ANSYS Chemkin-Pro

ANSYS Chemkin-Pro – специализированный программный модуль для моделирования сложных химических процессов.

Понимание и предсказание химических процессов, происходящих в системах, имеет ключевое значение при разработке конкурентоспособной продукции в сфере энергетики, транспорта и обрабатывающей промышленности. Конструкции газовых турбин, котлов и поршневых двигателей должны отвечать всем экологическим требованиям при использовании топлива различного состава, а также обладать высокой производительностью. Кроме того, при увеличении пропускной способности системы необходимо минимизировать выброс загрязняющих веществ. Проведение только лишь натурных испытаний для точной оценки производительности является очень затратным, учитывая сложность конструкций и сокращенные сроки проектирования. Детальное моделирование химических процессов зачастую имеет решающее значение при экономически эффективном проектировании систем с малым выбросом загрязняющих веществ.

ANSYS Chemkin-Pro – специализированный программный модуль для моделирования сложных химических реакций в газовой фазе и на поверхности. ANSYS Chemkin-Pro используется при проектировании камер сгорания ДВС легковых автомобилей, грузовиков, реактивных двигателей, котлов, а также при проектировании оборудования для обрабатывающей и химической промышленности. Широкий спектр точных, быстрых и надежных моделей кинетических механизмов Chemkin-Pro делают его незаменимым инструментом при проведении анализа «что, если» на стадии разработки изделия. Инженеры могут быстро исследовать влияние ключевых параметров конструкции на производительность, выброс загрязняющих веществ и затухание пламени, используя обширные и точные модели топлива. Таким образом инженеры получают ценные результаты, которые необходимы для принятия решения по усовершенствованию изделия.

Chemkin-Pro эволюционировал из программы под названием Chemkin II, которая была создана Сандийской Национальной Лабораторией. На сегодняшний день Chemkin-Pro является качественным коммерческим ПО с удобным интерфейсом, высокой производительностью и непревзойденной точностью. Модели, используемые в Chemkin-Pro, проходили валидацию в течении нескольких десятков лет и обладают высокой цитируемостью в авторитетных журналах.

Для того, чтобы получить более глубокое понимание кинетических механизмов, в Chemkin-Pro имеется инструмент анализа протекания реакции (Reaction Path Analyzer).

Визуализация реакций при помощи инструмента анализа протекания реакции

Наличие визуального отображения кинетических механизмов при использовании инструмента Reaction Path Analyzer, дает точное представление о преобладающих путях протекания реакций.

Эквивалентные сети реакторов (Equivalent Reactor Networks (ERNs)) позволяют моделировать реальные камеры сгорания, горелки и химические реакторы, тем самым эффективно прогнозируя выбросы с детальным описанием химических процессов.

Эквивалентная сеть реакторов

При помощи модели затухания Chemkin-Pro выполняются быстрые и точные расчеты скорости затухания пламени, позволяя определить стабильность процесса горения. Затухание особенно важно учитывать в системах горения топлива с предварительным смешением и с низким выбросом NOx.

Инновационная технология трассировки частиц Chemkin-Pro позволяет моделировать нуклеацию, рост, агрегацию и окисление частиц. Два независимых метода трассировки позволяют предсказать средний размер частицы и плотность распределения частиц по диаметрам, которое в свою очередь может использоваться для предсказания образования сажи или для оптимизации процесса производства частиц.

Многие разработчики систем сжигания топлива используют модели горения, которые основываются на Flamelet-библиотеках. Chemkin-Pro обладает надежным и быстрым методом создания Flamelet-библиотек в качестве входных данных для моделей CFD.

Chemkin-Pro предлагает несколько моделей для моделирования поршневых двигателей: модели Single Zone и Multi- Zone для моделирования двигателей, использующих технологию HCCI и модель Spark Ignition для моделирования двигателя с искровым зажиганием. Модели Single Zone и Multi-Zone HCCI используются для разрешения ключевых эффектов горения, включая воспламенение, образование NOx, CO, HC и сажи.

Модель Spark Ignition (SI) используется для:

  • определения интенсивности детонации;
  • вычисления момента возникновения детонации;
  • оценки чувствительности работы двигателя в зависимости от угла опережения зажигания;
  • прогнозирования выбросов вредных веществ.

Модель SI является нольмерной двухзонной моделью горения, которая использует подробные кинетические механизмы для предсказания момента самовоспламенения и его интенсивности. Данная модель используется в качестве первого приближения для определения направления проектирования изделия.

Использование точной топливной модели в работе позволяет принять верное решение в сжатые сроки. Модуль Reaction Workbench является расширением программного продукта Chemkin-Pro. Он позволяет создавать оптимальные суррогатные модели топливной смеси, соответствуя всем физическим и химическим свойствами топлива. Можно проводить автоматическое комбинирование базовых и вспомогательных кинетических механизмов, используя инструменты Reaction Workbench. Кроме того, Reaction Workbench позволяет осуществлять полной контроль над процессом редуцирования кинетических механизмов. Пользователи выбирают целевые характеристики, представляющие наибольший интерес (например, скорость пламени, задержка зажигания, образование NOx, сажи и т.д.) и максимально допустимую погрешность для каждой из характеристик. Reaction Workbench автоматизирует применение методов, в которых осуществляется редуцирование кинетических механизмов для достижения определенных целей моделирования. В результате пользователи получают оптимальный кинетический механизм, который не уступает в точности по отношению к подробному механизму.

Геометрия камеры сгорания

Reaction Workbench предлагает широкий набор инструментов, которые позволяют осуществлять полный контроль над редуцированными кинетическими механизмами. Также существует возможность использовать подробные кинетические механизмы для моделирования специфических задач. Reaction Workbench имеет инструмент под названием Surrogate Blend Optimizer, который позволяет задать правильное сочетание чистых компонентов, соответствующих конкретным физическим и химическим свойствам. Также в Reaction Workbench с помощью базового механизма комбинирования, вы сможете с легкостью создавать различные суррогатные топливные смеси. Кроме того, вы можете решить какие параметры имеют для вас ключевое значение (например, скорость пламени, задержка зажигания, образование NOx, сажи и т.д.), а также определить максимально допустимый уровень ошибки при редуцировании кинетических механизмов. Reaction Workbench позволяет автоматизировать использование хорошо проверенных алгоритмов редуцирования для создания кинетического механизма, отвечающего требованиям конкретной задачи, и имеющего возможность совместного применения с такими продуктами, как Forte CFD или ANSYS Energico (используется для моделирования газовых турбин).

ANSYS Energico позволяет с легкостью связать подробные кинетические механизмы горения с вычислительной гидродинамикой (CFD) для точного моделирования процессов горения. Данный программный продукт позволяет воспользоваться преимуществами применения полного механизма реакций горения без ущерба разрешения сложной динамики жидкости. Energico позволяет повысить скорость разработки систем сжигания топлива, при применении подробных кинетических механизмов, используя минимальное количество экспериментальных данных, необходимых для проверки конструкции системы.

Energico позволяет рассчитывать:

  • камеры сгорания газовых турбин;
  • горелки котельных и печей;
  • мусоросжигательные печи.

Ключевые особенности Energico:

  • моделирование химических процессов, происходящих в системах сжигания, использующих топливо различного состава;
  • быстрое и точное прогнозирование вредных выбросов в современных камерах сгорания;
  • определение характеристик срыва пламени;
  • оценка влияния условий эксплуатации (например, состав топлива) на производительность систем сжигания топлива;
  • прямая загрузка .cas/.dat файлов ANSYS Fluent для быстрой и легкой настройки задачи.

Отображение CFD результатов с наложением идеализированных химических реакторов

Для моделирования камеры сгорания требуется разрешить сложную геометрию, турбулентное течение, теплообмен и подробные химические процессы. Типичный CFD анализ используется для моделирования химической кинетики на подробной геометрии, но с упрощенными моделями химических реакций, которые не позволяют достаточно точно спрогнозировать выбросы и стабильность работы изделия. Упрощенная постановка, используемая в CFD при моделировании химической кинетики, не может полностью разрешить выброс вредных веществ, таких как NOx, CO и несгоревших углеводородов. Чтобы разрешить образование данных веществ, необходимо использовать подробные кинетические механизмы с сотнями компонентов и тысячами реакций.

Программный модуль Energico позволяет наложить на поле течения идеализированные химические реакторы, что дает возможность эффективно применять подробную химию процессов горения для точного определения образования и разрушения компонентов, представленных в ничтожно малых концентрациях. Использование эквивалентных реакторных схем позволяет представить поле течения в виде совокупности реакторов идеального перемешивания и идеального вытеснения с соответствующими подводами и отводами газов. Energico напрямую передаёт результаты газодинамического расчёта в эквивалентную схему, которая описывает преобладающее распределение потоков и зоны рециркуляции. Для каждого расчётного этапа в Energico содержатся автоматизированные шаблоны, а также множество дополнительных параметров для тонкой настройки.

Бедный срыв пламени (Lean Blow-Off) является наиболее сложным процессом, который влияет на стабильность работы камеры сгорания с низким содержанием выбросов NOx. Бедный срыв возникает, когда количесвто тепла, создаваемое в процессе протекания химических реакций, является недостаточным для воспламенения топливно-воздушной смеси. В камерах сгорания с низким выбросом NOx, часто возникает неустойчивость в виде бедного срыва, поэтому его анализ имеет ключевое значение при проектировании камер сгорания. В связи с этим, механизм редуцирования реакций, встроенный в большинство CFD пакетов, не может обеспечить необходимой точности анализа бедного срыва.

Анализ бедного срыва

В Energico используется хорошо документированный подход к определению соотношения временных масштабов химических реакций и процессов смешения, что позволяет предсказать возникновение бедного срыва. В традиционных неуправляемых камерах, горение лимитируется эффективностью смешения, поскольку химические реакции в них происходят гораздо быстрее смешения. Однако, с понижением температуры пламени для сокращения выхода NOx, химические реакции замедляются до такой степени, что температура становится ограничивающим фактором. Это может спровоцировать бедный срыв.

Для того, чтобы помочь конструкторам определить вероятность возникновения бедного срыва, ПО Energico захватывает определенные области потока в камере сгорания, которые определяют фронт пламени, вычисленный на основе решения CFD. Затем, расчет выполняется с использованием подробных кинетических механизмов и поля течения, полученного в CFD-анализе, для оценки устойчивости пламени в интересующей области.