甲烷燃烧模拟
微燃烧室内甲烷燃烧的数值模拟
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１１ 燃 烧器 结构 ．
微燃烧器采用的燃烧 室长为 １ １ｍ，宽为 ６ ０Ｔ ｉ ｍｍ，高 为 ０ ．ｍｍ，计算 中采用均匀网格，如 图 １ ８ 所示 。
和二氧化碳的质量百分 比浓度分布 ，图 ３给 出了不同流
量下微燃烧 室内的温度分布 。对应不 同的流量 ，初始 条 件相 同的 甲烷和 氧气的混合气在 微燃烧室 内的燃烧情 况
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｍ ｉｒ ｃ ｃ ｏ ｏｍ ｂ ｔ ｒ ｃ ｍ ｂｕ ｔｏ ｕｓｏ ； ｏ ｓｉ ｎ； ＦＬＵ ＥＮ Ｔ ｏｆｗ ａｅ；ｎｕ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａ ｉｎ ｓ ｔ ｒ ｍ ｒｃ ｌｓｍ ｔ ｔｏ
自２ ０世纪 ８ ０年代以来， 微机 电系统 （ ＭＳ ｍｉ ｏ ＭＥ ： ｃ — ｒ ｅ ｃ ｏｍｅｈｎｃｌｙｔ ）迅速发展，在航 空、航天 、汽 ｌ ｔ — ｃａ ｉ ｓ ｍｓ ｅｒ ａｓ ｅ
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ａｆ ａ Ｔ ，
一
ｌ （ ３ ）
＋Ｒ ｉ
组分守恒方程 ：
（１ ＝ 一 ｐ， ）
气体状 态方程 ：
＝ ｐ （） ５
式 中：Ｐ 为密度；ｆ 为时间；Ｕ 方 向的速度；Ｘ 方 向坐 ｉ 为ｉ ｉ 为ｉ
基于fluent的甲烷燃烧二维模拟分析
基于fluent的甲烷燃烧二维模拟分析陈飞 1434422(同济大学汽车学院，上海)摘要: 目前，由于环境污染和排放法规的日趋严格，降低排放已经成为了汽车工业的重点，而寻求清洁的替代燃料是一种较为有效的解决办法。
甲烷属于可再生气体燃料，可以实现与空气的良好预混，利用fluent进行甲烷燃烧的数值模拟进行仿真分析。
Fluent提供了涡耗散模型用于求解燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流控制的单步或双步总包燃烧反应。
根据模拟结果分析甲烷作为车用替代燃料的可行性。
关键词: 替代燃料；燃烧的数值模拟；甲烷燃烧；fluent仿真1. 引言燃烧是燃料与氧化剂之间的发光发热的化学反应，根据反应前各组分的分布，可以分为预混燃烧，扩散燃烧和部分预混燃烧。
其中预混燃烧较多的应用于汽车工业的车用汽油发动机。
目前，由于环境污染和排放法规的日趋严格，降低排放已经成为了汽车工业的重点，而寻求清洁的替代燃料是一种较为有效的解决办法。
1.1. 燃烧的数值模拟燃烧的数值模拟是通过CFD软件实现对实际燃烧过程的仿真模拟，求解流畅流动特性及其混合特性，温度场、组分浓度场以及颗粒和污染物排放等，从而提供实际燃烧过程的参考，对于产品研发，科学研究都有很大的意义。
燃烧的数值模型主要运用模拟软件根据燃烧模型进行仿真，目前可用于燃烧数值模拟的软件有FLUENT,STAR-CD,CHEMKIN,KIVA等。
燃烧模型主要根据不同燃烧的特点设置求解参数，包括如下内容：稀疏相模型、输运控制方程、燃烧模型、辐射换热模型、污染物模型。
Fluent提供了涡耗散模型用于求解燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流控制的单步或双步总包燃烧反应。
其中对于反应r中的物质i的产生速率由下面两个式子给出：（1.1）（1.2）式中，——任何一种产物的质量组分；——某种产物的质量组分；——经验常数4.0；——经验常数0.5。
1.2. 甲烷性质介绍甲烷在自然界的分布很广，甲烷是最简单的有机物，是天然气，沼气，坑气等的主要成分，俗称瓦斯。
非预混燃烧模拟
第十四章非预混燃烧模拟Chapter 14. Modeling Non-Premixed Combustion在非预混燃烧中，燃料和氧化剂以相异流进入反应区。
这与预混燃烧系统截然不同。
在预混燃烧系统中，反应物在燃烧以前以分子水平混合。
非预混燃烧的例子包括甲烷燃烧、粉煤炉和内部燃烧柴油（压缩）发动机。
在一定假设条件下，热化学可被减少成一个单一的参数：混合分数。
混合分数，用f表示，是来自燃料流的质量分数。
换句话说，混合分数就是在所有组分（CO2、H2O、O2等）里，燃烧和未燃烧燃料流元素（C、H等）的局部质量分数。
因为化学反应中元素是守恒的，所以这种方法极好。
反过来，质量分数是一个守恒的数量，因此其控制输运方程不含源项。
燃烧被简化为一个混合问题，并且与近非线性平均反应率相关的困难可以避免。
一经混合，即可用层流小火焰（laminar flamelet）模型将化学反应模拟成为化学平衡或近化学平衡。
模型包括以下几个部分：14.1：平衡混合分数／PDF模型（Description of the Equilibrium Mixture Fraction/PDF Model）；14.2：非预混平衡化学反应的模拟方法（Modeling Approaches forNon-Premixed Equilibrium Chemistry）；14.3：非预混平衡模型的用户输入（User Inputs for the Non-Premixed Equilibrium Model）；14.4：层流小火焰模型（The Laminar Flamelet Model）；14.5：在prePDF数据库中添加新种类（Adding New Species to the prePDF Database）；14.1：平衡混合分数／PDF模型非预混模拟方法包括解一或两个守恒量（混合分数）的输运方程。
不解单个组分方程。
取而代之的是每个组分的浓度用预混分数场得到。
甲烷燃烧的数值模拟
甲烷燃烧的数值模拟及分析主要分为三个部分，第一部分讲解甲烷在炉膛内燃烧的模型建立的方法；第二部分对甲烷燃烧模型的数值模拟结果进行分析和比较；第三部分为结论。
一、模型建立1、在Gambit中建立计算区域在本例中建立圆柱形炉膛，并研究甲烷和空气在炉膛内的燃烧反应。
物理模型如下：甲烷入口直径为10mm；空气入口直径为50mm；炉膛为直径为500mm；长度为1200mm的圆柱形。
如图1。
图1圆柱形炉膛模型图2、绘制网格图2进口网格分布甲烷和空气进口的网格元素选择四边形网格，如图2。
炉膛表面的网格也是四边形网格，如图3。
图3炉膛表面网格分布图4炉膛表面网格分布图5炉膛出口网格分布图6炉膛内部网格分布3、指定边界条件图7炉膛边界条件Inlet1为甲烷入口，边界条件为速度入口；Inlet2为空去入口，边界条件为速度入口；Outlet为炉膛出口，边界条件为自由流；其他炉膛壁面为墙体，边界条件为墙体。
4、导入fluent具体信息如下：54440mixed cells,zone2,binary.326quadrilateral wall faces,zone3,binary.1900quadrilateral wall faces,zone4,binary.350quadrilateral wall faces,zone5,binary.218quadrilateral outflow faces,zone6,binary.204quadrilateral velocity-inlet faces,zone7,binary.18quadrilateral velocity-inlet faces,zone8,binary. 108880triangular interior faces,zone10,binary.11144nodes,binary.11144node flags,binary.缩放信息如下图：图8缩放信息图5、选择计算模型图9定义求解器图10考虑能量方程图11考虑粘性模型图12考虑辐射模型图12考虑燃料模型图13燃烧物质和炉膛材料6、操作环境的设置图14操作环境（压力场和重力场）7、设置边界条件图15空气入口边界条件空气入口的速度为8m/s，温度为300K，入口空气中氧气的含量为21%。
模拟气体燃烧实验报告
实验名称：模拟气体燃烧实验实验日期：2023年10月25日实验地点：化学实验室一、实验目的1. 了解气体燃烧的基本原理和过程。
2. 掌握气体燃烧实验的基本操作方法。
3. 分析不同气体燃烧的特性和产物。
二、实验原理气体燃烧是指气体与氧气在一定的条件下发生化学反应，生成新的物质并释放热量的过程。
实验中，我们将模拟不同气体的燃烧过程，观察其火焰颜色、火焰形状、燃烧产物等特性，以了解不同气体燃烧的特点。
三、实验用品1. 气体：甲烷、氢气、乙炔2. 燃烧瓶3. 火柴4. 澄清石灰水5. 水槽6. 滴管7. 玻璃片8. 秒表四、实验步骤1. 准备实验用品，检查气瓶是否安全。
2. 将甲烷、氢气、乙炔分别装入燃烧瓶中，确保瓶口密封。
3. 点燃火柴，用火焰加热燃烧瓶的瓶底，观察气体燃烧情况。
4. 记录火焰颜色、火焰形状、燃烧产物等特性。
5. 将燃烧瓶中的燃烧产物通过导管导入水槽中，观察水槽中的现象。
6. 将澄清石灰水滴入水槽中，观察石灰水的变化。
五、实验结果与分析1. 甲烷燃烧实验实验现象：火焰呈蓝色，火焰较稳定，燃烧产物为水蒸气和二氧化碳。
分析：甲烷燃烧时，火焰温度较高，燃烧产物主要为水蒸气和二氧化碳，符合甲烷燃烧的化学方程式：CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O。
2. 氢气燃烧实验实验现象：火焰呈淡蓝色，火焰较稳定，燃烧产物为水蒸气。
分析：氢气燃烧时，火焰温度较低，燃烧产物主要为水蒸气，符合氢气燃烧的化学方程式：2H2 + O2 → 2H2O。
3. 乙炔燃烧实验实验现象：火焰呈黄色，火焰较不稳定，燃烧产物为二氧化碳和水。
分析：乙炔燃烧时，火焰温度较高，燃烧产物主要为二氧化碳和水，符合乙炔燃烧的化学方程式：2C2H2 + 5O2 → 4CO2 + 2H2O。
六、实验结论1. 气体燃烧时，火焰颜色、火焰形状、燃烧产物等特性与气体的种类有关。
2. 气体燃烧过程中，释放的热量与燃烧产物的能量有关。
3. 气体燃烧实验可以直观地了解不同气体燃烧的特点，为后续研究气体燃烧提供基础。
Fluent 模拟燃烧
3
混合状态
反应机制
甲烷在空CH4 +3O2 =2CO+4H2O 2CO +O2 = CO2
甲烷完全燃烧 甲烷不完全燃烧
模拟过程中，假设燃料完全燃烧成CO2和H2O
流动条件
甲烷在空气的燃烧
层流
· 各项参数（速度等）稳定 · 低雷诺数
湍流
· 局部参数脉动 · 高雷诺数
甲烷在空气的燃烧
混合状态
非预混火焰：
有限速率化学反应
求解过程中采用的方程为涡耗散模型
访谈结果与析
☞ 模拟结果
燃烧器内，甲烷从开始点燃到趋于稳定过程中温度的变化
☞ 模拟结果
空气：0.5m/s，300k
■
甲烷 :80m/s,300k
甲烷含量监测点
☞ 模拟结果
监测点处，甲烷浓度的变化值
总结与分析
实例概述
图中所示为甲烷火焰燃烧器，
主要用于处理污水厌氧过程中 产生的沼气. 甲烷燃烧器多为圆柱型，甲烷 从中间喷口进入.
模型建立
模拟 计算 区域
空气：0.5m/s，300k
甲烷 :80m/s,300k
网格模型
中间区域及左侧喷嘴附近的区域 在计算过程中需要较密的网格
☞ 模拟机理
1
反应机制
2
流动条件
甲烷燃烧器的优化
• 燃烧器尺寸的优化
不足
• 模拟过程中将燃烧器的桶壁考虑成 绝热，计算过程中，器内部温度要 大于实际过程中的温度.
•
进气速度的确定
谢谢！
微燃烧器内甲烷催化燃烧的数值模拟
吸收受颗粒大小 、 颗粒密实程度等多种因素的影响 , 要实现煤质的在线分析 ,还有大量工作要做 。 参考文献 :
量的能量储备 ,还是在能量转换与利用效率上都明 显地优于传统的化学电池 。例如 , 碳氢燃料提供的 储能密度约为 40～50 MJ / kg ,而目前普遍使用的 、 性 能最好的锂离子电池只有 0. 4 ～ 0. 5 MJ / kg 。因此 , 即使燃料的化学能只有 10 %转变为电能 , 碳氢燃料 提供的储能密度也超过电池 10 倍以上 。正是由于 碳氢燃料的廉价和高储能密度的优点 , 微型发电系 统和微型推进系统的研究已经成为最近几年美国国 防和能源高技术研究的重点投资之一 。麻省理工学 院、 加州大学伯克利分校 、 普林斯顿大学以及南加州 大学等分别在美国 NASA 、 国防部 ( DOD ) 和能源部 (DOE) 的支持下进行了微型火箭 , 微型透平机和以 燃烧方式直接发电等动力微机电系统 ( Power MEMS) 的研 究 , 并 取 得 了 初 步 的 成 果 。日 本 也 把 动 力 MEMS 的研究列入新能源开发机构 ( NEDO) 的研究 计划之中 。 基于燃烧的动力 MEMS 中 , 如何实现微尺度条 件下燃料的持续稳定燃烧是制约系统成败的关键因 素之一 。在微尺度燃烧中 ,由于燃烧器尺度的减小 ,
k =1 j =1 K s N +N
g
2 物理模型和数学模型
计算中采用的物理模型是一个二维的有逆流换 热的 U 形通道反应器 , 计算中采用均匀网络 ( 见图 1) 。反应器长度为 10 mm ,通道宽度为 2 mm ,催化表 面为外径 2 mm 的外圆柱面 , 其上镀上一层 Pt 催化 剂 。催化表面置于燃气和烟气通道的交汇处 , 燃气 在催化表面着火燃烧 。本文联合使用 FLUENT[1 ] 和 DETCHEM[2 ] 数值模拟了甲烷/ 空气混合物在通道宽 度为 2 mm 、 长为 10 mm 、 布置不同催化剂表面微燃烧 器的燃烧过程 。
甲烷燃烧器流场数值模拟
zቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
xx 2 yy 2 zz 2
u div(u ) ， x v div(v) ， y w div( w) ， z u v )， y x w u ) x z w v ) y z
1 流体数学模型
1.1 连续方程
质量守恒方程也称为连续性方程。根据 连续性假设， 粘性可压流体其表达式可以表 达为： ( u ) ( v ) ( w ) 0 （1.1） t x y z 对于不可压缩流体， 密度为常数时可以将上 式化简为： u v w 0 x y z （1.2） 速度矢量 V= { u ,v, w } ，式 1.2 为粘性 不可压流体运动的连续方程。
前[1]。李兵臣，宋景慧等对二次风旋流场进 行了数值模拟， 发现不同的调节范围对流场 [2] 的影响较大 。 苏亚欣,汪文辉,邓文义对燃烧 的流场进行了数值模拟， 研究了流场温度分 布情况与燃烧产物的燃烧情况[3]。 张力,王炯 等对低热值煤层气燃烧器结构进行了数值 模拟与优化， 研究了甲烷体积分数为 30%时 的不同比例的直流风和旋流风对燃烧过程 的影响[4]。 冯明杰,李德立等对火焰长度可调 的燃烧器的燃烧过程建立了数学模型， 采用 fluent 软件对流场的热负荷及中心燃料总流 量的比值对燃烧室温度场进行了数值研究 , 结果表明改变燃气流量比， 能够实现火焰长 [5] 度的调整 。钟北京 , 洪泽恺联合 CFD 和
甲烷燃烧器流场数值模拟
李丽，白锦川
（1.酒泉职业技术学院 化学工程系 ， 甘肃 酒泉 735000
摘要：本文通过采用 Workbench Design Molder 对燃烧器的流体进行物理建模，用 Fluent 软 件对空气流速在 10m/s、 20m/s、 30m/s 和 40m/s 情况下的甲烷燃烧情况进行了数值模拟研究。 分析结果表明当甲烷流速一定时随着空气流速的增大甲烷的燃烧程度越来越充分， 供给的热 量越来越多。另外，软件计算结果与实际的产热效果很接近，表明了 Fluent 对燃烧场的模 拟研究可以应用实际工程， 根据本文的计算思路和方法对燃烧的结构优化优化和降低能源消 耗提供一定参考作用。 关键词：甲烷；燃烧器、Fluent、数值模拟
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甲烷燃烧模拟
一、建模
启动chemkin—create new project。
输入文件名称（注：chemkin不识别中文，文件名称和工作路径中不可出现中文）。
在左侧模型面板选择PFR模型。
点击update project
二、前处理
设置工作路径。
设置反应机理。
第一次设置时，选择new chemistry set，之后可通过edit chemistry set进行修改。
设置模拟所需的气相反应机理gas-phase kinetics file和热力学文件thermodynamics data file。
点击save as进行保存。
点击run pre-processor运行前处理。
前处理完成后，左侧的工作面板被激活。
三、反应器设置
1、反应器参数设置
2、入口参数与反应物设置
3、求解器设置
4、输出设置
四、计算
依次点击Create input file和run model
五、后处理
点击run post processor，出现后处理面板。
选择需要处理的对象，点击process solution data。
得到后处理控制面板
display plot界面可以输出结果曲线，data manager界面可以输出结果数据。
六、多工况计算
Chemkin可以在一次性计算多种工况下的结果。
方法一：
在界面中，若出现，表示该选项可以变量设置，如temperature中：
设置之后，选项会有变化：
计算界面为：
方法二：
点击continuations—setup
在面板中设置不同工况下的模型参数。