第16章 部分预混燃烧的模拟gg

16.部分预混燃烧的模拟

FLUENT提供了一个模拟部分预混燃烧的模型，它是基于14章讲述的非预混燃烧模型和15张讲述的预混燃烧模型的。关于部分预混燃烧模型按以下章节介绍：

16.1概述和局限

16.2理论

16.3使用部分预混模型

16.1概述和局限

16.1.1概述

部分预混燃烧系统，是带有不均匀燃料——氧化剂的混合物的预混燃烧火焰。这种部分预混火焰的情形如，预混的混合物喷射到静止的大气中，带有扩散引导火焰或者冷却气喷嘴的贫油预混燃烧，以及不完整的混合进口的贫油预混燃烧室。

FLUENT提供的部分预混模型是非预混模型（14章）和预混模型（15章）的简单结合。预混反应进度变量c，决定火焰前锋的位置。在焰锋后（c＝1），混合物是燃尽的，所以采用平衡或者…..的求解方案；在焰锋（c＝0）前，组份质量分数、温度、密度通过未燃烧混合物计算。火焰内部（0

16.1.2局限

非预混和预混模型的基本理论、假设以及各自的局限，直接应用于部分预混模型。特别地，single-mixture-fraction方法只适用于两个进口的情况，这2进口可以是纯燃料、纯氧化剂，或者燃料和氧化剂的混合物。two-mixture-fraction模型的情况下，进口数目限制延展到三个，但是将带来较大的计算量。更多信息，请参考14.1.1和15.1.2。

16.2理论

部分混合模型，通过求解一个输运方程来求平均反应进度（以决定焰峰的位置），和混合物组

份方程和。火焰前方（c＝0），燃料和氧化剂是混合的但未燃烧，火焰后边（c＝1）混合物是燃尽了的。

16.2.1标量的计算

平均标量（如组份质量、温度和密度），用表示示，是通过计算f和c的概率密度函数（PDF）：

在薄火焰的假设下，于是只有未燃反应物和已燃产物存在，平均标量取决于

这里下标b和u分别表示已燃和未燃。

已燃部分的标量，φb，是混合物的函数，通过组分燃料质量f和氧化剂质量（1－f）并使混合物平衡φb。当非绝热混合物和／或考虑层流的时候，φb依然是热焓和／或应力的函数，但是这

并不改变基本公式。未燃部分的标量，φu，类似地通过组合燃料质量f和氧化剂质量（1－f）来计算，但是混合物没有反应。

就像非预混模型一样，化学计算和为已燃混合物PDF，在prePDF里面执行，FLUENT已经构建了向上层工作台供使用。

在未燃混合物里忽视了湍流波动（PDF）和非绝热的影响，所以平均未燃物的标量只是的

函数。这些假设对大多数部分预混燃烧了流动是有效的，做这些假设是为了减少内存需求。未燃的密度、温度、组份质量百分数、比热和热扩散（指示φ）在prePDF里面用最小二乘法拟合

成的三阶多项式。

由于未燃物标量是平滑变化、并是的缓慢变化函数，这些多项式拟合通常很精确。在prePDF

里面，用户有权改变这些多项式，如果你要改变它们。

16.2.2层流火焰速度

反应进度模型需要层流火焰速度（公式15.2-4），层流火焰速度取决于混合物组份、温度以及压力。对很好地预混合系统如15章里的，反应流有一种混合物，层流火焰速度在整个火焰域里近似为常数。然而，在部分预混系统里，层流火焰传播速度将随着反应混合物（平很比）的变化而变化，这种变化必须考虑。

精确的层流火焰速度理论上很难确定，通常是通过试验或者一维摸拟计算出来。prePDF使用拟合曲线Goyygens［89］来获得层流火焰速度。这些曲线是为氢气、甲烷、乙炔、乙烯、乙烷和丙烷燃烧火焰设计的。进口油气比从贫油极限到化学恰当比、未然物温度从298k到800k，压力从1到40bars的情况下，这些假设都是有效的。

prePDF把曲线拟合成为分段线性多项式。富油极限和贫油极限下的油气比也可以确定，并转化为混合物百分比。混合物如果比贫油极限更贫油或者比富油极限更富油的话，将不会燃烧，将

出现0火焰速度。这要求输入数值10倍层流火焰速度。层流火焰速度的最小和最大的极限

就是输入的第一个和最有一个数值。

！！这些火焰速度对于燃料是纯H2, CH4, C2 H2, C2 H4, C2 H6, 和C3 H8是比较精确的。如果氧化剂不是空气或者有其它的的燃料，那么这种曲线拟合是不正确的。虽然prePDF缺损是甲烷空气混合物，层流火焰速度多项式和富油或者贫油状态下最可能不正确。层流速度多项式应该由其它项决定，比如别的一些相关文献介绍的测量方法或者详细的1维模拟，然后输入到prePDF。

16.3使用部分预混燃烧模型

设置和求解部分预混燃烧问题，结合部分非预混和部分预混的设置。16.3.1中给出了这个过程的大致轮廓，同时还有相应的关于到预混和非预混章节里去查询细节的相关信息。部分预混燃烧模型的特殊的输入，在16.3.1和16.3.2中介绍。

16.3.1设置和求解步骤

1、用prePDF生成一个PDF的查询表。你可以跟着非预混燃烧章节里，14.3.1或者14.4.6讲述的步骤进行设置，在define case面板里，打开partially premixed model选项。

Setup Case...

！！如果prePDF有警告你，在查询计算阶段，任何关于计算层流火焰速度的函数、计算未燃密度、温度、比热和热扩散率的参数，超出范围的参数都是有效的，你必须在保存PDF文件前改变多项式系数或者分段线性点的系数。

Display Partially Premixed Properties...

细节请参阅16.3.2。

2、读入网格文件到FLUENT，并设置好其它你计划采用的与部分预混燃烧模型相关的模型（湍流、辐射等）

3、激活部分预混燃烧模型

（a）打开Species Model 面板里的Partially Premixed Combustion 模型。

Define Models Species...

（b）如果必要，改变Species Model面板里的Model Constants（模型常数）。这些对于预混燃烧模型来说是永恒的常数，很多情况下，你不必改变他们的缺损值。详细情况参见15.3.2 （c）点击Species Model面板上的OK后，指定包含你在prePDF里生成的查询图表的PDF 文件名，并把它读入FLUENT。

4、定义计算域内未燃物质的物理特性

Define Materials...

FLUENT将自动地为层流火焰速度选择prepdf-polynomial 函数，指示PDF的查询表的分段线性多项式函数将用来计算层流火焰速度。有可以选择用户自定义函数而不是分段线性多项式函数。参见15.3.4，有关于设定未燃物的其它特性的详细资料。

5、设定进出口的火焰进度变量（c）和平均混合物百分数（）和其变异（）。（对于那些包含多个进口的，你必须为平均次要进口部分分数定义边界条件以及其变异量）

Define Boundary Conditions...

参见14.3.3节，查看关于指导如何设定混合物分数和变异量条件，以及进口热流量和速度进口。

！！如果你在PDF里面定义燃料为进口预混组分，那么你应该设定set 和。如果

第定义的是纯燃料，那么你必须设定正确的化学恰当比( )，和进口处的

。

6、初始化进展变量

Solve Initialize Patch...

详见15.3.6节。

7、求解物理问题并执行后处理

参见14.3.3节，详见关于设定求解参数的指导。（这些指导是为非预混燃烧计算的，但是也相应适合于部分预混燃烧）。

16.3.2在prePDF里改变未燃物组分的特性多项式