据步骤S1构建的几何模型和步骤S4获得的修正后的实际控制方程对热化学转化过程进行计算。
[0014]作为进一步优选的，步骤S1中，对几何模型进行离散化处理，并利用流动性计算检验离散程度和准确度。
[0015]作为进一步优选的，步骤S2中，建立的控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程和组分输运方程，其中：
[0016]所述连续性方程为：
[0017][0018]所述动量方程为：
[0019][0020]所述能量方程为：
[0021][0022]所述组分输运方程为：
[0023][0024]式中，t为时间，为孔隙度，ρ
g
为气体密度，ρ
s
为固体密度，v为速度，μ为动力粘度，p为压力，μv/K为动量方程源项中的粘性项，β为多孔介质粘性阻力系数，βρ
g
|v|v为动量方程源项中的扩散项，c
pg
为气体的定压比热容，c
ps
为固体的定压比热容，T为温度，k
eff
为多孔介质的有效传热系数，Y
ig
为气体i的质量分数，J
i
为气体i的扩散通量，S
g
为连续性方程的源项，S
T
为能量方程的源项、S
Yig
为组分输运方程的源项。
[0025]作为进一步优选的，步骤S3中，利用Arrhenius公式描述固体燃料干燥、热解、燃烧、气化的反应速率，并根据其确定控制方程的源项，其中：
[0026]干燥的反应速率为：
[0027][0028]热解的反应速率为：
[0029][0030]燃烧和气化的反应速率为：
[0031][0032]连续性方程的源项为：
[0033]S
g
＝ρ
g
R
j
,j＝0,1,2,3,4
[0034]能量方程的源项为：
[0035]S
T
＝Δhρ
g
R
j
,j＝0,1,2,3,4
[0036]组分运输方程的源项为：
[0037][0038]式中，R0为干燥的反应速率，R1为热解的反应速率，R2为固定碳燃烧的反应速率，R3为C
‑
CO2气化的反应速率，R4为C
‑
H2O气化的反应速率，k
j
为反应j的反应速率常数，M为固体燃料水分的实时含量，VM为固体燃料挥发分的实时含量，FC为固体燃料固定碳的实时含量，M
*
为固体燃料水分的初始含量，VM
*
为固体燃料挥发性的初始含量，FC
*
为固体燃料固定碳的初始含量，t为时间，P
i
为气体i的分压，P0为环境压力，n为压力修正因子，S
g
为连续性方程的源项，S
T
为能量方程的源项、S
Yig
为组分输运方程的源项，ρ
g
为气体密度，Δh
j
为反应j的焓变，M
i
为气体i的摩尔质量，M
j
为反应j中气相产物与气相反应物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟固体燃料热化学转化的数值计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1构建包含固体燃料和气体环境在内的几何模型；S2针对步骤S1构建的几何模型建立控制方程；S3定义所述固体燃料的化学反应动力学模型，并根据其确定步骤S2中控制方程的源项，从而获得实际控制方程；S4基于努森扩散机理，利用下式对所述实际控制方程中不同气体的扩散通量进行修正，以获得修正后的实际控制方程，式中，为孔隙度，J
i
为气体i的扩散通量，ρ为气体密度，D
fe,i
是气体i的菲克扩散系数，μ
t
是流体的涡流粘度，Sc
t
是流体的湍流施密特数，是气体i质量分数的梯度，D
T,i
是气体i的温度扩散系数，K是扩散修正系数，T为温度；S5根据步骤S1构建的几何模型和步骤S4获得的修正后的实际控制方程对热化学转化过程进行计算。2.如权利要求1所述的模拟固体燃料热化学转化的数值计算方法，其特征在于，步骤S1中，对几何模型进行离散化处理，并利用流动性计算检验离散程度和准确度。3.如权利要求1所述的模拟固体燃料热化学转化的数值计算方法，其特征在于，步骤S2中，建立的控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程和组分输运方程，其中：所述连续性方程为：所述动量方程为：所述能量方程为：所述组分输运方程为：式中，t为时间，为孔隙度，ρ
g
为气体密度，ρ
s
为固体密度，v为速度，μ为动力粘度，p为压力，μv/K为动量方程源项中的粘性项，β为多孔介质粘性阻力系数，βρ
g
|v|v为动量方程源项中的扩散项，c
pg
为气体的定压比热容，c
ps
为固体的定压比热容，T为温度，k
eff
为多孔介质的有效传热系数，Y
ig
为气体i的质量分数，J
i
为气体i的扩散通量，S
g
为连续性方程的源项，S
T
为能量方程的源项、S
Yig
为组分输运方程的源项。4.如权利要求1所述的模拟固体燃料热化学转化的数值计算方法，其特征在于，步骤S3中，利用Arrhenius公式描述固体燃料干燥、热解、燃烧、气化的反应速率，并根据其确定控制方程的源项，其中：
干燥的反应速率为：热解的反应速率为：燃烧和气化的反应速率为：连续性方程的源项为：S
g
＝ρ
g
R
j
,j＝0,1,2,3,4能量方程的源项为：S...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗光前，肖逸，张浩宇，方灿，吕敏，赵天宇，邹仁杰，李显，姚洪，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：