用fluent模拟内循环床气化燃烧（调试过程记录）

论文已发表：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890417305599

模拟对象为文献Combined gasification of coal and biomass in internal circulating fluidized bed^[1]中的内循环气化炉。[1]http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037838201100395X

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2016.8.？ 遇到问题：燃烧过程涉及到空燃比，需要知道质量流率，然而，fluent里对空气设置质量流率可能会出现错误，因此需要知道速度边界与质量流率的关系。（模拟二维对象）

2016.8？ 解决：用report--flux功能

 

对于二维模型，可以设置reference里面的depth来调节质量流率（当边界速度一定时）。

 

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2016.8.？ 遇到问题：fluent算燃烧果然还是不够稳健，直接加入所有反应（10多个）后直接残差飞上天。

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2016.8.16 问题解决：先加了两个裂解反应算了一段时间，再加碳氧化，还是不行，残差还是飞上天。索性把碳氧化速率减小1000倍，稳定住了，然后一个个加所有的异相反应，也稳定的不错，直接加入所有的均相反应，收敛性不是很好，主要是连续性方程不收敛，先让他继续这么算，算一晚上明天去看看。

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2016.8.17 下午去看了看，结果发散了，又在那倒腾好一会，现在终于把所有反应都加上去并且都能收敛了。过程是这样的：我从昨天保存的地方，开始逐个加均相反应。刚开始两个还能收敛的不错，加到第三个均相反应的时候，残差又降不下去了，即使把反应速率改小，把时间步长减小，前两步能够收敛，但是到后面又收敛的不好了。来回尝试了好几次还还是不行。然后我有了个灵感，因为把步长减小后，前几步的残差是能降到很低的，这样我把收敛标准调到e-4的话，误差积累应该就更小，没准收敛效果会更好。果然我的想法是可行的。把连续性标准调到e-4以后，收敛性确实好多了。然后我还把另外几个湍流模型都算上了，看看它们算出来的流型有啥区别没有。明天去看看。

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 2016.8.23 先总结一下前两天的。陆陆续续去了好几次，调的过程中发现，时间步长不是越小收敛效果越好。刚开始步长是1e-6，连续性下不去，然后我偶然发现把时间步长增加到1e-5反而能够很好收敛。目前看来，暂时能够比较稳定的计算，但是比较头疼的是，由于反应比较多，有两个网格温度超限，而且每一步残差都会飞到很高，后果就是没准哪一步就由于残差弹的太高导致程序死掉，但是继续算还是可以算的。目前就是这个状态，明天拿个细点的网格去算算试试。看能不能稍微好点。

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 2016.9.19 这回重新调整了一下case，把碳单独看成一相，这样能减少反应方程的数目。前期调残差也废了点劲，主要还是减小步长，然后根据不收敛的变量找到对应松弛因子，减小之。比较头疼的是算到14秒的时候，突然发散了，很是奇怪，按说基本上产物都比较稳定了，不应该发散才对。多半还是反应的原因，然后先把均相反应先全部关上，依次打开，发现是碳氧化反应导致的，然后把这个反应速率先减少10倍，试了试，发现可以稳定计算，但是影响产物的量，先这样计算一段时间试试吧。

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 2016.9.21 真的是一个问题一夜回到解放前。之前通的是300k的低温气体，流化还不错，后来改为1073k以后，死活流化不起来了。尝试了一下把气体密度改为volume-weighted，这回可以了。而且，发现沙子流化不起来的话，会阻碍气体的热量传递，高温区只有低端入口一点点。

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 2016.9.28 这几天真是经历各种神奇的bug，累觉不爱，好在现在基本解决。自从装上linux系统以后，windows下的fluent就出现奇葩问题，设置好以后，开始计算就会报错，莫名其妙的错误，就像这样：

 

然后关掉这个奇怪的框框，继续算就能算了。但是让人很不爽啊。于是我就把linux备份出来，把整个硬盘格式化，重做系统，居然还是如此。我就很方了。。最后的最后，我是换了个系统重装才解决这个问题。但是我现在并不知道到底是什么问题引起的，简直神奇。

这还没完。由于之前几次算的都不是很理想，我就重新跑了个流化的case，具体设置后面介绍，当把反应模型打开以后，出现掉进程的问题（并行）。然后单线程算，出现segmentation fault的问题。这下我更方了，我甚至一度感觉是电脑硬件出问题了。然后我就一步步排查，最终发现，当设置湍流模型为k-epsilon dispersed，生物质和煤同时给，此时打开容积燃烧模型就会出现segmentation faul的问题，于是我就换成k-epsilon mixture，就不会有这个问题了，然后就是一步步加反应了。下面说说这个case怎么设置的。

首先我用1073k的气体通入床内，并且patch整个流体域为1073k，湍流模型设置的是dispersed（但是事实证明，最好别用这个，用mixture吧，虽然mixture的鼓泡床出泡效果没有dispersed明显），等充分流化以后就开始加生物质和煤了，这两者是常温。先只加入裂解和水蒸发这两个，最难的地方在于，由于床料的阻碍作用，生物质和煤的速度残差下不去。把步长减小到2e-4，动量松弛因子可以小到0.1左右，然后可以先这样算一段时间，因为随着反应的进行，生物质和煤会反应掉，反正我是中午回去睡一觉回来看就收敛了。收敛以后可以再尝试着把其他反应都加上，并把过小的松弛因子（比如动量）加大点。目前看来，计算还算稳定，就是不知道会不会和之前一样算一会又发散。先看看吧。对了，这次我先用单线程算试试，看和双线程结果有没区别。

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2016.10.31 基本上反应全部加进去收敛以后，就能一直比较稳定了，剩下的就是调反应速率，因为这块涉及到不同文献给出的反应速率单位不同，导致指前因子单位不同，所以换算很麻烦，再加上有些文献写的可能是错的，先来记录一下单位换算的问题。

举个例子：CH4 + O2的反应速率表达式长这样，r = k[CH4][O2]。在FLUENT里，反应速率的单位是kmol/m³/s，气体浓度单位是kmol/m³，这样，就可以推出k的单位是m³/kmol/s，所以在FLUENT里，对于这个反应要保证单位正确。此时假如查到一篇文献反应速率的单位是mol/m³/s，那么可以推出其k的单位是m³/mol/s，应该将k中指前因子乘以1000，再填入FLUENT面板中。

虽然道理是这样，我自己操作过程中却遇到问题，我用文献《Three dimensional kinetic modeling of fluidized bed biomass gasification》的反应速率，并换算好单位，但是结果差的很多，这个反应速率我之前是用过的，组分对的也还可以，没换算单位，所以对于这篇文献，我怀疑作者可能给的不是换算以后的值。为什么会有这种感觉呢，我通过对比了几篇文献中CO+H2O的反应速率的值，感觉有些混乱。

这个来自一篇引用很高的文献《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，其单位是m³/kmol/s，和FLUENT里是一样的，再来看看另几篇。

-- 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》

如果按照第一篇为基准，那么A单位转换成m³/mol/s后应该是2.78，可是从这几篇文献可以看到，非常混乱。

目前还没找到确定答案，存疑。