ANSYS Chemkin

ANSYS Chemkin – 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 – специализированный программный модуль для моделирования сложных химических реакций в газовой фазе и на поверхности. ANSYS Chemkin 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 ANSYS Chemkin 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.

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

Анализ протекания реакций

Для того, чтобы получить более глубокое понимание кинетических механизмов, в ANSYS Chemkin 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.

Использование эквивалентных сетей реакторов для моделирования сложных течений

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

Лучшее понимание устойчивости процесса горения

При помощи модели затухания ANSYS Chemkin 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.

Понимание и предсказание механизмов образования частиц

Инновационная технология трассировки частиц ANSYS Chemkin 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.

Простое создание Flamelet-библиотеки для CFD с высокой скоростью и точностью

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

Анализ процессов, происходящих в ДВС при помощи встроенных моделей Chemkin-Pro

ANSYS Chemkin 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.

Точное предсказание вредных выбросов

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.

Анализ бедного срыва

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.