第五章 fluent预混燃烧模型
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仿真速率燃烧模型
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
? ? ? ? ? ? ? ? ? 反应速率公式
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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；
? ? ? ? ?? Ri,r ?
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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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Fluent软件的燃烧模型介绍(精)
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·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。
反应率作为源项在组分输运方程中通过阿累纽斯方程或涡耗散模型。
有限速率模型适用于预混燃烧、局部预混燃烧和非预混燃烧。
应用领域:该模型可以模拟大多数气相燃烧问题,在航空航天领域的燃烧计算中有广泛的应用。
PDF模型该模型不求解单个组分输运方程,但求解混合组分分布的输运方程。
各组分浓度由混合组分分布求得。
PDF模型尤其适合于湍流扩散火焰的模拟和类似的反应过程。
在该模型中,用概率密度函数PDF来考虑湍流效应。
该模型不要求用户显式地定义反应机理,而是通过火焰面方法(即混即燃模型或化学平衡计算来处理,因此比有限速率模型有更多的优势。
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。
应用领域:该模型可以模拟火箭发动机的燃烧问题和RAMJET及SCRAMJET 的燃烧问题。
预混燃烧模型该模型专用于燃烧系统或纯预混的反应系统。
在此类问题中,充分混合的反应物和反应产物被火焰面隔开。
通过求解反应过程变量来预测火焰面的位置。
湍流效应可以通过层流和湍流火焰速度的关系来考虑。
应用领域:该模型可以用来模拟飞机加力燃烧室中的复杂流场模拟、气轮机、天然气燃炉等。
fluent中燃烧模型分类
fluent中燃烧模型分类FLUENT燃烧模型化学反应模拟方法方法描述计算反应的选择有限速率模型需要求解组分质量分数的输运方程，化学反应机理由用户自己定义。
反应速率在组分输运方程中作为源项，并由阿累尼乌斯公式计算。
应用范围最广泛。
应用：模拟化学组分混合、输运和反应的问题；壁面或粒子表面反应问题层流有限速率模型使用Arrhenius公式计算化学源项，忽略湍流脉动的影响。
对于化学动力学控制的燃烧（如层流燃烧），或化学反应相对缓慢的湍流燃烧是准确的。
但对一般湍流火焰中Arrhenius化学动力学的高度非线性一般不精确；对于化学反应相对缓慢、湍流脉动较小的燃烧（如超音速火焰）可能可以接受。
漩涡破碎模型Eddy Dissipation大部分燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流混合控制。
复杂且常是未知的化学反应动力学速率可以完全的被忽略掉。
化学反应速率由大尺度涡混合时间尺度k/ε控制。
只要k/ε（湍流）出现，燃烧即可进行，不需要点火源来启动燃烧。
（缺点：未能考虑分子输运和化学动力学因素的影响）适用条件：高雷诺数湍流预混燃烧过程。
EBU-Arrehenius模型EDC模型假定化学反应都发生在小涡中（精细涡），反应时间由小涡生存时间和化学反应本身需要的时间共同控制。
EDC模型能够在湍流反应中考虑详细的化学反应机理。
但是他们的数值积分计算开销很大。
使用条件：只有在快速化学反应假定无效的情况下才能使用这一模型（如快速熄灭火焰中缓慢的CO烧尽、选择性非催化还原中的NO转化问题）。
非预混燃烧模型不求解每个组分的质量分数输运方程，求解混合分数输运方程和一个或两个守恒标量的方程，然后从预测的混合分数公布推导出每一个组分的浓度。
通过概率密度函数或PDF来考虑湍流的影响。
应用：主要用于模拟湍流扩散火焰的反应系统。
这个系统要求接近化学平衡，氧化物和燃料以两个或者三个进口进入计算域。
预混燃烧模型主要用于单一、完全预先混合好的燃烧系统。
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。
利用fluent组分输运模型模拟锅炉混煤燃烧过程
利⽤fluent组分输运模型模拟锅炉混煤燃烧过程fluent组分输运模拟混煤燃烧之前⽤组分输运做过⼀些混煤燃烧的⼯作，因为⾃⼰⼀开始接触组分输运的时候也遇到很多困难，⽤组分输运做混煤模拟更是⼀⽆所知，后来在之前课题组基础上，加上⾃⼰的摸索，对⽤组分输运做混煤模拟的套路⼤概了解了，所以就把这个“套路”总结了⼀下写了出来，希望可以帮到有需要的朋友。
当然，下⾯的内容更多的是做混煤模拟的⼀个过程的描述，具体⾥⾯的有些参数的设置我也不是太懂，尤其是⼀些涉及到化学反应的参数，所以这篇⽂章只是告诉⼤家设置的“套路”，具体的参数还是要⼤家查阅相关⽂献或书籍。
另外⼤家也没必要死搬硬套我这个套路，我这篇⽂章只是希望能给想做混煤模拟的朋友⼀些启发，⼤家应当在我这个⽂章的基础上多去琢磨，搞清楚每⼀步的设置都是在做什么，这样⾃⼰遇到⼀些我⽂中没有提到的问题时也能⾃⼰解决。
⽂中若有什么错误或未描述清楚的地⽅，欢迎互相交流。
1.打开species⾯板，选择species transport（组分输运），Reactions勾选上Volumetric，表⽰组分输运在某体积内有化学反应，Turbulence-Chemistry Interaction点选Finite-Rate/Eddy-Dissipation，表⽰化学反应是有限反应速率的，反应速率受化学反应本⾝与湍流混合⼆者共同控制。
2.点Finite-Rate/Eddy-Dissipation后，下⾯会出现coal calculator，⽤于对煤的反应进⾏计算，点coal calculator，弹出如下界⾯，根据煤质分析结果，填⼊相应数据，这⾥假设有两种煤，⼀种中等挥发份，取名为coal-mv，⼀种为⾼挥发份，取名为coal-hv，相应结果如下图。
3.点完Apply后点OK，会弹出如下界⾯。
4.这样coal-hv就设置好了，然后继续点coal-calculator，以同样的⽅法设置coal-mv。
ffluent燃烧（预混、非预混）
ffluent燃烧（预混、非预混）12.2.1通用有限速度模型该方法基于组分质量分数的输运方程解，采用你所定义的化学反应机制，对化学反应进行模拟。
反应速度在这种方法中是以源项的形式出现在组分输运方程中的，计算反应速度有几种方法：从Arrhenius 速度表达式计算，从Magnussen 和Hjertager [149]的漩涡耗散模型计算或者从EDC模型[148]计算。
这些模型的应用范围是非常广泛的，其中包括预混和，部分预混和和非预混和燃烧，详细内容请参阅第13章。
12.2.2 非预混和燃烧模型在这种方法中，并不是解每一个组分输运方程，而是解一个或两个守恒标量（混和分数）的输运方程，然后从预测的混合分数分布推导出每一个组分的浓度。
该方法主要用于模拟湍流扩散火焰。
对于有限速度公式来说，这种方法有很多优点。
在守恒标量方法中，通过概率密度函数或者PDF来考虑湍流的影响。
反映机理并不是由我们来确定的，而是使用flame sheet（mixed-is-burned）方法或者化学平衡计算来处理反应系统。
具体请参阅第十四章。
层流flamelet模型是非预混和燃烧模型的扩展，它考虑到了从化学平衡状态形成的空气动力学的应力诱导分离，具体请参阅14.4节。
12.2.3 预混和燃烧模型这一方法主要用于完全预混合的燃烧系统。
在这些问题中，完全的混合反应物和燃烧产物被火焰前缘分开。
我们解出反应发展变量来预测前缘的位置。
湍流的影响是通过考虑湍流火焰速度来计算得出的。
具体请参阅第15章。
12.2.4部分预混和燃烧模型顾名思义，部分预混和燃烧模型就是用于描述非预混和燃烧和完全预混和燃烧结合的系统。
在这种方法中，我们解出混合分数方程和反应发展变量来分别确定组分浓度和火焰前缘位置。
具体请参阅第十六章。
12.3 反应模型的选择解决包括组分输运和反应流动的任何问题，首先都要确定什么模型合适。
模型选取的大致方针如下：通用有限速度模型主要用于：化学组分混合、输运和反应的问题；壁面或者粒子表面反应的问题（如化学蒸气沉积）。
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密度的计算
• 绝热火焰
• 非绝热火焰
2、预混燃烧模型的使用
• 适用条件：湍流、快速化学反应、预混合；
• 案例：（1）预混合反应流系统；
（2）低预混合燃气涡轮燃烧室。 • 限制条件：不能模拟点火、熄灭和低Da数
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）
• 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。
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
化学反应时间尺度。
• 求解湍流火焰传播速度Ut时考虑：
（1）预混燃料当量比 （2）湍流引起的火焰前锋皱折和增厚 （3）湍流拉伸引起的火焰前锋淬熄 （4）分子扩散
湍流火焰速度
• FLUENT中计算火焰速度公式：
U t A(u' )
3/ 4
Ul
1/ 2
1 / 4 1 / 4 t
ห้องสมุดไป่ตู้
l
t 1/ 4 Au' ( ) c
五、预混燃烧模型
• 预混燃烧：燃料和氧化剂在点火之前进行 分子级别的混合，反应在燃烧区域发生， 这个区域将未燃烧的反应物和燃烧产物分 开。如吸气式内燃机、稀薄燃气轮机的燃 烧器、气体泄漏爆炸等。
预混燃烧模拟的难点
• 预混燃烧通常作为薄层火焰产生，被湍流拉伸或扭曲，
火焰传播的整体速率受层流火焰速度和湍流漩涡控制；
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
• 绝热温度计算：模型假设未燃混合物温度 Tu和绝热条件下燃烧产物温度Tad之间成线 性变化。
温度计算
• 非绝热温度计算：求解能量输运方程中得到 系统中能量 的得失，包括化学反应热源、辐 射产生热损失等，以焓表示的能量方程为：
Sh,rad：辐射导致的热损失； Sh,chem：化学反应得到的热量 S h,chem SC H comb Y fuel
反应进程源项：
Hcomb:每1kg燃料产生的热量，Yfuel：未燃混合物中燃料的质量分数。
• 为得到层流火焰速度，需要确定内部火焰结构和详细
的化学动力学及分子扩散过程，实际的火焰厚度只有 微米级别； • 湍流作用使得传播中的层流火焰杯皱折、拉伸，增加 了薄层面积，提高了火焰速度； • 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；
FLUENT相关设置
• 显示质量分数—用户定义函数 未燃混合物中某种物质浓度： Yu 1 c 已燃混合物中某种物质浓度： Yb c
Define-custom field function
预混模型总结
• 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）。
FLUENT相关设置
2、定义材料属性
• 绝热
未燃反应物密度 未燃反应物温度 绝热燃烧产物温度
动力黏度
热扩散系数 层流火焰传播速度 临界变化率（火焰拉伸）
FLUENT相关设置
2、定义材料属性 • 非绝热
未燃反应物密度 未燃反应物温度 比热 导热率 动力黏度 热扩散系数 层流火焰传播速度 临界变化率（火焰拉伸） 燃烧热 未燃物质量分数
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
FLUENT相关设置
3、设置边界条件 （关键在于设置反应 进程量C的值）
C=0:未燃混合物 C=1：燃烧后的混合物
FLUENT相关设置
• 计算后处理
进程变量C Damkohler数 （混合时间/反应时间） 拉伸因子 湍流火焰速度 静态温度 产物生成速率 层流火焰速度 临界应力速率 未燃燃料质量分数
k / c p A模型常数，u’速度均方值，Ul层流火焰传播速度， lt CD u'3 / 为湍流时间长度尺度， 为热扩散系数， t lt / u' 湍 流时间尺度， c / U l 2 湍流化学反应时间尺度。
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
预混燃烧--Zimont模型
• 反应进程变量c： c
ad Y / Y p 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；
• 标量c的输运方程：
Sct：施密特数，Sc为反应进程源项： Ut：湍流火焰速度，求解的关键。
湍流火焰速度
• 受两个因素影响：层流火焰速度；涡流引 起的火焰前锋的折皱、拉伸和加厚。