FLUENT中组分输运及化学反应(燃烧)模拟[1]
FLUENT中组分输运及化学反应(燃烧)模拟
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
燃烧模拟
广泛应用与均相和非均相燃 烧过程模拟
燃烧炉 锅炉 加热器 燃气轮机 火箭发动机 流场流动特性及其混合特 性 温度场 组分浓度场 颗粒和污染物排放
Temperature in a gas furnace
求解内容
缺点:
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
守恒标量 (混合物分数) 模型: PDF 模型
只适应用于非预混 (扩散) 火焰燃烧 假定化学反应过程受混合速率控制
满足局部化学平衡. 控制体（计算单元）组分、物性决定于燃料和氧化剂在该处的混合程 度. 用化学平衡计算来处理化学反应 (prePDF).
i i ( f , c ) Pf ( f ) Pc ( c )dc df
00
只适合绝热系统（FLUENT V5） Import strained flame calculations
prePDF or Sandia’s OPPDIF code
Single or multiple flamelets
f=1 f=0 f=1
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
系统化学平衡假设
化学反应很快到达平衡. 可以考虑中间组分.
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计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
PDF 模拟Turbulence-Chemistry相互作用
Fluctuating mixture fraction is completely defined by its probability density function (PDF).
Fluent软件的燃烧模型介绍（精）
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 相变和组分输运模型
fluent 相变和组分输运模型Fluent 相变和组分输运模型引言：在工业领域中，相变和组分输运模型是非常重要的研究课题。
相变是指物质由一种相态转变为另一种相态的过程，而组分输运是指不同物质组分在相变过程中的传输行为。
这两个模型被广泛应用于材料科学、能源领域和环境工程等各个领域，对于理解物质的性质和优化工艺具有重要意义。
一、相变模型1. 相变的定义相变是指物质由一种相态转变为另一种相态的过程。
常见的相变包括固态到液态的熔化、液态到气态的汽化、气态到液态的凝结和液态到固态的凝固等。
相变过程中，物质的性质会发生显著变化，如体积、密度、热容等。
相变模型的研究可以帮助我们了解相变的机制和规律。
2. Fluent 相变模型Fluent 是一种流体力学仿真软件，可以用于模拟相变过程。
在Fluent中，相变模型的建立是基于质量守恒、能量守恒和动量守恒等基本原理。
通过对物质的物理性质和相变过程的参数进行建模，可以模拟相变过程中的温度分布、相变界面的位置和形态等。
3. 相变模型的应用相变模型在材料科学、能源领域和环境工程等领域有着广泛的应用。
例如，在材料科学中，相变模型可以用于研究材料的相变动力学行为，优化材料的制备工艺。
在能源领域，相变模型可以用于设计高效的能源转换装置，如汽车发动机和太阳能电池等。
在环境工程中，相变模型可以用于模拟污染物的传输和转化过程，指导环境保护和治理工作。
二、组分输运模型1. 组分输运的定义组分输运是指不同物质组分在相变过程中的传输行为。
在相变过程中，物质的组分会随着时间和空间的变化而发生迁移和扩散。
组分输运模型的研究可以帮助我们了解不同组分之间的相互作用和传输机制。
2. Fluent 组分输运模型Fluent 软件提供了多种组分输运模型，包括质量输运、热输运和动量输运等。
这些模型可以用于模拟物质的扩散、传输和混合过程。
通过对物质的组分浓度和组分输运参数进行建模，可以模拟组分在相变过程中的传输行为。
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物质输送和有限速率化学反应
第十三章 物质输送和有限速率化学反应FLUENT 可以通过求解描述每种组成物质的对流、扩散和反应源的守恒方程来模拟混合和输运，可以模拟多种同时发生的化学反应，反应可以是发生在大量相（容积反应）中，和/或是壁面、微粒的表面。
包括反应或不包括反应的物质输运模拟能力，以及当使用这一模型时的输入将在本章中叙述。
注意你可能还希望使用混合物成分的方法（对非预混系统，在14章介绍）、反应进程变量的方法（对预混系统，在15章介绍），或部分预混方法（在16章介绍）来模拟你的反应系统。
见12章FLUENT 中反应模拟方法的概述。
本章中的分为以下章节：● 13.1 容积反应 ● 13.2 壁面表面反应和化学蒸汽沉积 ● 13.3 微粒表面反应 ● 13.4 无反应物质输运13．1 容积反应与容积反应有关的物质输运和有限速率化学反应方面的信息在以下小节中给出：● 13.1.1 理论● 13.1.2 模拟物质输运和反应的用户输入概述 ● 13.1.3 使能物质输运和反应，并选择混合物材料 ● 13.1.4 混合物和构成物质的属性定义 ● 13.1.5 定义物质的边界条件 ● 13.1.6 定义化学物质的其他源项● 13.1.7 化学混合和有限速率化学反应的求解过程 ● 13.1.8 物质计算的后处理● 13.1.9 从CHEMKIN 导入一个化学反应机理13.1.1 理论 物质输运方程当你选择解化学物质的守恒方程时，FLUENT 通过第i 种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分数，Y i 。
守恒方程采用以下的通用形式：()()i i i i i S R J Y v Y t++-∇=⋅∇+∂∂ρρ （13.1-1） 其中i R 是化学反应的净产生速率（在本节稍后解释），i S 为离散相及用户定义的源项导致的额外产生速率。
在系统中出现N 种物质时，需要解N-1个这种形式的方程。
由于质量分数的和必须为1，第N 种物质的分数通过1减去N-1个已解得的质量分数得到。
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。
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中组分输运及化学反应(燃烧)模拟[1]
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φi =φi ( f , χ)
χ 与当地应变率有关
χ = (∂f / ∂x)2
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计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
层流火焰面模型(2)
用指定概率密度函数（PDF） P(f,χ) 的方法来决定层流火焰面系综 。假定的概率包括计算为：Pf (f) Pχ (χ), 其中， Pf (f) 用Beta 函数， Pχ (χ) 用delta函数 1∞
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计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
层流火焰面模型
把混合分数 PDF扩展到模拟中度化学非平衡 燃烧模拟中 用层流拉伸火焰系综来模拟湍流火焰, 对 撞扩散火焰 用混合分数和标量耗散率来求解（绝热）温 度、密度和组分等量。 对于混合分数 PDF 模型 (绝热), 热－化 学状态只是 f 的函数
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计算流体与传热传质
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模拟燃烧过程的化学反应动力学
难点与挑战
多数实际的燃烧过程是湍流 化学反应速率高度非线性; 湍流－化学反应高度耦合，相互作用很重 要。 真实化学反应机理包含数十个组分, 数百个基元反应，并且方程组极 具刚性 (基元化学反应时间尺度相差大)
实际处理方法
f=1 f=0 f=1
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系统化学平衡假设
化学反应很快到达平衡. 可以考虑中间组分.
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PDF 模拟Turbulence-Chemistry相互作用
Fluctuating mixture fraction is completely defined by its probability density function (PDF).
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计算流体与传热传质
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混合分数/PDF模型小节
优点:
可以计算中间组分. 考虑分裂影响. 考虑湍流－化学反应之间作用. 无需求解组分输运方程（特别是多组分），简化计算量 性能好，经济
缺点:
系统必须满足（靠近）局部平衡. 不能用于可压速或非湍流流动. 不能用于预混燃烧.
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守恒标量 (混合物分数) 模型: PDF 模型
只适应用于非预混 (扩散) 火焰燃烧 假定化学反应过程受混合速率控制
满足局部化学平衡. 控制体（计算单元）组分、物性决定于燃料和氧化剂在该处的混合程 度.
化学反应机理不明确.
用化学平衡计算来处理化学反应 (prePDF).
FLUENT提供的燃烧模型
气相燃烧
有限速率模型 (Magnussen model) 守恒标量的 PDF模型 (一个或两个混合分数) 层流火焰面（小火焰）模型 (V5) Zimont model (V5)
稀疏相模型
湍流颗粒弥散
随机轨道模型（Stochastic tracking） 颗粒云团模型（Particle cloud model） (V5)
φi = ∫∫φi ( f , χ)⋅ Pf ( f )P (χ)dχdf χ
00
只适合绝热系统（FLUENT V5） Import strained flame calculations
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Single or multiple flamelets
简化化学反应机理
有限速率燃烧模型
考虑湍流及其混合、弱化反应化学
混合分数模型
平衡化学的 PDF模型 层流火焰面模型
进展变量模型
Zimont 模型
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计算流体与传热传质
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有限速率模型
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.
求解当地时间平均的各个组分的质量分数, mj.
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层流火焰面模型
把混合分数 PDF扩展到模拟中度化学非平衡 燃烧模拟中 用层流拉伸火焰系综来模拟湍流火焰, 对 撞扩散火焰 用混合分数和标量耗散率来求解（绝热）温 度、密度和组分等量。 对于混合分数 PDF 模型 (绝热), 热－化 学状态只是 f 的函数
生成新的混合物. 改变已有混合物的物性/化学反应.
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有限速率模型小节
优点:
可以应用于nonpremixed, partially premixed和premixed combustion 简单、直观 应用广泛
缺点:
不适合混合速率与化学反应动力学时间尺度相当时候的化学反应 (要 求 Da >>1). 没有严格考虑湍流－化学反应之间的相互作用问题 不能考虑中间产物或组分、不能考虑分裂影响. 模型常数不确定, 特别是用于计算多个化学反应的时候尤为如此，模 型常数通用性较差。.
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FLUENT中组分输运及化学反应 中 燃烧） （燃烧）模拟
Temperature in a gas furnace
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概要
应用 燃烧模拟简介 化学动力学 气相燃烧模型 稀疏相燃烧模型 污染物排放模拟 燃烧数值模拟步骤介绍
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有限化学反应速率模型设置
要求:
给出组分及其物性 给出化学反应及其反应速率在内的化学反应动力学数据 FLUENT V5 在mixture material database里面提供了数据
对于常用的燃料，数据库都会给定机理，组分物性等信息. 如果用户需要给定个性化机理，则:
Possible to model local extinction pockets (e.g. lifted flames)
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预混燃烧的Zimont模型
用单个过程变量来模拟热－化学过程,
∂ ∂ ν ∂c ∂ ( ρc ) + + Rc ( ρ ui c ) = ρ t ∂t ∂x i ∂ x i Sc t ∂ x i
只求解混合物分数及其方差的输运方程, 无需求解组分的输运方程. 可以严格考虑湍流与化学反应的相互作用
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混合分数定义
混合分数, f, 写成元素的质量分数形式:
f =
Z k − Z k ,O Z k , F − Z k ,O
其中， Zk 是元素k的质量分数 ；下标 F 和O 表示燃料和氧化剂进口流 处的值。
Species mole fractions Temperature, density
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PDF Model Flexibility
非绝热系统:
In real problems, with heat loss or gain, local thermo-chemical state must be related to mixture fraction, f, and enthalpy, h. Average quantities now evaluated as a function of mixture fraction, enthalpy (normalized heat loss/gain), and the PDF, p(f).
第二守恒标量:
FLUENT用第二守恒标量可以模拟:
Two fuel streams with different compositions and single oxidizer stream (visa versa) Nonreacting stream in addition to a fuel and an oxidizer Co-firing a gaseous fuel with another gaseous, liquid, or coal fuel Firing single coal with two off-gases (volatiles and char burnout products) tracked separately
f=1 f=0 f=1
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系统化学平衡假设
化学反应很快到达平衡. 可以考虑中间组分.
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PDF 模拟Turbulence-Chemistry相互作用
Fluctuating mixture fraction is completely defined by its probability density function (PDF).
Single: Multiple: user specified strain, a strained flamelet library, 0 < a < aextinction
a=0 equilibrium a= aextinction is the maximum strain rate before flame extinguishes
组分 j的源项 (产生或消耗）是机理中所有k个反应的净反应速率 :
Rj =
∑R
k
jk
Rjk (第k 个化学反应生成或消耗的j 组分)是根据 Arrhenius速率公式 、混合或涡旋破碎（EBU）速率的小值。. 混合速率与涡旋寿命相关, k /ε.
物理意义是湍流涡旋是决定化学反应的首要因素。对于非预混燃烧 ，湍流涡旋决定了组分混合；对于预混燃烧湍流决定了热输运（高 温加热低温）。即：化学反应决定于湍流混合组分（非预混燃烧） 和热量（预混燃烧）的速率。
60% CH4 40% CO 21% O2 79% N2
f=1 f=0
35% O2 65% N2
多氧化剂入口的扩散火焰:
60% CH4 40% CO 35% O2 65% N2
f=0 f=1 f=0
多燃料进口的扩散火焰:
60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2 21% O2 79% N2 60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2
Stream function
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燃烧模型概要
稀疏相模型
液滴/颗粒动力学 非均相反应 液化 蒸发
燃烧模型
预混 局部预混 非预混燃烧
输运控制方程
质量 动量 (湍流) 能量 化学组分
污染物模型
辐射换热模型
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计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
燃烧模拟
广泛应用与均相和非均相燃 烧过程模拟
燃烧炉 锅炉 加热器 燃气轮机 火箭发动机 Temperature in a gas furnace
求解内容
流场流动特性及其混合特 性 温度场 组分浓度场 颗粒和污染物排放 CO2 mass fraction
p(V )∆V = lim1 T →∞ T Nhomakorabea∑τ