用fluent模擬內循環床氣化燃燒(調試過程記錄)


論文已發表:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890417305599

模擬對象為文獻Combined gasification of coal and biomass in internal circulating fluidized bed[1]中的內循環氣化爐。[1]http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037838201100395X

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2016.8.? 遇到問題:燃燒過程涉及到空燃比,需要知道質量流率,然而,fluent里對空氣設置質量流率可能會出現錯誤,因此需要知道速度邊界與質量流率的關系。(模擬二維對象)

2016.8? 解決:用report--flux功能

 

對於二維模型,可以設置reference里面的depth來調節質量流率(當邊界速度一定時)。

 

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2016.8.? 遇到問題:fluent算燃燒果然還是不夠穩健,直接加入所有反應(10多個)后直接殘差飛上天。

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2016.8.16 問題解決:先加了兩個裂解反應算了一段時間,再加碳氧化,還是不行,殘差還是飛上天。索性把碳氧化速率減小1000倍,穩定住了,然后一個個加所有的異相反應,也穩定的不錯,直接加入所有的均相反應,收斂性不是很好,主要是連續性方程不收斂,先讓他繼續這么算,算一晚上明天去看看。

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2016.8.17 下午去看了看,結果發散了,又在那倒騰好一會,現在終於把所有反應都加上去並且都能收斂了。過程是這樣的:我從昨天保存的地方,開始逐個加均相反應。剛開始兩個還能收斂的不錯,加到第三個均相反應的時候,殘差又降不下去了,即使把反應速率改小,把時間步長減小,前兩步能夠收斂,但是到后面又收斂的不好了。來回嘗試了好幾次還還是不行。然后我有了個靈感,因為把步長減小后,前幾步的殘差是能降到很低的,這樣我把收斂標准調到e-4的話,誤差積累應該就更小,沒准收斂效果會更好。果然我的想法是可行的。把連續性標准調到e-4以后,收斂性確實好多了。然后我還把另外幾個湍流模型都算上了,看看它們算出來的流型有啥區別沒有。明天去看看。

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 2016.8.23 先總結一下前兩天的。陸陸續續去了好幾次,調的過程中發現,時間步長不是越小收斂效果越好。剛開始步長是1e-6,連續性下不去,然后我偶然發現把時間步長增加到1e-5反而能夠很好收斂。目前看來,暫時能夠比較穩定的計算,但是比較頭疼的是,由於反應比較多,有兩個網格溫度超限,而且每一步殘差都會飛到很高,后果就是沒准哪一步就由於殘差彈的太高導致程序死掉,但是繼續算還是可以算的。目前就是這個狀態,明天拿個細點的網格去算算試試。看能不能稍微好點。

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 2016.9.19 這回重新調整了一下case,把碳單獨看成一相,這樣能減少反應方程的數目。前期調殘差也廢了點勁,主要還是減小步長,然后根據不收斂的變量找到對應松弛因子,減小之。比較頭疼的是算到14秒的時候,突然發散了,很是奇怪,按說基本上產物都比較穩定了,不應該發散才對。多半還是反應的原因,然后先把均相反應先全部關上,依次打開,發現是碳氧化反應導致的,然后把這個反應速率先減少10倍,試了試,發現可以穩定計算,但是影響產物的量,先這樣計算一段時間試試吧。

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 2016.9.21 真的是一個問題一夜回到解放前。之前通的是300k的低溫氣體,流化還不錯,后來改為1073k以后,死活流化不起來了。嘗試了一下把氣體密度改為volume-weighted,這回可以了。而且,發現沙子流化不起來的話,會阻礙氣體的熱量傳遞,高溫區只有低端入口一點點。

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 2016.9.28 這幾天真是經歷各種神奇的bug,累覺不愛,好在現在基本解決。自從裝上linux系統以后,windows下的fluent就出現奇葩問題,設置好以后,開始計算就會報錯,莫名其妙的錯誤,就像這樣:

 

然后關掉這個奇怪的框框,繼續算就能算了。但是讓人很不爽啊。於是我就把linux備份出來,把整個硬盤格式化,重做系統,居然還是如此。我就很方了。。最后的最后,我是換了個系統重裝才解決這個問題。但是我現在並不知道到底是什么問題引起的,簡直神奇。

這還沒完。由於之前幾次算的都不是很理想,我就重新跑了個流化的case,具體設置后面介紹,當把反應模型打開以后,出現掉進程的問題(並行)。然后單線程算,出現segmentation fault的問題。這下我更方了,我甚至一度感覺是電腦硬件出問題了。然后我就一步步排查,最終發現,當設置湍流模型為k-epsilon dispersed,生物質和煤同時給,此時打開容積燃燒模型就會出現segmentation faul的問題,於是我就換成k-epsilon mixture,就不會有這個問題了,然后就是一步步加反應了。下面說說這個case怎么設置的。

首先我用1073k的氣體通入床內,並且patch整個流體域為1073k,湍流模型設置的是dispersed(但是事實證明,最好別用這個,用mixture吧,雖然mixture的鼓泡床出泡效果沒有dispersed明顯),等充分流化以后就開始加生物質和煤了,這兩者是常溫。先只加入裂解和水蒸發這兩個,最難的地方在於,由於床料的阻礙作用,生物質和煤的速度殘差下不去。把步長減小到2e-4,動量松弛因子可以小到0.1左右,然后可以先這樣算一段時間,因為隨着反應的進行,生物質和煤會反應掉,反正我是中午回去睡一覺回來看就收斂了。收斂以后可以再嘗試着把其他反應都加上,並把過小的松弛因子(比如動量)加大點。目前看來,計算還算穩定,就是不知道會不會和之前一樣算一會又發散。先看看吧。對了,這次我先用單線程算試試,看和雙線程結果有沒區別。

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2016.10.31 基本上反應全部加進去收斂以后,就能一直比較穩定了,剩下的就是調反應速率,因為這塊涉及到不同文獻給出的反應速率單位不同,導致指前因子單位不同,所以換算很麻煩,再加上有些文獻寫的可能是錯的,先來記錄一下單位換算的問題。

舉個例子:CH4 + O2的反應速率表達式長這樣,r = k[CH4][O2]。在FLUENT里,反應速率的單位是kmol/m3/s,氣體濃度單位是kmol/m3,這樣,就可以推出k的單位是m3/kmol/s,所以在FLUENT里,對於這個反應要保證單位正確。此時假如查到一篇文獻反應速率的單位是mol/m3/s,那么可以推出其k的單位是m3/mol/s,應該將k中指前因子乘以1000,再填入FLUENT面板中。

雖然道理是這樣,我自己操作過程中卻遇到問題,我用文獻《Three dimensional kinetic modeling of fluidized bed biomass gasification》的反應速率,並換算好單位,但是結果差的很多,這個反應速率我之前是用過的,組分對的也還可以,沒換算單位,所以對於這篇文獻,我懷疑作者可能給的不是換算以后的值。為什么會有這種感覺呢,我通過對比了幾篇文獻中CO+H2O的反應速率的值,感覺有些混亂。

這個來自一篇引用很高的文獻《Modeling of biomass gasification in fluidized bed》

可以看到,A的值(也就是上文提到的k值)是2.78e3,其單位是m3/kmol/s,和FLUENT里是一樣的,再來看看另幾篇。

-- from 《Euler–Lagrange/DEM simulation of wood gasification in a bubbling fluidized bed reactor》

-- from 《Simulation on gasification of forestry residues in fluidized beds by Eulerian–Lagrangian approach》

-- from 《Two dimensional numerical computation of a circulating fluidized bed biomass gasifier》

如果按照第一篇為基准,那么A單位轉換成m3/mol/s后應該是2.78,可是從這幾篇文獻可以看到,非常混亂。

目前還沒找到確定答案,存疑。


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