fluent仿真速率燃烧模型
fluent燃烧简介
FLUENT燃烧简介FLUENT软件中包含多种燃烧模型、辐射模型及与燃烧相关的湍流模型，适用于各种复杂情况下的燃烧问题，包括固体火箭发动机和液体火箭发动机中的燃烧过程、燃气轮机中的燃烧室、民用锅炉、工业熔炉及加热器等。
1.1 FLUENT燃烧模拟方法概要燃烧模型是FLUENT软件优于其它CFD软件的最主要的特征之一。
FLUENT可以模拟宽广范围内的燃烧问题。
然而，需要注意的是：你必须保证你所使用的物理模型要适合你所研究的问题。
FLUENT在模拟燃烧中的应用可如下图所示：图 1 FLUENT模拟过程中所需的物理模型1.1.1 气相燃烧模型一般的有限速率形式(Magnussen模型)守恒标量的PDF模型(单或二组分混合分数)层流火焰面模型(Laminar flamelet model)Zimount 模型1.1.2 离散相模型煤燃烧与喷雾燃烧1.1.3 热辐射模型DTRM，P-1，Rosseland 和Discrete Ordinates 模型1.1.4 污染物模型NOx模型，烟(Smoot)模型2.1气相燃烧模型·在FLUENT中，针对不同的燃烧现象，采用了不同的化学动力学处理手段，以减少计算成本，如下：有限速率燃烧模型---预混、部分预混和扩散燃烧混合分数方法(平衡化学的PDF模型和非平衡化学的层流火焰面模型)---扩散燃烧反应进度方法(Zimont模型)---预混燃烧混合物分数和反应进度方法的结合---部分预混燃烧2.2.1 有限速率模型化学反应过程一般采用总包机理(即简化化学反应，如单步反应)进行描述。
求解积分的输运方程，得到每种组分的时均质量分数值，如下：-----(1)其中组分j的反应源项为所有反应K个反应中，组分j的净生成速率：-----(2)-----(3)计算所需参数包括：1、组分及其热力学参数值；2、反应及其速率常数值。
有限速率模型的有缺点：优点：适用于预混、部分预混和扩散燃烧，简单直观；缺点：当混合时间尺度和反应时间尺度相当时缺乏真实性，难以解决化学反应与湍流的耦合问题，难以预测反应的中间组分，模型常数具有不确定性。
fluent中的heat release rate-概述说明以及解释
fluent中的heat release rate-概述说明以及解释1.引言1.1 概述热释放速率在燃烧领域中扮演着至关重要的角色，它是描述燃烧过程中能量释放速率的重要参数。
热释放速率的准确模拟可以帮助我们更好地理解燃烧现象，并优化工程设计。
Fluent是一款流体力学仿真软件，可以用来模拟各种流体现象，包括燃烧过程。
本文将重点探讨在Fluent中如何模拟热释放速率，以及其在燃烧领域中的应用和意义。
通过深入研究和分析，我们可以更好地利用Fluent软件进行燃烧仿真，并为工程实践提供更好的支持和指导。
1.2文章结构1.2 文章结构本文分为引言、正文和结论三部分。
在引言部分，首先对文章的主题进行了概述，介绍了研究的背景和意义。
接着对文章的结构进行了概述，简要说明了各部分的内容和逻辑关系。
最后阐明了本文研究的目的，指明了对Fluent中的heat release rate进行深入探讨的意义。
正文部分主要分为三个小节。
首先介绍了Fluent软件的基本情况，包括其特点、应用领域和优势。
然后重点讨论了燃烧模拟中的heat release rate的重要性，分析了其在燃烧过程中的作用和意义。
最后详细介绍了在Fluent中进行heat release rate模拟的方法和步骤，包括模型选择、边界条件设定和求解器设置等方面。
结论部分对全文进行了总结，强调了对Fluent中heat release rate 研究的重要性和必要性。
同时展望了未来在该领域的研究方向和发展前景。
最后，通过对全文的回顾和思考，对本文的研究成果进行了总结，并提出了对读者的建议和思考。
1.3 目的本文旨在探讨在使用Fluent软件进行热释放速率模拟时的方法和技巧。
通过深入分析Fluent中的热释放速率模拟方法，我们可以更好地了解热释放速率在燃烧模拟中的重要性和应用价值。
同时，本文旨在为研究人员和工程师提供一些有用的指导和建议，以便他们在实际工程项目中更好地应用Fluent软件进行热释放速率模拟。
第六章,FLUENT中的燃烧模拟
第六章，FLUENT中的燃烧模拟6.1 燃烧模拟的重要性●面向实际装置（如锅炉、内燃机、火箭发动机、火灾等）●面向实际现象（如点火、熄火、燃烧污染物生成等）6.2 FLUENT燃烧模拟方法概要●FLUENT可以模拟宽广范围内的燃烧（反应流）问题。
然而，需要注意的是：你必须保证你所使用的物理模型要适合你所研究的问题。
FLUENT在燃烧模拟中的应用可如下图所示：●气相燃烧模型一般的有限速率形式（Magnussen 模型）守恒标量的PDF模型（单或二组分混合物分数）层流火焰面模型（Laminar flamelet model）Zimont 模型●离散相模型煤燃烧与喷雾燃烧●热辐射模型DTRM, P-1, Rosseland 和Discrete Ordinates模型●污染物模型NO x 模型，烟（Soot）模型6.3 气相燃烧模型6.3.1 燃烧的化学动力学模拟实际中的燃烧过程是湍流和化学反应相互作用的结果，燃烧的化学反应速率是强非线性和强刚性的。
通常的化学反应机理包含了几十种组分和几百个基元反应，而且这些组分之间的反应时间尺度相差很大（10－9～102秒），因此在实际问题的求解过程中计算量和存储量极大，目前应用尚不现实。
在FLUENT 中，针对不同的燃烧现象，采用了不同的化学动力学处理手段，以减少计算成本，如下：● 有限速率燃烧模型——>预混、部分预混和扩散燃烧● 混合物分数方法（平衡化学的PDF 模型和非平衡化学的层流火焰面模型）——>扩散燃烧● 反应进度方法（Zimont 模型）——>预混燃烧● 混合物分数和反应进度方法的结合——>部分预混燃烧6.3.2一般的有限速率模型● 化学反应过程一般采用总包机理（即简化化学反应，如单步反应）进行描述 ● 求解组分的输运方程，得到每种组分的时均质量分数值，如下：6－1其中组分j 的反应源项为所有K 个反应中，组分j 的净生成速率：6－2 式中，反应k 中的组分j 的反应速率可按照Arrhenius 公式、混合（mixing ）速率或 “eddy breakup” 速率的方法求解。
FLUENT中的燃烧模拟
第六章，FLUENT中的燃烧模拟6.1 燃烧模拟的重要性●面向实际装置（如锅炉、内燃机、火箭发动机、火灾等）●面向实际现象（如点火、熄火、燃烧污染物生成等）6.2 FLUENT燃烧模拟方法概要●FLUENT可以模拟宽广范围内的燃烧（反应流）问题。
然而，需要注意的是：你必须保证你所使用的物理模型要适合你所研究的问题。
FLUENT在燃烧模拟中的应用可如下图所示：●气相燃烧模型一般的有限速率形式（Magnussen 模型）守恒标量的PDF模型（单或二组分混合物分数）层流火焰面模型（Laminar flamelet model）Zimont 模型●离散相模型煤燃烧与喷雾燃烧●热辐射模型DTRM, P-1, Rosseland 和Discrete Ordinates模型●污染物模型NO x 模型，烟（Soot）模型6.3 气相燃烧模型6.3.1 燃烧的化学动力学模拟实际中的燃烧过程是湍流和化学反应相互作用的结果，燃烧的化学反应速率是强非线性和强刚性的。
通常的化学反应机理包含了几十种组分和几百个基元反应，而且这些组分之间的反应时间尺度相差很大（10－9～102秒），因此在实际问题的求解过程中计算量和存储量极大，目前应用尚不现实。
在FLUENT 中，针对不同的燃烧现象，采用了不同的化学动力学处理手段，以减少计算成本，如下：● 有限速率燃烧模型——>预混、部分预混和扩散燃烧● 混合物分数方法（平衡化学的PDF 模型和非平衡化学的层流火焰面模型）——>扩散燃烧● 反应进度方法（Zimont 模型）——>预混燃烧● 混合物分数和反应进度方法的结合——>部分预混燃烧6.3.2一般的有限速率模型● 化学反应过程一般采用总包机理（即简化化学反应，如单步反应）进行描述 ● 求解组分的输运方程，得到每种组分的时均质量分数值，如下：6－1其中组分j 的反应源项为所有K 个反应中，组分j 的净生成速率：6－2 式中，反应k 中的组分j 的反应速率可按照Arrhenius 公式、混合（mixing ）速率或 “eddy breakup” 速率的方法求解。
Fluent燃烧模型
Rosseland模型是最为简化的辐射模型，只能应用于大尺度辐射计算。其优点是速度最快，需要内存最少。
Discrete Ordinates (DO) Model
DO模型是所有四种模型是最为复杂的辐射模型，从小尺度到大尺度辐射计算都适用，且可计算非－灰度辐射和散射效应，但需要较大计算量。
三、污染模型
NOx模拟
Fluent软件提供了三种NOx形成的模型：Thermal NOx、Prompt NOx和Fuel NOx形成模型。从而可以模拟绝大多数情况下的NOx生成问题。
烟尘模型（Soot Model）
Fluent软件可以考虑单步和两步的烟尘生成问题。烟尘的燃烧由有限速率模型模拟，并考虑了烟尘对辐射吸收的影响。
应用领域：该模型应用于非预混燃烧（湍流扩散火焰），可以用来计算航空发动机的环形燃烧室中的燃烧问题及液体/固体火箭发动机中的复杂燃烧问题。
非平衡反应模型
层流火焰模型是混合组分/PDF模型的进一步发展，从而用来模拟非平衡火焰燃烧。在模拟富油一侧的火焰时，典型的平衡火焰假设失效。该模型可以模拟形成Nox的中间产物。
FLUENT软件的燃烧模型介绍
Fluent软件中包含多种燃烧模型、辐射模型及与燃烧相关的湍流模型，适用于各种复杂情况下的燃烧问题，包括固体火箭发动机和液体火箭发动机中的燃烧过程、燃气轮机中的燃烧室、民用锅炉、工业熔炉及加热器等。燃烧模型是FLUENT软件优于其它CFD软件的最主要的特征之一。下面对Fluent软件的燃烧模型作一简单介绍：
二、分散相燃烧模型
除了可以模拟各种气相燃烧问题以外，FLUENT5还提供了模拟分散相燃烧问题(液体燃料燃烧、喷射燃烧、固体颗粒燃烧等)的燃烧模型：
Fluent燃烧模型
除了可以模拟各种气相燃烧问题以外，FLUENT5还提供了模拟分散相燃烧问题(液体燃料燃烧、喷射燃烧、固体颗粒燃烧等)的燃烧模型：
在拉格朗日坐标下，模拟分散相（包括固体颗粒/油滴/气泡等）在瞬态和稳态下的运动轨迹
多种球形和非球形粒子的曳力规律
线性分布或Rosin-Rammler方程的粒子大小分布
三、污染模型
NOx模拟
Fluent软件提供了三种NOx形成的模型：Thermal NOx、Prompt NOx和Fuel NOx形成模型。从而可以模拟绝大多数情况下的NOx生成问题。
烟尘模型（Soot Model）
Fluent软件可以考虑单步和两步的烟尘生成问题。烟尘的燃烧由有限速率模型模拟，并考虑了烟尘对辐射吸收的影响。
连续相的湍流效应对粒子传播的影响
分散相的加热/冷却
液滴的汽化和蒸发
燃烧粒子，包括油滴的挥发过程和焦碳的燃烧
连续相与分散相的耦合
模拟油滴在湍流的影响而产生的扩散效应时，FLUENT可以采用粒子云模型和随机轨道模型。
随机轨道模型
该模型利用离散的随机跟踪法模拟瞬态湍流速度脉动对粒子轨迹的影响。
应用领域：该模型应用于非预混燃烧（湍流扩散火焰），可以用来计算航空发动机的环形燃烧室中的燃烧问题及液体/固体火箭发动机中的复杂燃烧问题。
非平衡反应模型
层流火焰模型是混合组分/PDF模型的进一步发展，从而用来模拟非平衡火焰燃烧。在模拟富油一侧的火焰时，典型的平衡火焰假设失效。该模型可以模拟形成Nox的中间产物。
纵上所述，我们可以看到，无论在模型数量上，还是在模型先进性上，FLUENT软件提供了远远优于其它商用CFD软件的燃烧模型。例如，在气相燃烧模型上，Star-CD仅仅提供了传统的有限速率模型和PDF模型，而缺乏在航空航天领域燃烧问题中应用最为重要的非平衡火焰模型和预混模型；在分散相模型上，与Star-CD相比，Fluent软件同样提供了更为丰富、更为先进的物理模型。
第五章fluent预混燃烧模型ppt课件
1、预混模型理论
• 火焰前锋的传播：预混燃烧时，火焰发生在一个 非常薄的火焰层中，火焰前锋移动时，未燃反应 物燃烧变为产物，火焰层将反应的流场分为已燃 物区和未燃物区，反应的传播等同于火焰前锋的 传播
预混燃烧--Zimont模型
•
反应进程变量c：c
Yp
/
Y
ad p
p
p
Yp：当前产物的质量分数；
Ypad ：完全绝热燃烧后产物的质量分数；
预பைடு நூலகம்模型总结
• 适用条件
湍流 快速化学反应 只有预混合
• 限制条件
不能模拟运动学细节中的实际现象 （如点燃、熄灭和低Da数）。
实例演练四：预混燃烧
混合燃料入口2
混合燃料入口1
烟气出口
湍流长度尺寸常数CD 湍流火焰速度常数A
拉伸系数 湍流施密特数Sct
拉伸系数
• 为了考虑火焰面拉伸所导致的吹熄现象，在 反应源项中乘以一个拉伸因子 G，即GSC ：
其中：
• 以上各式中出现的一些常数值在FLUENT默认条件下为：
A=0.52，CD=0.37，μstr=0.26， Sct =0.7
温度的计算
• 关键：捕获湍流火焰速度，受层流火焰速度和湍流的 影响。
预混模型使用限制
• 必须使用非耦合求解器； （define-models-solver: Pressure based） • 只对湍流、亚音速模型有效； • 不能和污染物模型（如NOx）一起使用； • 不能模拟离散相粒子的反应，只有惰性粒
子才能与预混模型一起使用。
的情况。
3、FLUENT相关设置
1、选择预混模型
2、确定绝热或非绝热
（如果有fluent材料库 中的模型，可以首先选 择一种）
第六章,FLUENT中的燃烧模拟
6.1燃烧模拟的重要性面向实际装置（如锅炉、内燃机、火箭发动机、火灾等） 面向实际现象（如点火、熄火、燃烧污染物生成等）6.2 FLUENT 燃烧模拟方法概要FLUENT 可以模拟宽广范围内的燃烧（反应流）问题。
保证你所使用的物理模型要适合你所研究的问题 下图所示：气相燃烧模型一般的有限速率形式（Mag nu ssen 模型） 守恒标量的PDF 模型（单或二组分混合物分数） 层流火焰面模型（Laminar flamelet model ）Zimont 模型离散相模型 煤燃烧与喷雾燃烧 热辐射模型DTRM, P-1, Rosseland 和 Discrete Ordinates 模型污染物模型NOx 模型，烟（Soot ）模型第六章，FLUENT中的燃烧模拟然而，需要注意的是：你必须FLUENT 在燃烧模拟中的应用可如6.3气相燃烧模型 6.3.1燃烧的化学动力学模拟实际中的燃烧过程是湍流和化学反应相互作用的结果，燃烧的化学反应速率是强非线性和强刚性的。
通常的化学反应机理包含了几十种组分和几百个基元反应， 而且这些组分之间的反应时间尺度相差很大 （10— 9〜102秒），因此在实际问题的求解过程中计算量和存储量极大，目前应用尚不现实。
在FLUENT 中，针对不同的燃烧现象，采用了不同的化学动力学处理手段，以减少计 算成本，如下： 有限速率燃烧模型一一 > 预混、部分预混和扩散燃烧 混合物分数方法（平衡化学的 PDF 模型和非平衡化学的层流火焰面模型）烧反应进度方法（Zimont 模型）一一 >预混燃烧 混合物分数和反应进度方法的结合一一>部分预混燃烧6.3.2 一般的有限速率模型化学反应过程一般采用总包机理（即简化化学反应，如单步反应）进行描述 求解组分的输运方程，得到每种组分的时均质量分数值，如下：鲁的）+ ▽■阿）=-v-Ji+fli+Si其中组分j 的反应源项为所有 K 个反应中，组分j 的净生成速率:R jR jkk6式中，反应k 中的组分j 的反应速率可按照 Arrhenius 公式、混合（mixing ）速率或 breakup ”速率的方法求解。
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Arrhenius化学动力学的高度非线性 性，模拟结果一般不精确！
三种特殊情况
? 1、有逆向反应
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反应r中反应物i的化学计量数
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3、有限速率/涡耗散模型
? 简单结合了Arrhenius公式和涡耗散方程。 ? 避免预混燃烧中，ED模型出现的提前燃烧问题。
有限速率/涡耗散模型
? 同时计算Arrhenius公式和涡耗散方程；
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? 净反应速率取两个速率中的较小值。 ? Arrhenius速率：作为动力学开关，阻止反应发
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? 3、压力独立反应
反应发生在高压和低压限制之间，不仅仅 依赖于温度。
FLUENT相关设置
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反应r中生成物i的化学计量数
k f ,r 反应r的正向速率常数
kb,r 反应r中反应物i的化学计量数
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反应r中每种反应物或生成物j的正向反应速度指数
? '' j,r
反应r中每种反应物或生成物j的逆向反应速度指数
三种特殊情况
? 2、第三体的影响
生在火焰稳定器之前；
? 点燃后，涡耗散速率一般小于Arrhenius速率。
有限速率 /涡耗散模型优 缺点
? 优点：结合了动力学因素和湍流因素； ? 缺点：只能用于单步或双步反应。
（1）多步反应机理基于 Arrhenius 速率，每个反应的 都不一样； （2）涡耗散模型中，每个反应都有同样的湍流速率； （3）不能预测化学动力学控制的物质，如活性物质。
? 整体反应速率由湍流混合控制； ? Damkohiler 数：
涡耗散模型概述
? 非预混火焰中：湍流“缓慢地”通过对流作 用，使燃料和氧化剂进入反应区，在反应区 内快速地燃烧；
? 非预混火焰中：湍流作用使冷的反应物和热 的生成物进入反应区，在反应区快速地燃烧；
? 燃料和氧化剂进入反应区快速地发生反应， 燃烧成为混合限制的，即扩散控制的燃烧；
反应r中反应物i的化学计量数 反应r中生成物i的化学计量数
涡耗散模型理论
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? 反应速率由大涡混合时间尺度 k / ? 控制， 只要出现 k / ? >0的情况，燃烧即可进行， 故不需要点火源；
? 常用于非预混火焰；
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? YP：产物的质量分数
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控制反应速率
? A、B：经验常数，A=4.0，B=0.5；
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? 案例：气体反应、煤燃烧； ? 限制条件： （1）混合时间和反应时间相似时不可靠； （2）没有从化学动力学角度去控制中间物质； （3）不能模拟点燃、熄灭等动力学细节现象。
涡耗散模型举例
物理模型
燃气入口
点火燃烧：150m/s
烟气出口
实例演练二、涡耗散模型
模型及边界条件 ? 功率：16kw,天然气作为燃料； ? 模型：涡破碎燃烧模型（EDC）， 离散坐标辐射模型（DO）； ? 管壁：601合金，3mm厚，发射率0.85； ? 炉温：950℃ ? 空气预热温度：627℃ ? 排烟压力：-500pa
三、有限速率燃烧模型
? 层流有限速率模型 ? 有限速率/涡耗散模型（EDM） ? 涡耗散模型（EDM） ? 涡耗散概念模型（EDC）
有限速率模型概述
? 用总包机理反应描述化学反应过程. ? 求解化学组分输运方程，反应速率以源项形式出现：
? 组分 j的源项 (产生或消耗）是机理中所有k个反应的净反应
1、选择模型
2、定义材料
FLUENT相关设置
3、定义化学反应
化学反应式 指前因子和活化能
特殊情况
使用不多，不做举例介绍
FLUENT相关设置
4、设置点火区域 Solve-initiaze-patch
2、涡耗散模型
? 快速燃烧假设 ：化学反应速率与湍流混合（扩散） 速率相比无穷快，即湍流燃烧过程由燃料和氧化 剂的混合过程控制。
速率 :
? Rj ? Rjk k
? Rjk ：第k 个化学反应生成或消耗的j 组分。 （根据 Arrhenius速率公式、漩涡耗散等理论进行计算）.
1、层流有限速率模型
? 特点：使用Arrhenius公式计算反应速率作为 源项，忽略湍流脉动的影响。
? 使用范围：反应缓慢、湍流脉动较小的燃烧。
E:反应活化能 CA 、CB ：反应物浓度 a、b：化学反应计量数 K0：指前因子
? 忽略了复杂、未知的化学反应动力学速率；
涡耗散模型概述
? 假设：认为化学反应速率取决于未燃气体 微团在湍流作用下破碎成更小微团的速率；
? 公式： ? 特征：突出了湍流混合对燃烧速率的控制
作用； ? 缺点：未考虑分子输运和化学动力学因素
的影响，过于粗糙。
涡耗散模型理论
反应速率计算 （取较小者）
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? 但在预混火焰中，反应物一进入计算区域 就开始燃烧，该模型计算的燃烧会出现超 前性，故一般不单独使用。
FLUENT相关设置
1、选择能量方程 和湍流模型
2、选择涡耗散模型
FLUENT相关设置
3、在设置材料处产看相关反应
反应速率由大涡混合时
间尺度 k / ? 控制，不
需要设置点火源。
FLUENT相关设置
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? 4、初始化时设置产 物质量比例为0.01， 用于启动反应。
涡耗散模型的使用
? 适用条件：湍流（高Re数），快速化学反 应（高Da数），预混、非预混、部分预混；