非预混燃烧模拟

mox
(32)
psec
msec msec mox
(33)
带有废气循环的非预混模拟示意图
四.非预混模拟方法的具体细节
• 混合分数及与其相关的量与式 • 描述系统化学反应的模型 • 湍流－化学反应相互作用的PDF模拟 • 非预混模型的非绝热拓展
（一）混合分数及与其相关的量与式
混合分数定义
Denition of the Mixture Fraction：
a.简单燃料／氧化剂扩散火焰
b.用多氧化剂入口的扩散系统 c.用多燃料入口的系统B.Leabharlann 用二混合分数模拟的化学反应系统结构
a.包含两个不同燃料入口系统
b.包含两种不同氧化剂入口的系统
三. 非预混模拟方法的限制和特别反应类型
special cases and Restrictions on the Mixture Fraction Approach
（1）仅含一种类型的燃料。燃料可由反应组分（例如，90％的CH4和10％的
CO）的一种燃烧混合物组成，可包括多燃料入口。然而，多燃料入口必须有同样 的成分。不允许有两个以上的有不同燃料成分的燃料入口（如，一个入口为CH4 ，一个入口为CO）。类似的，在喷雾燃烧系统或包含反应粒子的系统中，仅允许 有一种废气。
混合分数就是在所有组分（CO2、H2O、O2等）里，燃烧和未燃烧 的燃料流里的元素（C、H等）的局部质量分数。即来源于燃料流的元 素质量分数，这个质量分数包括所有来自燃料流的元素，包括惰性组
分，N2，也包括与燃料混合的氧化性组分，如O2。 这个值是守恒的。混合分数可根据原子质量分数写为：
f Z i Z i,ox
二. 典型系统结构
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。非预混模型允许预测中间（基本）组分、溶解效应和严格的紊流 化学耦合。因为不需要解大量的组分输运方程，该方法在计算上很有效。 下面几幅图为FLUENT中能用非预混模型处理的典型反应系统结构。
A.能用单一混合分数模拟的化学反应系统
注意：非预混模型仅能由分离求解器求解，不支持耦合求解器求解。
图示为不能用非预混模型模拟的预混结构
B.特别反应类型
a.液体燃料或煤燃烧的非预混模型 如果在模拟中包括小液滴或煤颗粒，可以应用非预混模型。 在液体情况下，以求解域里蒸发的液体燃料作为一个燃料混合分数。
在为煤的情况下，挥发物和焦炭产物可被定义为两种不同的燃料类型 （用两个混合分数）或这定义为单一废气成分（用一个混合分数），
Fluent中非预混燃烧模拟
主讲:尹敦兵
一. 初步介绍
燃烧——
强烈的放热和发光的快速化学反应过程称为燃烧。 燃烧过程是综合的物理与化学相互作用的过程，是质量，动量 以及能量交换的过程。燃烧现象包含流体流动，传热，传质和 化学反应以及他们之间的相互作用。 控制燃烧过程的基本方程组有：混合物质量守恒方程，组分质 量守恒方程，动量守恒方程以及能量守恒方程等。 燃烧根据燃料和氧化剂是否预先混合可以分为：预混燃烧和非 预混燃烧
(1)
Z i, fuel Z i,ox
式中：Zi——元素i的元素质量分数。下标ox表示氧化剂流入口处的值， fuel表示燃料流入口处的值。
(30)
或
f exit
m fue l m fuel m ox
(31)
式中：fexit为出口混合分数（和废气循环入口处的混合分数），mo为x 氧化
剂入口的质量流量速率，mfue
口的质量流量速率。
l
为燃料入口的质量流量速率，
mre
为循环入
cyc
如果包括次要流，则为
f
fuel,exit
mfuel
mfuel msec
（2）仅含一种氧化剂。氧化剂可包括一种组分混合物（如，21％O2，79％N2）
，可以有多个氧化剂入口。然而，多氧化剂入口必须包含相同的成分。不允许有 两个及以上有不同成分的氧化剂入口（如，一个入口为空气，第二而入口为纯氧 气入口）。
当使用两个混合分数时，系统中可包含三个流。下面是有效的系统：
（1）有两个不同组成的燃料流和一个氧化剂流。每一个燃料流可由一 种反应组分混合物组成（例如，90％的CH4和10％的CO）。可包括 每一种燃料流的多入口，但是每一个燃料流入口必须有两种定义的成 分中的一种（如，一个入口为CH4，一个入口为CO）。 （2）包括气－液，气－煤，或者液－煤燃料混合物和一种氧化剂的 混合燃料系统。在拥有气－煤或液－煤燃料混合物的系统中，煤挥发 物和焦炭作为一种单一成分燃料流来对待。 （3）分别对待煤燃烧中的挥发物和焦炭的系统。 （4）含有不同成分的两种氧化剂流和一种燃料流。每一氧化剂流可由 一种多组份的混合物组成（例如，21％O2，79％N2）。每一种氧化 剂可以有多入口，但是，每一个氧化剂入口必须含有两种定义成分中 的一种（例如，一个入口为空气，第二个入口为纯氧气）。 （5）一个燃料流，一个氧化剂流和一种非反应次要流。
A.限制
非预混方法仅能用于当反应流动系统满足以下要求时：
• 流动是湍流。 • 化学动力学必须迅速以使流动接近化学平衡。
• 化学反应系统必须是有分离的燃料和氧化剂入口的扩散类型（喷雾（喷射 ）燃烧和粉碎燃料火焰也可属此类）。
• 所有组分和焓的扩散系数相等。是对湍流的良好的近似。 • 当使用单一混合分数时，必须遵守如下条件 ：
b.带有废气循环的非预混模型
非预混模型解决的多数问题只包含纯氧化剂和纯燃料（f=0或f=1）的 入口，当有废气循环时，情况发生变化。有一个混合分数中间值（0<f<1） 入口，这个入口代表一个完全的反应的混合物，并提供混合分数中间值。
由于f为一个守恒量，废气循环入口处的混合分数可计算作
mfuel mrecyc f exit (mfuel mox mrecyc) f exit
非预混燃烧—— 燃料和氧化剂以相异流进入反应区， 即以不同的输入途径流 入反应区的燃烧，称为非预混燃烧，此时，燃烧和混合几乎是 同时发生的。
模拟非预混燃烧方法简介
• 基础：在一系列简化假设下，流体的瞬时热化学状态与守
恒量——混合分数f相关。
• 方法：解一或两个守恒量（如混合分数）的输运方程。 • 对象：用于模拟进行快速化学反应的紊态扩散火焰。