使用非预混燃烧模型
《数值计算与工程仿真》专刊—FLUENT HELP 算例精选中文版（二）
算例 13
引言
使用非预混燃烧模型
煤粉燃烧的模拟包括气相连续流场的建模和它与煤粒非连续相的作用的建 模。穿过气体的煤粒会挥发燃烧并成为与气相反应的燃料源。反应可以用组份 输运模型（the species transport）或模型（the non-premixed combustion）模拟， 在本指南中你将用非预混燃烧模型模拟简单煤粉燃烧炉中的化学反应。 在本指南中你将学会： 1.怎样用 prePDF 预处理程序为煤粉燃料准备 PDF 表格。 2.怎样为非预混燃烧化学模型定义输入条件。 3.怎样定义煤粒的非连续相。 4.怎样解决包含非连续相煤粒的反应的模拟。 非预混燃烧模型用这样的一种建模方法：用一个或二个守恒量，即混合分 数求解输运方程。多种化学组份，包括基团和中间产物组份可能被包含在对问 题的定义当中，而且它们的浓度将来至于混合分数分布的预测。组份的特性参 数是通过化学数据库获得。湍流化学反应是用 Beta 或者双 delta 概率密度函数 来模拟的。关于非预混燃烧模拟方法的更多细节请参看使用手册。
前提条件
本指南是建立在你已经熟悉 FLUENT 的菜单结构并且已经做完指南 1 的基 础上的。因此在建立过程中的一些步骤和解决过程将被省略。
问题描述
本指南中用的煤燃烧系统为一简单的 10m*1m 的二维管道， 如图 13.1 所示。 因为是对称的，所以只模拟宽度方向上的一半区域。2D 管道的进口分为两股流 动。管道中心附近的高速流速度为 50m/s，宽度为 0.125m。另一股流的速度为 15m/s， 宽度为 0.375m.两股流都为 1500K 的空气。 煤粒在高速流的附近以 0.1kg/s
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（炉膛中的总流量为 0.2kg/s）的质量流量进入炉膛。管壁的温度为常数 1200K。 在进口尺寸和平均入口速度有关的雷诺数大约为 1000000，所以，流动为湍流。 关于煤的成分的祥细资料和粒径分布在第五步：Models:连续相（气）和第八步： Materials:非连续相中介绍。
图 13.1： 两维煤粉燃烧炉
prePDF 的准备
1. 打开 prePDF 当用非预混燃烧模型时，你需要用预处理程序 prePDF 准备一份 PDF 文档。 PDF 文档包含混合分数的浓度和温度值相关的信息。在 FLUENT 解决问题 的过程中将需要用到这些信息。
第一步：在 prePDF 中定义初步的绝热系统
1.定义 prePDF 模型类型 你可以定义一个单一的燃料流，也可以定义一个燃料流加上一个二次流。
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定义二次流能够让你跟踪到两股混合分数。对于煤燃烧，这样做可以使你跟踪 从碳（燃料流）分离出来的挥发份物质（二次流） 。在本指南中，我们不采用这 种方法。我们用单一的混合分数来模拟煤。 Setup Case...
(a)在 Heat transfer options 下保持 Adiabatic 的默认设置 本指南中研究的煤燃烧器是非绝热系统，燃烧器壁上有热量的传递，还有 热量从气体传到煤粒。在 prePDF 中，我们必须考虑成非绝热系统。 因为非绝热系统的计算比绝热系统要耗时，因此在一开始设置 prePDF 时可 以将结果考虑成绝热系统。通过计算绝热系统的 PDF 化学反应结果，你可以选 取适当的系统参数以便让非绝热系统的计算更高效。特别地，绝热计算可以提 供绝热火焰温度的信息、符合化学当量比的混合分数和个体成分对化学系统的
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重要性。在所有最终需要非绝热系统模型的 PDF 计算中都将采用以绝热系统计 算为开端的方法。 (b)在 Chemistry models 下，保持 Equilibrium Chemistry 的默认设置 在所有的基于 PDF 的模拟中，一般推荐选择 Equilibrium Chemistry ， Stoichiometric Reaction 选项计算不多但是一般不怎么准确。Laminar Flamelets 选项提供了包括空气动力张力引起的非平衡效应，例如超平衡的基团浓度和亚 平衡的温度。这对于预测 NOx 是非常重要的， 但这里不包括。 (c)保持 PDF models 的默认值不变。 Beta PDF 因为比 Delta PDF 要准确因此常被推荐使用。 (d)在 Empirically Defined Streams 下选中 Fuel stream 选项。 这将允许你用经验输入选项定义燃料流。经验输入选项允许你在 H，C，N 和 O 的原子分数方面定义燃料的成分，还可以定义低位热值和燃料的热值。在 元素分析和燃料热值已知的情况下，这是一个很有用的选项。 (e)点击 apply，关闭面板。 2.在系统中定义化学物质。 选择何种物质应该根据燃料类型和燃烧系统来确定。在 FLUENT 的使用手 册中提供了选择的原则。在这里，你可以假定平衡系统由 13 种物质组成：C， C(s)，CH4，CO，CO2，H，H2，H2O，N，N2，O，O2，和 OH. C，H，O，和 N 包含其中是因为燃料流需要根据经验输入方法用这些原子所占 的百分数来定义。
! You should include both C and C(S) in the system when the empirical input option is used. Setup Species Define...
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(a)Maximum # of Species 的值设定为 13。用上下箭头设定物质的最大值，也可 以在
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3. 确定燃料成分的输入。 燃料是已知的，工业分析如下：28%挥发份，64%碳，8%灰份。你可以用这些 数据和燃料的元素分析数据在 PDF 中确定燃料的成分。燃料流的成分（碳和挥 发份）如下： 转换为干燥无灰基： Proximate Analysis Wt % Wt % (dry) (DAF) Volatiles Char (C(s)) Ash 干燥无灰基的元素分析如下： Element Wt % (DAF) C H O N S 89.3 5.0 3.4 1.5 0.8 28 64 8 30.4 69.6 -
为了简化模型，煤中的含硫量可以用含氮量（质量分数）来综合考虑，如下： Element Wt % (DAF) C H O 89.3 5.0 3.4
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N S
2.3 -
我们还可以将最近的元素分析数据转换成下面的挥发份流的元素组成： Element Wt % Moles Mole Fraction C H O N Total 89.3 5.0 3.4 2.3 7.44 5 0.21 0.16 12.81 0.581 0.390 0.016 0.013
为了祥细说明燃料的成分，你还可以在最后的栏中输入摩尔分数。prePDF 可以用这些数据和煤的热值来确定燃料中的组份。 煤的低位发热量(DAF)如下： LCVcoal.DAF=35.3MJ/kg 煤的精确热值和密度分别为 1000J/kg-K 和 1kg/m3. 4.输入燃料和氧化剂的成分。 Setup Species Composition...
(a) 激活氧化剂流成分的输入框。 氧化剂的体积组成为：21%O2 和 79%N2
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i. 在 stream 下选择 Oxidiser. ii. 在 Specify Composition In 下，保持 Mole Fractions 的默认选择不变。 iii. 在 Defined Species 列表中选择 O2，在 Species Fraction 框中输入 0.21。 iv. 在 Defined Species 列表中选择 N2，在 Species Fraction 框中输入 0.79 (b) 激活燃料流成分的输入框。 注意：因为经验输入选项对于燃料流来说是激活了的，所以你会被提示要求输 入 C，H，O，N 的原子质量分数，煤的热值等。
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i. ii. iii. iv. v. vi. vii. viii.
在 Stream 下，选择 Fuel. 在 Specify Composition In 下，保持 Mole Fractions 的默认选择不变。 在 Defined Species 列表中选 C，并在 Atom Fraction 框中输入 0.581。 在 Defined Species 列表中选择 H，并在 Atom Fraction 框中输入 0.390 在 Defined Species 列表中选择 N，并在 Atom Fraction 框中输入 0.016。 在 Defined Species 列表中选择 O，并在 Atom Fraction 框中输入 0.013。 Lower Caloric Value 的值输入为 3.53e+07j/kg，Specific Heat 的值输入为 1000j/kg-K. 点击 apply， 关闭面板。
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5.定义固体碳的密度。 在这儿假定值为 1300kg/m3. Setup Species Density...
(a) 在 Defined Species 列表中选择 C(s). (b) 设定密度值为 1300. (c) 点击 apply，并关闭面板。 注意： prePDF 在燃料的混合物的密度计算中将一直用到这些数据。你必须输入固 定碳的密度，这密度值不同于在 FLUENT 中定义的含灰煤粒的表观密度值。 6.定义系统运行条件。 在化学平衡计算中，系统压力和进口流的温度是必须的。煤燃烧的燃料流 的进口温度应该是液化作用开始时的温度。氧化剂的进口温度应该对应于空气 的进口温度。 在本指南中， 煤的液化温度设定为 400K， 空气的进口温度为 1500K. 系统压力为一个大气压。 Setup Operating Conditions...
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(a) 为 Fuel 和 Oxidiser 的进口温度分别设定为 400K，1500K. (b) 点击 apply，关闭面板。
第二步：计算和回顾绝热系统的 prePDF 查寻表。
1. 保持 PDF 解决方案的默认参数值。 Setup Solution Parameters...
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用 PDF 做的查寻表格的计算会为离散混合物部分的物质分子质量分数和温 度在一表格中给出其计算的结果值。 你可以用 Solution Parameters 来控制这些离 散点的值和分布。你也可以在这面板中对 Fuel Rich Flamability Limit 进行设置。 Fuel Rich Flamability Limit 选项允许你在当混合分数超出定义的充足限制的时 侯进行部分平衡计算和悬浮平衡计算。允许你在燃料充足的地方通过旁路来进 行复杂的平衡计算，这可以提高 PDF 计算的效率，并且比全部都假设为平衡要 实际得多。在用经验定义流动的时侯，一般充足限制的值为 1.0 且不能改动。 (a)保持 Automatic Distribution 的默认设置不变。 这部分将允许你通过优化离散混合分数值的分布情况和使之集中在绝热火 焰温度附近来提高 prePDF 的预测。 如果你选择不用 Automatic Distribution 那么 你需要设置分布中心点在化学当量比尺度混合分数的富集一侧。 (b) 点击 apply，并关闭面板。 2. 保存输入值(coal_ad.inp). File Write Input... 3. 绝热系统的化学反应的计算。 Calculate PDF Table 在计算中，prePDF 首先从数据库中找到热力学数据。然后在分散相混合分 数/混合分数变化点（在 Solution Parameters 面板中定义的 21 处）的温度、成份
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和密度的时间平均值被计算。计算结果是一组表格。包含这两个参数在每个离 散值的组份摩尔分数、密度和温度的时间平均值。prePDF 将在控制窗口中报告 查寻表格的建立过程。 当计算完成后，prePDF 将通知你燃料入口的平衡计算已经结束。在预知的 平衡条件不影响你的建模输入的时侯，除非燃料流为气体燃料入口，那么你都 可以简单地承认通知。
4. 保存绝热的 PDF 文件（coal_ad.pdf） File Write PDF... (a) 在文件类型下面，选择 Write Formatted File 当你写入一个 PDF 文件时，PDF 将默认地保存一个二进制文件。如果你是在 一台机器上用 PDF 文件，那么你可以用默认的 Write Binary File 选项来保存文 件。但是，如果在不同的机器上用 PDF 文件的话，你就应该为 PDF 文件保存一 个 ASC11 文件（格式化的） 。应该注意到它将比二进制文件占用更多的硬盘空 间。 (b) 在 Solver 下选择 FLUENT6。 (c) 为 Pdf File 命名为 coal_ad.pdf. (d) 点击 OK 写入文件。 5. 检查绝热系统中的温度和混合分数的关系。 绝热系统的计算结果提供了一些参考。 这些参考针对将在非绝热计算中用到 的系统。 Display PDF Table...
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(a)在 Plot Variable 列表中选择 TEMPERATURE， 点击 Display 一生成表格 （图 13.2） 。 温度显示表明了时间平均系统温度是怎样随着平均混合分数以及它的变化 而变化的。 温度和混合分数的关系表明了当燃料混合分数大约为 0.1 的时侯火焰的最高 温度大约为 2750K。这最好温度是由于燃烧空气的高温预热造成的。 注意：在绝热系统计算中报告的最高绝热温度将用来作为选择非绝热系统计算 中的最高温度的参考。
图 13.2：时间平均温度：绝热的 prePDF 计算
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第三步：创建和计算非绝热 prePDF 系统。
创检一个非绝热 prePDF 系统需要你做以下的： 重新定义一个非绝热系统。 设定系统峰值温度（建立在 2750K 的绝热结果上的）。 在这些修改之后，你还要重新计算系统化学反应和保存一个在 FLUENT 中 用的非绝热 PDF 文件。 1. 定义非绝热的 prePDF 模型类型。 Setup Case...
(a) 在 Heat transfer options 下选择 Non-Adiabatic，点击 apply. 2.设定系统温度限制。
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当 PDF 计算为非绝热的时侯，系统的最低和最高温度是必须的。 最低温度应该比最低边界条件温度值（例如入口温度或者墙壁温度）要低几度。 在煤燃烧系统中，最低系统温度应该也要设定得比挥发份开始从煤中挥发的温 度低。在这儿，液化作用开始时汽化的温度设定为 400K.因此，系统的最低温度 设定为 298K（默认值）。 最高温度至少应该比在先前绝热计算中所得的峰值温度高 100K。这儿，最高温 度选取为 3000K，适当地高出绝热系统的峰值温度 2750K。 Setup Operating Conditions...
(a) 为 Min. Temperature 的值输入 298，为 Max. Temperature 的值输入 3000。
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(b) 点击 apply，并关闭面板。
3.保存非绝热系统的输入值（coal.inp） 。 File Write Input... 4.非绝热 PDF 查寻表格的计算。 Calculate PDF Table 非绝热的 prePDF 计算要比绝热计算多出很多。prePDF 首先要去数据库中 访问热力学数据。接着，焓表会被初始化，焓值的栅格将做适当的调整以适合 解决入口条件和求解参数。然后，然后在分散相混合分数/混合分数变化点（在 Solution Parameters 面板中定义的 21 处）的温度、成份和密度的时间平均值被 计算。计算结果是一组表格。包含这三个参数在每个离散值的组份摩尔分数、 密度和温度的时间平均值。 当计算完成后，prePDF 会警告说燃料入口的平衡计算已经做完。当你在对煤或 者是液体燃料建模的时侯，你可以简单地答复这警告，这对你的输入没有影响。
5.写 PDF 的输出文件(coal.pdf)。 File Write PDF...
(a) 在 File Type 下选择 Write Formatted File. (b) 在 Solver 下选择 FLUENT6。 (c) 为 Pdf File 命名为 coal.pdf。 (d) 点击 OK 以写入文件。 6. 回顾一部分 prePDF 准备的 3D 的查寻表。 Display Nonadiabatic Table...
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(a)在 Plot Variable 向下列表中选择 TEMPERATURE，点击 Display(图 13.3)。 注意：对 3D 查寻表的回顾是一部分一部分的进行的。在默认情况下，被选中部 分是与绝热焓值相对应的。 这显示看起来与在绝热计算中创建的查寻表很相似。 你也可以选择连续焓值的其他部分来显示。
图 13.3：根据绝热焓得到的非绝热的温度表
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7.在非绝热系统中检查物质和混合分数的关系。 Display Nonadiabatic Table...
(a) 从 Plot Variable 向下列表中选择 SPECIES，这将自动打开 Species Selection 面板。 (b) 在 Species Selection 面板中，在 Species 向下列表中选择 C(s)，并点击 OK。
(c) 在 Nonadiabatic-Table 面板点击 Display，以生成表格（图 13.4） 。 7. 按照上面的操作显示 CO 的瞬时分子质量分数（图 13.5） 。
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图 13.4：时间平均 C（S）的摩尔分数：非绝热的 prePDF 计算
图 13.5：时间平均 CO 的摩尔分数：非绝热的 prePDF 计算
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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。 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。 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。 2.2.2守恒标量的PDF模型 守恒标量的PDF模型仅适用于扩散(非预混)燃烧问题，该方法假定了反应是受混合速率所控制，即反应已经达到化学平衡状态，每个单元内的组分及其性质是由燃料和氧化剂的湍流混合强度所控制，其中涉及的化学反应体系由化学平衡计算来处理(利用FLUENT的组件程序PrePDF)。 该方法通过求解混合物分数及其方差的输运方程获得组分和温度场，而不是直接求解组分和能量的输运方程。 -----(4) -----(5) 其中-----(6) 混合分数定义-----(7)
第六章 FLUENT中的燃烧模拟
第六章，FLUENT中的燃烧模拟 6.1 燃烧模拟的重要性 ●面向实际装置（如锅炉、内燃机、火箭发动机、火灾等） ●面向实际现象（如点火、熄火、燃烧污染物生成等） 6.2 FLUENT燃烧模拟方法概要 ●FLUENT可以模拟宽广范围内的燃烧（反应流）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在燃烧模拟中的应用可如下图所示： ●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（单或二组分混合物分数） 层流火焰面模型（Laminar flamelet model） Zimont 模型 ●离散相模型 煤燃烧与喷雾燃烧 ●热辐射模型 DTRM, P-1, Rosseland 和Discrete Ordinates模型 ●污染物模型 NO x 模型，烟（Soot）模型
6.3 气相燃烧模型 6.3.1 燃烧的化学动力学模拟 实际中的燃烧过程是湍流和化学反应相互作用的结果，燃烧的化学反应速率是强非线性和强刚性的。通常的化学反应机理包含了几十种组分和几百个基元反应，而且这些组分之间 的反应时间尺度相差很大（10－ 9～102秒），因此在实际问题的求解过程中计算量和存储量极大，目前应用尚不现实。 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 ● 混合物分数方法（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 6.3.2一般的有限速率模型 ● 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 ● 求解组分的输运方程，得到每种组分的时均质量分数值，如下： 6－1 其中组分j 的反应源项为所有K 个反应中，组分j 的净生成速率： 6－2 式中，反应k 中的组分j 的反应速率可按照Arrhenius 公式、混合（mixing ）速率或 “eddy breakup” 速率的方法求解。在混合（mixing ）速率方法中，混合速率和涡的时间尺度, k /ε.有关，其物理意义为化学反应受限于湍流导致的组分和热量的混合速率。J i 表达如下： 6－3 ● 计算所需参数包括：（i ）组分及其热力学参数值；（ii ）反应及其速率常数值。其中，FLUENT 提供了一个混合物组分的数据库可供查找选用，另外也提供了一个化学反应机理以及组分热力学性质的数据库可供查找选用。 ● 有限速率模型的优缺点： 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（即Da>>1）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 6.3.3 守恒标量的PDF 模型 ∑=k jk j R R
第15章 预混燃烧模拟
第十五章预混燃烧模拟FLUENT有一个预混湍流燃烧模型，基于反应过程参数方法。有关这一模型的内容按以下节次给出： ●15.1 概述和限制 ●15.2 预混燃烧模型 ●15.3 使用预混燃烧模型 15.1 概述和限制 15.1.1 概述 在预混燃烧中，燃料和氧化剂在点火之前进行分子级别的混合。火焰前锋传入未燃烧的反应物产生燃烧。预混燃烧的例子有吸气式内燃机，稀薄燃气轮机的燃烧器，气体泄露爆炸。 预混燃烧比非预混燃烧更难以模拟。原因在于（亚音速）预混燃烧通常做为薄层火焰产生，并被湍流拉伸和扭曲。火焰传播的整体速率受层流火焰速度和湍流涡旋控制。层流火焰速度由物质和热量逆流扩散到反应物并燃烧的速率决定。为得到层流火焰速度，需要确定内部火焰结构以及详细的化学动力学和分子扩散过程。由于实际的层流火焰厚度只有微米量级或更小，求解所需要的开销是不可承受的。 湍流的影响是使传播中的层流火焰层皱折、拉伸，增加了薄层的面积，并因此提高了火焰速度。大的湍流涡使火焰层皱折，而小的湍流涡，如果它们比层流火焰的厚度还小，将会穿过火焰层并改变层流火焰结构。 与之相比，非预混燃烧可以极大地简化为一个混合问题（例如，14.1节中介绍的混合物组分方法）。预混燃烧模拟的要点在于捕获湍流火焰速度，它受层流火焰速度和湍流的影响。 在预混火焰中，燃料和氧化剂在进入燃烧设备之前已经紧密混合。反应在燃烧区发生，这一区域将未燃烧的反应物和燃烧产物隔开。部分预混火焰具有预混和扩散火焰两方面的性质。它们发生在有额外的氧化剂或燃料气流进入预混系统，或是当扩散火焰离开燃烧器以在燃烧前产生某些预混的情况。 预混和部分预混火焰FLUENT的有限速率公式(见13章)模拟。还可以参阅16章了解更多有关FLUENT部分预混燃烧模型方面的信息。如果火焰是完全预混合的，则只有一股具有单一混合比的气流进入燃烧器，可以使用预混燃烧模型。 15.1.2 限制 在使用预混燃烧模型时有以下限制： ●必须使用非耦合求解器。预混燃烧模型在两种耦合求解器中都不能得到。 ●预混燃烧模型只对湍流、亚音速模型有效。这一类型的火焰成为爆燃。在爆炸中， 可燃混合物被冲击波后面的热量点燃，这一类型的燃烧可以使用非耦合和耦合求解 器用有限速率模型模拟。有关限速率模型见13章。 ●预混燃烧模型不能和污染物（如碳烟和NOx）模型一起使用。但完全预混系统可以 用部分预混模型（见16章）模拟。 ●不能用预混燃烧模型模拟反应的离散相粒子。只有惰性粒子可以使用预混燃烧模 型。 15.2 预混燃烧理论 湍流预混燃烧模型基于Zimont等人的工作[275，276，278]，涉及求解一个关于反应过
使用非预混燃烧模型
《数值计算与工程仿真》专刊—FLUENT HELP 算例精选中文版（二）
算例 13
引言
使用非预混燃烧模型
煤粉燃烧的模拟包括气相连续流场的建模和它与煤粒非连续相的作用的建 模。穿过气体的煤粒会挥发燃烧并成为与气相反应的燃料源。反应可以用组份 输运模型（the species transport）或模型（the non-premixed combustion）模拟， 在本指南中你将用非预混燃烧模型模拟简单煤粉燃烧炉中的化学反应。 在本指南中你将学会： 1.怎样用 prePDF 预处理程序为煤粉燃料准备 PDF 表格。 2.怎样为非预混燃烧化学模型定义输入条件。 3.怎样定义煤粒的非连续相。 4.怎样解决包含非连续相煤粒的反应的模拟。 非预混燃烧模型用这样的一种建模方法：用一个或二个守恒量，即混合分 数求解输运方程。多种化学组份，包括基团和中间产物组份可能被包含在对问 题的定义当中，而且它们的浓度将来至于混合分数分布的预测。组份的特性参 数是通过化学数据库获得。湍流化学反应是用 Beta 或者双 delta 概率密度函数 来模拟的。关于非预混燃烧模拟方法的更多细节请参看使用手册。
前提条件
本指南是建立在你已经熟悉 FLUENT 的菜单结构并且已经做完指南 1 的基 础上的。因此在建立过程中的一些步骤和解决过程将被省略。
问题描述
本指南中用的煤燃烧系统为一简单的 10m*1m 的二维管道， 如图 13.1 所示。 因为是对称的，所以只模拟宽度方向上的一半区域。2D 管道的进口分为两股流 动。管道中心附近的高速流速度为 50m/s，宽度为 0.125m。另一股流的速度为 15m/s， 宽度为 0.375m.两股流都为 1500K 的空气。 煤粒在高速流的附近以 0.1kg/s
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第16章 部分预混燃烧的模拟gg
16.部分预混燃烧的模拟 FLUENT提供了一个模拟部分预混燃烧的模型，它是基于14章讲述的非预混燃烧模型和15张讲述的预混燃烧模型的。关于部分预混燃烧模型按以下章节介绍： 16.1概述和局限 16.2理论 16.3使用部分预混模型 16.1概述和局限 16.1.1概述 部分预混燃烧系统，是带有不均匀燃料——氧化剂的混合物的预混燃烧火焰。这种部分预混火焰的情形如，预混的混合物喷射到静止的大气中，带有扩散引导火焰或者冷却气喷嘴的贫油预混燃烧，以及不完整的混合进口的贫油预混燃烧室。 FLUENT提供的部分预混模型是非预混模型（14章）和预混模型（15章）的简单结合。预混反应进度变量c，决定火焰前锋的位置。在焰锋后（c＝1），混合物是燃尽的，所以采用平衡或者…..的求解方案；在焰锋（c＝0）前，组份质量分数、温度、密度通过未燃烧混合物计算。火焰内部（0 PDF 模型 概率密度函数PDF方法以随机的观点来对待湍流问题，对解决湍流化学反应流的问题具有很强的优势。在湍流燃烧中存在一些非输运量( 如反应速率, 密度, 温度及气相体积分数等) 的湍流封闭问题。尽管这些量没有输运方程, 但它们常常是输运变量的已知函数。平均或者过滤高度非线性的化学反应源项会引起方程的封闭问题。因此，用PDF的方法来解决这些非输运量的湍流封闭问题显然是一个既简单又直接的途径。 PDF方法是一种较为流行的湍流燃烧模型，能够较为精确的模拟任何详细的化学动力学过程, 适用于预混、非预混和部分预混的任何燃烧问题。目前, 确定输运变量脉动概率密度函数的方法有输运方程和简化假定两种, 分别称之为输运方程的PDF和简化的PDF。前者建立输运变量脉动的概率密度输运方程，通过求解该方程来获得输运变量脉动的概率分布。后者假定输运变量脉动的概率密度函数的具体形式, 通过确定其中的一些待定参数来获得输运变量脉动的概率分布。湍流燃烧中, 后者应用最为普遍和广泛。在简化的PDF 中, 输运变量脉动的概率密度函数常常采用双 D 分布、截尾高斯分布和B 函数分布等形式。 PDF在理论上可以精确考虑任意详细的化学反应机理，但是其具体求解时需借助其它的模型和算法，而且计算量相对较大。PDF的方程是由N-S方程推导而来，其中的化学反应源项是封闭的，但压力脉动梯度项以及分子粘性和分子扩散引起的PDF的分子输运项是不封闭的，需要引入模型加以封闭。例如，在速度- 标量-湍流频率PDF中，必须采用小尺度混合模型、随机速度模型和湍流频率模型加以封闭。 模化后的输运方程难以用有限容积、有限差分和有限元等方法来求解，比较可行的一种方法是蒙特卡洛(MonteCarlo)方法,在该方法中输运方程被转化为拉格朗日(Lagrangian)方程,流体由大量遵循Lagrang ian方程的随机粒子的系统来描述, 最后对粒子作统计平均得到流场物理量和各阶统计矩。另有与有限容积法相结合的蒙特卡洛法。 PDF 模型的发展 1969年Lungdren首先推导、计算了速度的联合PDF运输方程，避免了对梯度扩散模型进行模拟，对很简单的流动过程得到了简析解[1]。 译者:wyxpuma 第十五章预混燃烧模拟 FLUENT 有一个预混湍流燃烧模型，基于反应过程参数方法。有关这一模型的内容按以下节次给出： 15.1概述和限制 15.2 预混燃烧模型 15.3 使用预混燃烧模型 15.1 概述和限制 15.1.1概述在预混燃烧中，燃料和氧化剂在点火之前进行分子级别的混合。火焰前锋传入未燃烧的反应物产生燃烧。预混燃烧的例子有吸气式内燃机，稀薄燃气轮机的燃烧器，气体泄露爆炸。 预混燃烧比非预混燃烧更难以模拟。原因在于（亚音速）预混燃烧通常做为薄层火焰产生，并被湍流拉伸和扭曲。火焰传播的整体速率受层流火焰速度和湍流涡旋控制。层流火焰速度由物质和热量逆流扩散到反应物并燃烧的速率决定。为得到层流火焰速度，需要确定内部火焰结构以及详细的化学动力学和分子扩散过程。由于实际的层流火焰厚度只有微M 量级或更小，求解所需要的开销是不可承受的。 湍流的影响是使传播中的层流火焰层皱折、拉伸，增加了薄层的面积，并因此提高了火焰速度。大的湍流涡使火焰层皱折，而小的湍流涡，如果它们比层流火焰的厚度还小，将会穿过火焰层并改变层流火焰结构。 与之相比，非预混燃烧可以极大地简化为一个混合问题（例如，14.1节中介绍的混 合物组分方法）。预混燃烧模拟的要点在于捕获湍流火焰速度，它受层流火焰速度和湍流的影响。 在预混火焰中，燃料和氧化剂在进入燃烧设备之前已经紧密混合。反应在燃烧区发生，这一区域将未燃烧的反应物和燃烧产物隔开。部分预混火焰具有预混和扩散火焰两方面的性质。它们发生在有额外的氧化剂或燃料气流进入预混系统，或是当扩散火焰离开燃烧器以在燃烧前产生某些预混的情况。 预混和部分预混火焰FLUENT的有限速率公式（见13章濮拟。还可以参阅16章了解更多有关FLUENT部分预混燃烧模型方面的信息。如果火焰是完全预混合的，则只有一股具有单一混合比的气流进入燃烧器，可以使用预混燃烧模型。 15.1.2限制 在使用预混燃烧模型时有以下限制：必须使用非耦合求解器。预混燃烧模型在两种耦合求解器中都不能得到。预混燃烧模型只对湍流、亚音速模型有效。这一类型的火焰成为爆燃。在爆炸中，可燃混合物被冲击波后面的热量点燃，这一类型的燃烧可以使用非耦合和耦合求解器用有限速率模型模拟。有关限速率模型见13章。预混燃烧模型不能和污染物（如碳烟和 NOx ）模型一起使用。但完全预混系统可以用部分预混模型（见16 章）模拟。 不能用预混燃烧模型模拟反应的离散相粒子。只有惰性粒子可以使用预混燃烧模型。 15.2预混燃烧理论 湍流预混燃烧模型基于Zimont 等人的工作[275，276，278]，涉及求解一个关于反应过程变量的输运方程。这一方程的封闭基于湍流火焰速度的定义。 15.2.1 火焰前锋的传播 在许多工业预混系统中，燃烧发生在一个非常薄的火焰层中。当火焰前锋移动时，未燃的反应物燃烧，变为燃烧产物。因此预混燃烧模型用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。 火焰前锋传播的模拟通过求借一个关于标量c的输送方程，c为(Favre平均)反应进 程变量。 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 for Non-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。热化学计算在prePDF中进行，并列成表以便于在FLUENT中查询。紊流和化学的相互作用考虑为一个概率（几率）密度函数（PDF）。 关于非预混混合分数／PDF模型的信息在以下分节中讲述： 14.1.1：非预混方法的优点和局限（Benefits and Limitations of the Non-Premixed Approach）； 14.1.2：非预混方法的细节（Details of the Non-Premixed Approach）； 14.1.3：非预混模拟的限制和特有案例（Restrictions and Special Cases for Non-Premixed Modeling）； 见14.2：模拟和解决顺序的回顾，以及14.3；应用模型指导。 14.1.1非预混方法的优点和局限 非预混方法的优点（Advantages of the Non-Premixed Approach）：非预混模拟方法已被明确用于模拟进行快速化学反应的紊态扩散火焰的研究。对这样的系统，该方法有许多点优于第十三章中描述的有限率公式。非预混 6.1燃烧模拟的重要性 面向实际装置（如锅炉、内燃机、火箭发动机、火灾等） 面向实际现象（如点火、熄火、燃烧污染物生成等） 6.2 FLUENT 燃烧模拟方法概要 FLUENT 可以模拟宽广范围内的燃烧（反应流）问题。 保证你所使用的物理模型要适合你所研究的问题 下图所示： 气相燃烧模型 一般的有限速率形式（Mag nu ssen 模型） 守恒标量的PDF 模型（单或二组分混合物分数） 层流火焰面模型（Laminar flamelet model ） Zimont 模型 离散相模型 煤燃烧与喷雾燃烧 热辐射模型 DTRM, P-1, Rosseland 和 Discrete Ordinates 模型 污染物模型 NOx 模型，烟（Soot ）模型 第六章，FLUENT 中的燃烧模拟 然而，需要注意的是： 你必须 FLUENT 在燃烧模拟中的应用可如 6.3气相燃烧模型 6.3.1燃烧的化学动力学模拟 实际中的燃烧过程是湍流和化学反应相互作用的结果， 燃烧的化学反应速率是强非线性 和强刚性的。通常的化学反应机理包含了几十种组分和几百个基元反应， 而且这些组分之间 的反应时间尺度相差很大 （10— 9?102秒），因此在实际问题的求解过程中计算量和存储量极 大，目前应用尚不现实。 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： 有限速率燃烧模型一一 > 预混、部分预混和扩散燃烧 混合物分数方法（平衡化学的 PDF 模型和非平衡化学的层流火焰面模型） 烧 反应进度方法（Zimont 模型）一一 >预混燃烧 混合物分数和反应进度方法的结合一一 >部分预混燃烧 6.3.2 一般的有限速率模型 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 求解组分的输运方程，得到每种组分的时均质量分数值，如下： 鲁的）+ ▽■阿 ）=-v-Ji+fli+Si 其中组分j 的反应源项为所有 K 个反应中，组分j 的净生成速率: R j R jk k 6 式中，反应k 中的组分j 的反应速率可按照 Arrhenius 公式、混合（mixing ）速率或 break up ”速率的方法求解。在混合（ mixi ng ）速率方法中，混合速率和涡的时间尺度 / 5.有关，其 物理意义为化学反应受限于湍流导致的组分和热量的混合速率。 1-（叫+紛 计算所需参数包括：（i ）组分及其热力学参数值； FLUENT 提供了一个混合物组分的数据库可供查找选用, 理 以及组分热力学性质的数据库可供查找选用。 有限速率模型的优缺点： 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 （即 6.3.3守恒标量的PDF 模型 >扩散燃 —2 “eddy ,k J i 表达如下： （ii ）反应及其速率常数值。其中, 另外也提供了一个化学反应机 Da>>1）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 湍流燃烧及其数值模拟研究 1. 湍流燃烧 1.1湍流燃烧基本概念 当流动雷诺数数较小时，由于流体粘性的作用，流体呈层流流态。当流动的特征雷诺数超过相应的临界值，流动从层流转捩到湍流。湍流燃烧是指湍流流动中可燃气的燃烧，在能源、动力、航空和航天等工程领域,经常遇到的实际燃烧过程几乎全部都是湍流燃烧过程。湍流燃烧实质是湍流，化学反应和传热传质等过程相耦合的结果。湍流对燃烧的影响与湍流强度和湍流涡旋尺度有关。小尺度湍流通过湍流扩散使火焰区内的输运效应增加，从而使化学反应速率增加。但气流脉动不会火焰面产生皱褶，只能把火焰变成波纹状。大尺度湍流对火焰内部结构没有影响，但使火焰阵面出现皱褶，增加其燃烧面积，造成火焰表现传播速度增加。当湍流强度及湍流尺度均较大时，火焰前沿不再连续而分裂成四分五裂。 燃烧对湍流的影响主要表现在燃烧释放的热流流团膨胀，影响气体的密度和运动速度，从而影响当地的涡旋，湍流强度和湍流结构。 1.2湍流燃烧分类 湍流燃烧按其燃料和氧化剂的初始混合状态可以分类为：湍流非预混燃烧、预混燃烧和部分预混燃烧。在湍流非预混燃烧燃料和氧化剂事先是分离的，燃料和氧化剂一边混合一边燃烧，燃烧速率主要受湍流混合过程控制，而在湍流预混燃烧中，燃料和氧化剂在进入核心燃烧区以前已经充分混合，化学反应的速率由火焰前缘从炽热的燃烧区向冷态无反应区的传播所控制。上面两种燃烧方式是湍流燃烧的两个极限情形，很多情况下两种燃烧模式是并存的，称为部分预混燃烧。部分预混燃烧可出现在下列情形中叫：(1)在一个完全以非预混燃烧为配置的燃烧装置发牛了局部熄火；(2)当预混火焰前缘穿过非均匀的混气时；(3)射流非预混火焰发生抬举，其根部是一个典型的部分预混火焰。这三种部分预混燃烧情形涉及了经常受到关注的燃烧研究话题如局部熄火、火焰稳定等，它们对研究湍流燃烧过程的机理有很大意义。 在湍流燃烧中,湍流流动过程和化学反应过程有强烈的相互关联和相互影响.湍流通过强化混合而影响着时平均化学反应速率,同时化学反应放热过程又影响着湍流,如何定量地来描述和确定这种相互作用是湍流燃烧研究的一个重要内容. 湍流是非常复杂的，它包括湍流问题，湍流与燃烧的相互作用，流动参数与化学动力参数之间的耦合机理等问题。因此湍流燃烧是工程科学中最复杂的领域之一。 湍流燃烧的研究已进行多年，研究的方法有试验研究，理论分析和数值模拟等。计算流体力学和计算机技术的发展，数值模拟由于它的廉价性和可操作性在国际上受到越来越多的重视，得到了广泛的应用。 2.湍流燃烧数值模拟 2.1湍流燃烧数值模拟简介 湍流燃烧数值模拟(Numerical Simulation of Turbulent Combustion)是指应用计算机为工 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。反应物和燃烧产物被火焰前沿分开。求解出反应发展变量来预测前沿的位置。湍流的影响通过湍流火焰速度计算。 部分预混燃烧模型描述非预混燃烧完全预混燃烧相结合的系统。结合混合分数方程和反应物发展变量来分别确定组分浓度和火焰前沿位置。适用于计算域内具有变化等值比率的预混火焰情况。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。 PDF输运方程模型结合CHEMKIN可以考虑详细的化学反应机理，高度的非线性化学反应项是精确模拟，无须封闭模型，可以合理的模拟湍流和详细化学反应动力学之间的相互作用，是模拟湍流燃烧的精确模拟方法。但计算量特别大。 优点：可以计算中间组分；考虑分裂影响；考虑湍流-化学反应之间的作用；无需求解组分输运方程 缺点：系统须满足（靠近）局部平衡；不能用于可压缩或非湍流流动；不能用于预混燃烧。 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。 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: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 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 第十五章预混燃烧模拟 FLUENT有一个预混湍流燃烧模型，基于反应过程参数方法。有关这一模型的内容按以下节次给出： 15.1 概述和限制 15.2 预混燃烧模型 15.3 使用预混燃烧模型 15.1 概述和限制 15.1.1 概述 在预混燃烧中，燃料和氧化剂在点火之前进行分子级别的混合。火焰前锋传入未燃烧的反应物产生燃烧。预混燃烧的例子有吸气式内燃机，稀薄燃气轮机的燃烧器，气体泄露爆炸。 预混燃烧比非预混燃烧更难以模拟。原因在于（亚音速）预混燃烧通常做为薄层火焰产生，并被湍流拉伸和扭曲。火焰传播的整体速率受层流火焰速度和湍流涡旋控制。层流火焰速度由物质和热量逆流扩散到反应物并燃烧的速率决定。为得到层流火焰速度，需要确定内部火焰结构以及详细的化学动力学和分子扩散过程。由于实际的层流火焰厚度只有微米量级或更小，求解所需要的开销是不可承受的。 湍流的影响是使传播中的层流火焰层皱折、拉伸，增加了薄层的面积，并因此提高了火焰速度。大的湍流涡使火焰层皱折，而小的湍流涡，如果它们比层流火焰的厚度还小，将会穿过火焰层并改变层流火焰结构。 与之相比，非预混燃烧可以极大地简化为一个混合问题（例如，14.1节中介绍的混合物组分方法）。预混燃烧模拟的要点在于捕获湍流火焰速度，它受层流火焰速度和湍流的影响。 在预混火焰中，燃料和氧化剂在进入燃烧设备之前已经紧密混合。反应在燃烧区发生，这一区域将未燃烧的反应物和燃烧产物隔开。部分预混火焰具有预混和扩散火焰两方面的性质。它们发生在有额外的氧化剂或燃料气流进入预混系统，或是当扩散火焰离开燃烧器以在燃烧前产生某些预混的情况。 预混和部分预混火焰FLUENT的有限速率公式(见13章)模拟。还可以参阅16章了解更多有关FLUENT部分预混燃烧模型方面的信息。如果火焰是完全预混合的，则只有一股具有单一混合比的气流进入燃烧器，可以使用预混燃烧模型。 15.1.2 限制 在使用预混燃烧模型时有以下限制： 必须使用非耦合求解器。预混燃烧模型在两种耦合求解器中都不能得到。 预混燃烧模型只对湍流、亚音速模型有效。这一类型的火焰成为爆燃。在爆炸中，可燃混合物被冲击波后面的热量点燃，这一类型的燃烧可以使用非耦合和耦合求解 器用有限速率模型模拟。有关限速率模型见13章。 预混燃烧模型不能和污染物（如碳烟和NOx）模型一起使用。但完全预混系统可以用部分预混模型（见16章）模拟。 不能用预混燃烧模型模拟反应的离散相粒子。只有惰性粒子可以使用预混燃烧模型。 15.2 预混燃烧理论 湍流预混燃烧模型基于Zimont等人的工作[275，276，278]，涉及求解一个关于反应过 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： PDF模型 概率密度函数PDF方法以随机的观点来对待湍流问题，对解决湍流化学反应流的问题具有很强的优势。在湍流燃烧中存在一些非输运量( 如反应速率, 密度, 温度及气相体积分数等) 的湍流封闭问题。尽管这些量没有输运方程, 但它们常常是输运变量的已知函数。平均或者过滤高度非线性的化学反应源项会引起方程的封闭问题。因此, 用PDF 的方法来解决这些非输运量的湍流封闭问题显然是一个既简单又直接的途径。 PDF方法是一种较为流行的湍流燃烧模型, 能够较为精确的模拟任何详细的化学动力学过程, 适用于预混、非预混和部分预混的任何燃烧问题。目前, 确定输运变量脉动概率密度函数的方法有输运方程和简化假定两种, 分别称之为输运方程的PDF和简化的PDF。前者建立输运变量脉动的概率密度输运方程, 通过求解该方程来获得输运变量脉动的概率分布。后者假定输运变量脉动的概率密度函数的具体形式, 通过确定其中的一些待定参数来获得输运变量脉动的概率分布。湍流燃烧中, 后者应用最为普遍和广泛。在简化的PDF 中, 输运变量脉动的概率密度函数常常采用双D 分布、截尾高斯分布和B 函数分布等形式。 PDF在理论上可以精确考虑任意详细的化学反应机理，但是其具体求解时需借助其它的模型和算法，而且计算量相对较大。PDF的方程是由N-S方程推导而来，其中的化学反应源项是封闭的，但压力脉动梯度项以及分子粘性和分子扩散引起的PDF的分子输运项是不封闭的, 需要引入模型加以封闭。例如，在速度-标量-湍流频率PDF中，必须采用小尺度混合模型、随机速度模型和湍流频率模型加以封闭。模化后的输运方程难以用有限容积、有限差分和有限元等方法来求解, 比较可行的一种方法是蒙特卡洛(MonteCarlo)方法, 在该方法中输运方程被转化为拉格朗日( Lagrangian)方程, 流体由大量遵循Lagrang ian方程的随机粒子的系统来描述, 最后对粒子作统计平均得到流场物理量和各阶统计矩。另有与有限容积法相结合的蒙特卡洛法。 PDF模型的发展 1969年Lungdren首先推导、计算了速度的联合PDF运输方程，避免了对梯度扩散模型进行模拟，对很简单的流动过程得到了简析解[1]。 非预混火焰中的流动及燃烧不稳定性的直接数值模拟研究 鉴于全球环境质量的不断下降以及当今以化石燃料为主的能源结构的局限性,使得清洁能源的利用问题越来越受到人们的关注。这其中,氢能由于其高效、清洁等优点而格外引人注目。 然而到目前为止,由于对氢气燃烧机理和燃烧行为的认识尚未完善,这很大程度上限制了人们对氢能的安全开发和利用。基于此,本文利用高精度直接数值模拟的方法对非预混火焰在流动和燃烧过程中的不稳定性行为和燃烧的内在机理做了详细研究。 在研究中利用768个处理器核进行了大规模的高效并行计算。而且,为了能得到更精细的流场结构,在计算中考虑了实际燃烧中的详细化学反应过程。 本研究包括四方面的内容,分别为：(1)探讨了氢气非预混火焰在流动和燃烧过程中固有的流体动力学不稳定性。(2)研究了由于氢气自身的快速扩散的属性诱发的热扩散不稳定性对非预混火焰结构的影响。 (3)探讨了燃烧室中非预混火焰因火焰、压力波及燃烧等因素的相互作用诱导的声学响应和热声耦合不稳定性的形成。(4)建立于三维大规模的直接数值模拟中提供的海量数据的基础上,开展了对非预混燃烧中的输运模型的检验和发展的研究。 在流动和燃烧过程中自身存在的流体动力学不稳定性方面,分别开展了二维和三维直接数值模拟的研究,探讨了氢气射流撞击火焰在近场区域的不稳定性。研究中发现,浮力驱动下的流动不稳定性对火焰外部涡旋结构的形成至关重要。 而且,捕捉到了由剪切效应引起的开尔文-亥姆霍兹不稳定性和相应的小尺度涡旋结构的形成,并且探讨了扰动对这两种不稳定性的响应。通过比较二维和 三维的模拟结果,发现二维模拟结果有一定的局限性,但它可以节省大量的计算资源,而三维结果的预测更为准确和精细。 通过大规模高精度的三维直接数值模拟,进一步研究了氢气非预混火焰中的热扩散不稳定性。这种不稳定性是由氢气自身的快速扩散的性质诱导的。 研究发现,流场中固有的流体动力学不稳定性会引发非预混火焰的不稳定,而由优势扩散引起的热扩散不稳定性在一定程度上却能够减弱这种不稳定性的影响。不仅如此,优势扩散的作用也会影响非预混火焰的组成结构。 并且由于组分H2和自由基H的快速扩散的输运性质,导致流场中高温区的产生和局部高反应物浓度的分布特征。本文还考虑了实际动力推进系统的燃烧设备里经常会发生的燃烧不稳定性即热声耦合不稳定性。 分别通过实验观测、直接数值模拟、以及理论解析三种方法研究,并将三者得到的结果进行对比分析,发现了非预混火焰中的热声耦合不稳定性的形成,而且这种燃烧不稳定性诱发了火焰面周期性撕裂的行为。并且,非预混火焰对外界扰动的响应呈现低通特性。 在论文的最后,通过对上述的三维大规模的直接数值模拟中得到的各个瞬态数据的统计,研究了湍流的统计特性和输运特性,并预测了湍流脉动标量的逆梯度输运的现象。研究发现,不论是均一扩散还是优势扩散的条件下,对于非守恒量和守恒量而言,非预混火焰中的湍流脉动标量的输运行为都并未完全遵循经典的梯度模型中所描述的梯度输运,即梯度输运模型具有一定的局限性,它并不能准确地描述非预混火焰中的湍流输运行为。 而逆梯度扩散现象的发生是由于剧烈的化学反应热释放引起的压力梯度的变化,进而影响湍流的扩散和输运过程。最终,湍流标量输运呈现出梯度扩散和逆湍流燃烧模型-PDF
fluent tutorial file 之 prePDF 模拟煤粉燃烧
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使用非预混燃烧模型 Using the Non-Premixed Combustion Model
概要 先决条件 问题描述 使用 prePDF 的准备工作 Step 1: Define the Preliminary Adiabatic System in prePDF Step 2: Compute and Review the Adiabatic System prePDF Look-Up Tables Step 3: Create and Compute the Non-Adiabatic prePDF System Preparation for FLUENT Calculation Step 4: Grid Step 5: Models: Continuous (Gas) Phase Step 6: Models: Discrete Phase Step 7: Materials: Continuous Phase Step 8: Materials: Discrete Phase Step 9: Boundary Conditions Step 10: Solution Step 11: Postprocessing Step 12: Energy Balances and Particle Reporting Summary
Introduction 概要
对煤粉燃烧的模拟包括对连续气相的模拟及其对煤颗粒分散相的相互作用 的模拟.煤颗粒穿过气相时,会进行脱挥发分和焦炭的燃烧,从而成为进行气相 反应的燃料的源.对反应的模拟可通过组分传输模型(the species transport model)或非预混燃烧模型(the non-premixed combustion model)进行模拟. 在此实例指南中, 你将使用非预混燃烧模型模拟一个简化的燃煤炉体内的化学反 应. 在此实例指南中,你将学习:
使用 prePDF 预处理器为煤粉燃料(的燃烧)准备一个 PDF 表 为非预混燃烧化学反应模型定义 FLUENT 的输入参数 为煤颗粒定义一个离散相 求解一个包含反应离散相的煤颗粒的数值模型
非预混燃烧模型是采用这样一种建模方法, 即求解一个或两个守恒标量以及混合 分数的的传输方程.多化学组分时,包括根和中间产物,可以采用这种方法被考第章预混燃烧模拟
第14章 非预混燃烧模拟
第六章,FLUENT中的燃烧模拟
湍流燃烧及其数值模拟
fluent中燃烧模型分类
Fluent软件的燃烧模型介绍(精)
第15章 预混燃烧模拟
ffluent燃烧(预混、非预混)
湍流燃烧模型-PDF
非预混火焰中的流动及燃烧不稳定性的直接数值模拟研究