湍流预混讲义火焰模型
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)
流动及燃烧的模型及计算
第一章绪论1.1计算燃烧学的研究对象和目标(1)研究对象：对流体流动、传热传质和燃烧过程进行计算机模拟的基本方程（连续方程、动量方程、能量方程、组分方程）、理论模型（湍流输运、湍流燃烧、辐射换热、多组分化学反应和多项问题）、数值方法（研究体系的网格化、控制方程的离散化和求解方法）计算机程序（计算程序、绘图程序、仿真程序）(2)计算燃烧学的研究目标：构造、检验和发展基本方程及理论模型，提高他们的可靠性、准确性和实用性；改进数值方法，在保证计算精度的同时提高计算速度和经济性；改善绘图及仿真软件，通告速度和直观性；提供“使用方便性”强的计算、绘图及仿真软件，，方便使用。
1.2 计算燃烧学的意义(1)使燃烧上升到系统理论(2)是设计、科研和教学的手段(3)有助于学科发展和开拓新领域1.3计算燃烧学的发展简史燃烧的定义：燃烧室一种带有剧烈放热化学反应的流动现象，它包含着流动、传热、传质和化学对流体流动、传热传质和燃烧过程进行计算机模拟的基本方程（连续方程、动量方程、能量方程、组分方程）理论模型（湍流输运、湍流燃烧、辐射换热、多组分化学反应和多项问题）数值方法（研究体系的网格化、控制方程的离散化和求解方法）计算机程序（计算程序、绘图程序、仿真程序）在科研、工程和教学中的应用反应以及它们之间的相互作用。
实际燃烧过程几乎都是湍流过程。
计算燃烧学特点：(1)兼顾研究理论模型和数值方法(2)及研究理论模型和数值方法，有中式计算机程序的编制和更新。
(3)既重视通用模型、通用方法和通用程序的研究，又重视与实际应用得密切结合。
1.4 内容梗概(1)构造基本方程和理论模型燃烧过程涉及的基本定律：物质不灭定律、牛顿第二定律、能量转换和守恒定律、组分转换和平衡定律等。
控制燃烧过程的基本方程组：连续方程、动量方程、能量方程、组分方程需要模化的分过程有：湍流输运、燃烧、辐射转换、多项流动和燃烧。
(2)数值方法数值方法主要包括：研究体系的网格化、控制方程的离散化、离散化方程的求解方法。
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
第八章 预混湍流火焰
统计学上随机流动 f ( X ) 可以由 f ( X , t) 的概率密度函数来决定。
这里， P( f ) 是当变量 f → f + df 时，流动参数 f 的概率。
f ( X ) ≡ ∫ P( f ) fdf ∫ P( f )df
= ∫ P( f ) fdf
f 随机脉动的量值可以用 P( f ) 分布的方差σ 2 来表示。
k=单位质量的流体产生湍动能生成率 ~ u '2 / t ~ u '3 / l
146
其中， u ' 是与大涡有关的速度， l 是旋涡尺寸。 另一个长度尺度 λ ，称为 Taylor 微尺度，可以定义为与能量耗散速率成正比的量，它
也描述了混合层（ u ' , l ）的总的湍流特性。并且，通过量纲分析，
lmax ＝ l ＝最大旋涡尺寸＝积分尺寸
lmin ＝ l = 最小旋涡尺寸＝Kolmogorov 尺度
于是有： lmax / lmin = l /η = C Rel 3 / 4
因此，在这个例子里， ST / S L = (C Rel 3/ 4 ) D−2 为了使 D 的低值和高值与实验结果相一致，我们注意到，对 D = 2 (亦即低湍流强
[ ] [ ] η /l
=
ν3
/(vk 3
/η) 1/4
/l
=
ν3
/(u '3
预混燃烧的燃烧模型
预混燃烧的燃烧模型摘要为了达到抑制污染物排放，实现燃料的清洁燃烧的目的，人们采取了很多办法。
“节能减排”促使燃烧系统采用贫燃燃烧技术，它具有降低NOx、CO等污染物，提高燃烧效率的作用。
但这种燃烧方式的燃烧极限范围很窄，而且火焰稳定性差，容易诱发燃烧系统的不稳定性，如火焰的热声耦合振荡，这种不稳定性会造成更大的污染和浪费。
新型燃烧器的设计必须克服这些缺点，以达到“节能减排”的目的。
首先本文以FLUENT软件为平台，构建了合理的数学物理模型，对甲烷-空气预混燃烧过程进行了数值模拟，实验证明，贫燃料燃烧及贫氧燃烧都可以起到降低污染物排放的目的。
并利用数值模拟的方法针对不同燃烧模型的情况下甲烷的预混燃烧的特性进行分析，观察其NO）的分布情况，发现预混燃烧的相关规律，寻求燃烧速度场、温度场、以及污染物（X的最佳工况。
其次本文了解不同燃烧模型对流场结构、燃烧结构的影响，与实验结果比较，探讨如何改进数值模拟，提高设计精度，同时找出预混火焰稳定性规律，探讨抑制燃烧不稳定性的策略。
本文通过数值计算，得到了在不同燃烧模型下柱状燃烧室内甲烷燃烧的数值模拟结果，分析发现，燃烧模型的不同对甲烷燃烧特性的影响也不同。
通过对燃烧速度分布图，火焰温度分布云图，燃烧的污染物NO的云图进行分析研究，得出结论。
关键词预混燃烧数值模拟FLUENT 部分预混燃烧Title Pre-mixing combustion combustion modelAbstractIn order to achieve inhibit pollutants, realize fuel clean burning purpose, people taken a lot of measures. "Energy conservation and emission reduction" prompted combustion system using poor fuel combustion technology, it has to reduce pollutants such as NOx, CO, increase the combustion efficiency role. But this kind of combustion way combustion limit range is very narrow, and flame stability is poor, and likely to cause combustion system instability, such as flame of thermoacoustic oscillation, the coupling instability will cause more pollution and waste. New burner's design must overcome these shortcomings, to achieve "the purpose of energy saving and emission reduction".Firstly this paper with FLUENT software for the platform, and constructs the reasonable mathematical physics model of methane - air pre-mixing combustion process was simulated, the experiment proof, the poor fuel combustion and poor oxygen burning can reducing pollutant purpose. And using the method of numerical simulation of combustion model for different under the condition of pre-mixing combustion characteristics of methane areanalyzed, observe its velocity field and temperature field, and the distribution of pollutants (), found the relevant law pre-mixing combustion, seeking the best condition burning. Then this paper to understand different combustion model convection field structure, the influence of combustion structure, compared with the experimental results, this paper discusses how to improve the design accuracy numerical simulation, and at the same time, improve the stability pre-mixed flame out rules and explore the inhibiting combustion instability strategy.This article through numerical calculation, obtained in different combustion model columnar combustion chamber under the numerical simulation results of methane combustion, analysis, we found that the different combustion model for the influence of methane combustion characteristic of different also. Through the burning rate distribution, the flame temperature distribution of convective, the combustion pollutants analysis of NO cloud, draws the conclusion.Keywords：Pre-mixing combustion Numerical simulation FLUENT Part pre-mixing combustion绪论课题的研究背景及意义燃烧室作为燃气轮机中最重要的部件，是利用燃料的燃烧，提高进入涡轮的气流温度的装置。