湍流预混火焰模型概要
Fluent燃烧模型介绍

1.Generalized Finite-Rate Model(通用有限速率模型)该模型基于求解组分质量分数疏运方程,化学反应机理由用户自己定义。
反应速率在组分疏运方程中作为源项,并且由阿累尼乌斯公式计算。
该模型适合求解预混,部分预混以及非预混湍流燃烧。
2.Non-Premixed Combustion Model(非预混燃烧模型)该模型求解混合分数输运方程,单个组分的浓度由预测得到的混合分数的分布求得。
该模型是专门为求解湍流扩散火焰问题而发展,有许多方面都比有限速率模型要优越。
该模型考虑了湍流对燃烧的影响,反映机理不能由用户自己设定。
)3.Premixed Combustion Model(预混燃烧模型)该模型主要针对纯预混湍流燃烧问题,在这些问题中,反应物和生成物由火焰峰面隔开,该模型通过求解各种反应过程参数来预测火焰峰面的位置,该模型为考虑湍流对燃烧的影响,引入了一个湍流火焰速度。
4.Partially Premixed Combustion Model(部分预混燃烧模型)该模型针对预混合肥预混燃烧都存在的湍流反应流动。
通过求解混合分数方程和反应过程参数来确定火焰峰面的位置。
position PDF Transport Combustion Model(组分概率密度输运燃烧模型)该模型用来模拟湍流火焰中实现中存在的有限速率反应,任意的反应机理都可以导入FLUENT,该模型可用于求解预混,非预混及部分预混火焰,但只用此模型需要大投资。
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:一、气相燃烧模型1.有限速率模型这种模型求解反应物和生成物输运组分方程,并由用户来定义化学反应机理。
湍流燃烧火焰面模式理论及应用(孙明波,白雪松,王振国著)PPT模板

0 5
2.5湍流预混 燃烧算例验证
0 6
2.6带自点火 特性的预混火 焰传播模型
第2章湍流预混燃 烧
参考文献
第2章湍流预混燃烧
2.1层流预混火焰
2.1.1层流 预混火焰结 构
2.1.2层流 预混火焰温 度
第2章湍流预混燃烧
2.2湍流预混火焰
0 1 2.2.1湍流预混火焰的基本性质
02
2.2.2湍流脉动与火焰的相互作 用
第1章湍流燃烧及其数值模拟概述
1.1湍流燃烧基本特性
1.1.1湍流 的基本特 性
1.1.2湍流 燃烧的特 点
第1章湍流燃烧及 其数值模拟概述
1.2化学反应流的数学描 述
1
1.2.1化学反应流控制方程
2
1.2.2化学反应机理及反应速率
第1章湍流燃烧及 其数值模拟概述
1.3湍流燃烧模拟的一般方 法
2.4.4G方程 和C方程比较
第2章湍流预混燃烧
2.5湍流预混燃烧算例验证
1
2.5.1均匀各向同性湍流中的火 焰核增长
2
2.5.2三角棱柱火焰稳定器的燃 烧模拟
3
2.5.3低旋流燃烧器的火焰稳定
4
2.5.4本生灯的火焰形状
第2章湍流预混燃烧
2.6带自点火特性的预混火焰传播模型
2.6.1预混 火焰自点火 耦合模型
n解和化学 平衡解
04
03
3.2.4火焰面结构的 渐近解
3.2.3详细化学反应 机理对层流扩散火 焰的影响
第3章扩散燃烧
3.3湍流扩散燃烧火焰面模型
01 3 .3 .1 扩散火焰 面模 02 3 .3 .2 火焰面模 型方
型合理性验证
浙大高等燃烧学_湍流燃烧理论模型_程乐鸣_2013_9

率决定于末燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的速
率,而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比。
R fu ~ / k
湍流燃烧速率
对比用k - ε模型和混合长度模型计算湍流粘度的公式
t C k 1/ 2 C C D k 2 /
假定 k 1/ 2 正比于混合长度与均流速度梯度绝对值的乘
对于层流火焰,在一定条件下,火焰传播速度与试验装 置无关。
在研究湍流燃烧时,针对湍流火焰,同样期望确定其传 播速度时,不要与装置本身有关,以带有共性,仅与料量比: λ、μ、D等量数有关。 事实证明这是不可能的。
在某些化学当量比下,湍流中有效热扩散系数要比层流 中分子的热扩散系数大 100倍,因此,湍流火焰的理论概念 不象层流火焰那样容易定义。
分析湍流火焰时,不仅要考虑湍流的 输运特性,还必须考虑湍流的脉动特性。 建立湍流燃烧模型中,要把混合过程 的控制作用和湍流脉动的影响有机地统一 起来。 基于此,Spalding提出了k-ε-g模型
几率分布函数
几率分布函数,即:一个用于描述湍流燃烧系 统中的因变量。 对于某个量我们关心的是它取某个值的几率。 无量纲混合分数的几率分布函数定义如下: P(f)df=f(t)处于(f,f+df)范围内的那段时间间隔t的 时间分数,即几率。 式中,P(f)称为瞬态混合分数f的几率分布密度 PDF。
F Sl w0 FL
F ST w0 FT
湍流火焰锥外 表面面积
研究湍流火焰过程中发展起来的方法
一类为经典的湍流火焰传播理论,包括皱折层流火焰的 表面燃烧理论与微扩散的容积燃烧理论。 另一类是湍流燃烧模型方法,是以计算湍流燃烧速率为 目标的湍流扩散燃烧和预混燃烧的物理模型,包括几率 分布函数输运方程模型和ESCIMO湍流燃烧理论。
湍流预混火焰模型概要

(3-56)
流场较均匀的区域,合理地估算层流火焰传播速度是 正确运用拉切滑模型的关键之一 。 层流火焰传播速度是可燃气的物理化学性质,它取决 于混合物的热力学状态(如压力和温度),对温度尤为 敏感。 丙烷和空气当量比混合物的火焰传播速度 S 0.113(T / 298)2 0.186(T / 298) 0.02 (m/s) (3-57) 求S的问题转化为求T。
反应度τ的脉动均方值 gτ
定义
g 2 ( ) 2 (m fu m fu ) 2 /(m fu ,b m fu ,u ) 2 m /(m fu ,b m fu ,u )
2 fu 2
(3-60)
2 gτ和 mfu 应当遵守同一类型的微分方程。
反应度τ的平均值和脉动均方值 gτ的确定
对比用k - ε模型和混合长度模型计算湍流粘度 t C k 1/ 2 C CD k 2 / 的公式 2) 假定 k 1/ 2正比于混合长度与均流速度梯度绝对 值的乘积 则ε/k正比于均流速度梯度的绝对值 3) 燃烧速率一定与燃料浓度有关 二维边界层问题湍流燃烧速率 u (3-42) R c m
5 平面管道内火焰稳定器后面的燃烧场
Spalding et al 结果优于只用 阿伦纽斯类型 的公式(3-48)得 到的结果,与 实验数据的趋 势符合
6 对旋涡破碎模型的评价
功绩在于正确地突出了流动因素对燃烧速率的 控制作用,给出了简单的计算公式,为湍流燃 烧过程的数学模拟开辟了道路。 不足:该模型未能考虑分子输运和化学动力学 因素的作用 适用范围:一股说来,EBU模型只适用于高雷 诺数的湍流预混燃烧过程。
湍流预混火焰模型(精)

的公式
t C k1/ 2 CCD k 2 /
2) 假定 k1/2正比于混合长度与均流速度梯度绝对
值的乘积
则ε/k正比于均流速度梯度的绝对值 3) 燃烧速率一定与燃料浓度有关 二维边界层问题湍流燃烧速率
R fu,T
cEBU mfu
u y
(3-42)
2 湍流燃烧速率-1
g 0.7, cg1 2.8, cg2 1.79
4 温度修正的湍流燃烧速率
上述模型中没有考虑温度对燃烧速率的影响
均流速度梯度较大,但可燃气温度不高,无剧 烈化学反应发生区域,式(3-42)不可能给出合 理的燃烧速率
以平均参数表示的Arrhenius类型的燃烧速率
Rfu,A BP2mfumox exp(E / RT )
1 基本思想
在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团,化学
反应在这两种气团的交界面上发生,认为平均化学反 应率决定于末燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的 速率,而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比
Rfu ~ / k
(3-41)
2 湍流燃烧速率-1
1) 对比用k - ε模型和混合长度模型计算湍流粘度
§3.2 湍流预混火焰模型
预混火焰 / 层流火焰传播速度
燃料和氧化剂在进入火焰区之前已经均匀混合 的火焰称为预混火焰
层流火焰传播速度SL是可燃气的物理化学性质, 与流动参数无关
低雷诺数湍流
低雷诺数湍流中,火焰出现皱折和抖动,在高 速摄影中仍可发现火焰面基本连续
湍流火焰传播速度ST ST > SL ST与流动状态有关
Rfu Bmfumox P2 exp(E / RT )
(3-38)
湍流预混火焰模型(1)

单变量概率分布函数输运方程
D Dt
P( )
xi
P( )ui
P( )S ( )
P( )
xi
2
(3-76)
S(φ)是变量φ的源或汇
为使方程封闭,必须对有关的项进行模化。
模化方法
概率分布函数和脉动速度的二阶关联项
按照“梯度准则”进行模拟,在物理上表示概率分 布函数的湍流输运
或把式(3-81)写成
Rfu B 2mfumox exp(E / RT )[1 F]
(3-82)
F 概括了湍流脉动对平均化学反应率的影响,是
对燃烧速率进行模化的困难所在。
对燃料和氧化剂质量分数脉动值 的二阶关联项 mfumox 的控制方程
Borghi等人为简化模拟过程,略去温度脉动的影响,提
出了在F中的 mfumox 的控制方程
xi
ui mfumox
1
Dl grad mfu mox 2
2Dl gradmfu 3
gradmox
2t f
gradm fu 4
gradmox 5
graduimfu mox
K f [(mox Smfu )mfumox Smox mfu2 m fu mo2x (mox Smfu )6mfumox ]
评价
在简单的湍流火焰计算中获得与实验基本符合 的结果,仍需改进和完善。
建立双变量(混合分数和反应度)的联合概率 分布函数的输运方程(Pope)
§3.4 平均反应速率的 输运方程模型
湍流流动模型:模拟雷诺应力,建立了雷诺应 力的输运方程模型,在某些情况下获得了优于 应用湍流粘性系数模型得到的结果
(3-83)
燃烧学 4预混合气燃烧及火焰传播

?
? Tf
wQ dT
Tb
? dT
dx
b?
?
2
?
Tf wQdT
Tb
(4-19)
dT dx
b?
?
?uC p ?
?Tb
?
T?
?
(4-16)
? dT
dx
b?
?
2 Tf wQdT
? Tb
(4-19)
? ? ? u ? ? u? ? ? Sl ? const
Sl ? u? ?
? 2? Tf WQdT Tb
? d 2T ? WQ ? 0
dx 2
d dx
? ??
dT dx
? ??
?
?
wQ
?
x?
x?
?? : T ? Tf
0 : T ? Tb
, dT dx
?
0
dT dx
d
? dT ?? dx
? ??
??
wQ
? dT
d
?1 ?? 2
(dT )2 dx
? ??
?
?
wQ
?
dT
? 1 ( dT )2 ? 1 ( dT )2
对大多数混合气来 说、最大火焰传播速度 是发生在化学计量比条 件下。
图4-8 燃料配比对Sl的影响 1-氢 2-乙炔 3-一氧化碳
4-乙烯 5-丙烷 6-甲烷
? 燃料性质的影响
——导热系数λ,定压比 热容Cp和密度ρ
Sl ?
?
C
2 p
?
2 ?
——燃料化学结构
? 烷烃随含碳量的增加, 火焰传播速度基本不变。
6-湍流预混火焰讲解

湍流火焰的特点
均匀、各向同性的湍流流场,可以用两 个特征量表示湍流特征:湍流强度和湍 流尺度
湍流尺度:
(1)流动特征尺度(与管径、绕流物体尺度有关) (2)积分尺度(湍流宏观尺度,大涡尺度) (3)泰勒微尺度(与平均应变率有关) (4)柯尔莫戈洛夫尺度(最小尺度,与旋涡耗散有关)
湍流火焰的特点
小尺度湍流预混火焰传播速度确定
湍流火焰传播速度和层流火焰传播速度之比等 于二者传输率之比的平方根
ut un
T n
1/ 2
T n
/ 0cp / 0cp
1/ 2
λt表示湍流热传导系数 λl表示层流热传导系数 根据相似性原理,分子导温系数α= λn/(ρ0cp), 故 湍流导温系数αt= λT/(ρ0cp)。在湍流中湍流导温 系数取决于湍流尺度和脉动速度乘积,即
a)小尺度湍流火焰(2300<Re<6000) 条件: l<δL
现象:能够保持规则的火焰锋面,火焰前 沿仍然平滑,只是增加了厚度,火焰锋面 不发生皱折,湍流火焰面厚度δT> δn
特点:小尺度湍流只是由于湍流增强了物 质的输运特性,从而使热量和活性粒子的 传输增加,使湍流火焰传播速度比层流火 焰传播速度快,而在其它方面没有什么影 响
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假定压力脉动可暂不考虑,一般情况下由于浓 度脉动和温度脉动的相关性 R fu Bm fu mox P 2 exp( E / RT ) (3-39) 如何模拟 R fu 呢?
模拟 R fu
对式(3-38)中的浓度和温度进行雷诺分解,对 整个式子进行雷诺平均,对产生的脉动值二阶 关联项逐项模拟求得方程的封闭。
5 平面管道内火焰稳定器后面的燃烧场
Spalding et al 结果优于只用 阿伦纽斯类型 的公式(3-48)得 到的结果,与 实验数据的趋 势符合
6 对旋涡破碎模型的评价
功绩在于正确地突出了流动因素对燃烧速率的 控制作用,给出了简单的计算公式,为湍流燃 烧过程的数学模拟开辟了道路。 不足:该模型未能考虑分子输运和化学动力学 因素的作用 适用范围:一股说来,EBU模型只适用于高雷 诺数的湍流预混燃烧过程。
控制均流的微分方程组 - 2
组分方程
m j ( um j ) ( vm j ) j Rj x y y y
湍流脉动动能方程 湍流耗散率方程
(3-40) (3-2) (3-3)
3.2.1 旋涡破碎模型
旋涡破碎模型(EBU)
在研究区域内,均流的类型可以近似地考虑成 具有如下的特征
稳定的湍流平面流动 压力仅在主流方向上变化 主流方向上的扩散、导热和粘性作用相比可忽略不 计 辐射换热可以不计 SCRS假设有效
控制均流的微分方程组 - 1
连续性方程 轴向动量方程
滞止焓方程
( ur ) ( vr ) 0 x y
涉及的需要模化的量很多,在研究湍流燃烧模型的 初期开展这种模化十分困难 设法找到影响 R fu 的主要因素,提出 R fu 的简化
表达式,求得方程的封闭,而后通过计算和实 验的对比改进模型,发展模型。
比较成功 EBU模型和SCASM模型
以通道内钝体后方预混气体燃 烧的湍流流动的模拟为算例
对比用k - ε模型和混合长度模型计算湍流粘度 t C k 1/ 2 C CD k 2 / 的公式 2) 假定 k 1/ 2正比于混合长度与均流速度梯度绝对 值的乘积 则ε/k正比于均流速度梯度的绝对值 3) 燃烧速率一定与燃料浓度有关 二维边界层问题湍流燃烧速率 u (3-42) R c m
(3-46)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
建立gfu的输运方程 二维边界层问题
m fu g fu g cg1 e cg2 g fu / k Dt y y y (3-47) Dg fu
2
g e / g; g、cg1 和cg12
Eddy-Break-up (EBU)
在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团,化学 反应在这两种气团的交界面上发生,认为平均化学反 应率决定于末燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的 速率,而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比 (3-41) R fu ~ / k
1 基本思想
2 湍流燃烧速率-1
1)
fu ,T EBU fu
y
2 湍流燃烧速率-1
借助于k和ε (3-43) CEBU和CR是常数,CEBU = 0.35 ~ 0.4,CR ≈ 6 gfu是燃料质量分数的脉动均方根 (3-44) 2
2 R fu ,T cR g 1/ fu / k
g fu mfu
(3-43)不仅适用于二维边界层问题,而且适用于 其它二维和三维湍流预混燃烧速率的计算
1
为常数,其值通常取为
2
g 0.7, cg 2.8, cg 1.79
4 温度修正的湍流燃烧速率
上述模型中没有考虑温度对燃烧速率的影响 均流速度梯度较大,但可燃气温度不高,无剧 烈化学反应发生区域,式(3-42)不可能给出合 理的燃烧速率 以平均参数表示的Arrhenius类型的燃烧速率 R fu , A BP 2 m fu mox exp( E / RT ) (3-48) 比较(3-42) 和(3-48) R fu min[ R fu , A 和 R fu ,T ] (3-49)
(对于二维边界层类型的燃烧问题,计算表明,用式(3-42)比用式 (3-42)得到的结果更与实验吻合 )
3 燃料质量分数的脉动均方根
gfu的求法(两种) 用 m fu 或其梯度来表示
g fu cm2 fu
(3-45)
或
m fu 2 m fu 2 m fu 2 g fu l 2 x y z
u ( ur u ) ( vr u ) r e rg a ( ) x y y y h ( ur h) ( vr h) rh x y y y 1 2 ( u ) ( e h )r 2 y y
高雷诺数湍流燃烧
不再存在单一连续的火焰面,整个燃烧区由许 多程度不同的已燃和未燃气团组成-----“容积燃 烧” 影响燃烧速率的因素
流动状态 分子输运过程和化学动力学因素
湍流燃烧速率
平均化学反应速率 使均流方程组封闭的关健 简单化学反应系统,瞬时反应率遵守双分子碰 撞模型的Arrhenius公式 R fu Bm fu mox P 2 exp( E / RT ) (3-38)
§3.2 湍流预混火焰模型
预混火焰 / 层流火焰传播速度
燃料和氧化剂在进入火焰区之前已经均匀混合 的火焰称为预混火焰 层流火焰传播速度SL是可燃气的物理化学性质, 与流动参数无关
低雷诺数湍流
低雷诺数湍流中,火焰出现皱折和抖动,在高 速摄影中仍可发现火焰面基本连续 湍流火焰传播速度ST ST > SL ST与流动状态有关