第四章 fluent非预混燃烧模型
FLUENT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—151 —《数值计算与工程仿真》专刊—FLUENT HELP 算例精选中文版（二）（炉膛中的总流量为 0.2kg/s）的质量流量进入炉膛。
Fluent燃烧模型介绍
1.Generalized Finite-Rate Model（通用有限速率模型）该模型基于求解组分质量分数疏运方程，化学反应机理由用户自己定义。
反应速率在组分疏运方程中作为源项，并且由阿累尼乌斯公式计算。
该模型适合求解预混，部分预混以及非预混湍流燃烧。
2.Non-Premixed Combustion Model（非预混燃烧模型）该模型求解混合分数输运方程，单个组分的浓度由预测得到的混合分数的分布求得。
该模型是专门为求解湍流扩散火焰问题而发展，有许多方面都比有限速率模型要优越。
该模型考虑了湍流对燃烧的影响，反映机理不能由用户自己设定。
）3.Premixed Combustion Model（预混燃烧模型）该模型主要针对纯预混湍流燃烧问题，在这些问题中，反应物和生成物由火焰峰面隔开，该模型通过求解各种反应过程参数来预测火焰峰面的位置，该模型为考虑湍流对燃烧的影响，引入了一个湍流火焰速度。
4.Partially Premixed Combustion Model（部分预混燃烧模型）该模型针对预混合肥预混燃烧都存在的湍流反应流动。
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。
position PDF Transport Combustion Model（组分概率密度输运燃烧模型）该模型用来模拟湍流火焰中实现中存在的有限速率反应，任意的反应机理都可以导入FLUENT，该模型可用于求解预混，非预混及部分预混火焰，但只用此模型需要大投资。
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1.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。
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_tutorial_file_之_prePDF_模拟煤粉燃烧
译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )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 SummaryIntroduction 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译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )虑进来,并且他们的浓度能够通过预测出的混合分数分布计算出来.通过化学数 据库,可以得出组分的正确数据.湍流和化学反应的相互作用可通过使用β或双 δ的概率密度函数 (PDF) 来模拟. 关于非预混燃烧的模型详见 the User's GuidePrerequisitesThis tutorial assumes that you are familiar with the menu structure in FLUENT, and that you have solved Tutorial 1 or its equivalent. Some steps in the setup and solution procedure will not be shown explicitly.问题描述(Problem Description )本例程考虑的煤粉燃烧系统时一个简单的二维管道,截面为 10m×1m,如图 13.1 所示.因为管道对称,图中只显示了宽度的一半.该二维管道的入口分成 两股来流.靠近管道中心的高速来流速度为 50m/s,跨度为 0.125m.另一股来流 速度为 15m/s,跨度为 0.375m.两股来流都是 1500K 的空气.靠近中心高速流股 进入炉膛的煤颗粒,其质量流率为 0.1kg/s(煤颗粒的总流率为 0.2kg/s).管 道的壁温为 1200K 的常温. 基于入口尺寸和平均入口速度的雷诺数约为 100,000. 因此,流动为湍流. 关于煤组成和粒度分布的详细信息将在 step 5(Models: Continuous (Gas) Phase)和 Step 8( Materials: Discrete Phase)中给出.Figure 13.1: 2D Furnace with Pulverized Coal Combustion译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )对 prePDF 的准备(Preparation for prePDF )1. 启动 prePDF.当你使用非预混燃烧模型,你要先使用前处理器—prePDF-生成一个 PDF 文件. 该 PDF 文件包含了关于各组分浓度,温度与混合分数值之间的联系的信息,并被 FLUENT 在求解过程中用来获得这些标量(组分浓度,温度等) .Step 1: 在 prePDF 中定义初步的绝热系统 (Define the Preliminary Adiabatic System in prePDF )1. 定义 prePDF 模型类别.你可以定义单一燃料流或者燃料流加上另一个流股.激活第二个流股可以让你明了 两个混合分数.对于煤颗粒的燃烧,采用两个流股的方法可以让你明确地将挥发分 (第二个流股)流股同焦炭流股(燃料流)分开.在该例程中,我们将不采用两个 流股的方法,而采用单一混合分数法.SetupCase...(a)译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )在 Heat transfer options, 保持默认设置 Adiabatic.该例程中讨论的煤粉燃烧器是一个非绝热系统, 在气相与煤颗粒相间, 以及燃 烧器壁面上,都有热量传递.因此,必须在 prePDF 中考虑非 绝热系统.由于非绝热系统较之绝热系统在计算时要耗费更多的时间,因此你 可在启动 prePDF 时先考虑系统为绝热系统. 根据对绝热系统的 PDF/化学 平衡的计算结果,你将确定大致的系统参数,这将使得在非绝热系统下的 计算更具效率.而且,绝热系统的计算将提供绝热火焰温度,混合分数的 化学当量以及各单独组分对化学反应系统的重要性的信息. 这种首先在绝 热系统中计算的方法将被用于所有的考虑在非绝热条件下的 PDF 计算.(b) 在 Chemistry models, 保持默认设置 Equilibrium Chemistry. 对大多数基于 PDF 的数值模拟,推荐 使用 Equilibrium Chemistry 选项. Stoichiometric Reaction ( 混合即完全反应 ) 选项计算量小,但不准确; Laminar Flamelets 选项能够考虑空气拉伸的非平衡现象,例如超平衡基浓度和亚平衡温度. 这对于 NOx 的预测非常重要,但在此例中不必考虑. (c) 保持默认设置 PDF models. 一般的,推荐使用β函数的 PDF 积分,因为他比δ函数的 PDF 积分方法更准确.(d) 在 Empirically Defined Streams, 选择 Fuel stream 选项. 这将允许你采用 empirical 输入选项来定义燃料流股(即根据煤的 ultimate analysis 定义) Empirical 输入选项允许你指定燃料中 H,C,N 和 O 的元素组成 (DAF) 低位发热量和比热. , 当元素分析和热值已知时, 这种指定方法是很有效的. (e) 点击 Apply ,关闭面板 2. 定义系统中的化学组分指定系统中包含哪些组分依赖于燃料类型和燃烧系统. 关于指定组分的指南在FLUENT User's Guide 中有介绍.在这里,你将假定该平衡系统中包含 13 种组分: C, C(s), CH , CO, CO , H, H ,H O, N, N , O, O , and OH.之所以包含 C, H, O, 和 N 是因为我们采用``empirical''输入方法 对燃料进行定义的,因此要用到元素组分.! 当使用 empirical input 选项时,你应当将 C and C(S) 都选入系统SetupSpeciesDefine...译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )(a) 将 Maximum # of Species 设为 13. 使用上,下箭头来设置最大组分数目,或在数 字框中直接键入数字然后摁<ENTER>. (b) 在 Defined Species 列表中选择最上面的组分(初始标志为 UNDEFINED). (c) 在 Database Species 下拉表单中,使用滚动条拖动表单,并选择 C. 此时 Defined Species 表单中的最顶部组分将显示为 C . (d) 在 Defined Species 列表中选择第二个组分 (或在 Species # 选项中将数目增大为 2). (e) 在 Database Species 下拉 表 单 中 , 使 用 滚 动 条 拖 动 表 单 , 并 选 择 下 一 个 组 分 ( C(S)). (f) 重复 步骤 (d) 和 (e),直到 13 个组分都被定义 (g) 点击 Apply,关闭面板 Note:在其他燃烧系统中,你也许想添加其他化学组分,但你不要添加慢反应的化学组分, 例如 NOx..3. 确定燃料组分输入.本例中考虑的燃料是已知的,根据工业分析,知道含 28%的挥发分,64%的焦炭和 8%的灰分.你要根据这些信息,以及以下给出的元素分析结果,在 prePDF 中定义 煤的组成.燃料流的组成(焦炭和挥发分)可计算如下:译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )首先将工业分析数据(干燥基)转化为可燃基(干燥无灰基).工业分析 Wt % Wt % Proximate Analysis (dry) Volatiles Char (C(s)) Ash 28 64 8 (DAF) 30.4 69.6 -煤的元素分析如下表:Element Wt % (DAF) C H O N S 89.3 5.0 3.4 1.5 0.8为简单起见,煤中的硫分可并入氮的质量分数,因此最终数据如下:Element Wt % (DAF) C H O N S 89.3 5.0 3.4 2.3 -我们可根据工业分析和元素分析的数据得出挥发分的元素组成如下: can combine Wethe proximate and ultimate analysis data to yield the following elemental composition of the volatile stream: (译者注:这里不是挥发分流股的元素组成,而是整个燃料流股的元素组成,因为该模型采用单混合分数模型,而且表中数据也显示是单流股的摩 尔组成)译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )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你将用到上表中最后一列中的数据.prePDF 将使用这些信息以及煤的热值来定义 燃料中的组分. 煤的低位热值为(DAF) : LCV= 35.3 MJ/kg煤的热容和密度分别为 1000 J/kg-K 和 1 kg/m4. 输入燃料和氧化剂的组分SetupSpeciesComposition...(a) 激活氧化剂流股组分的输入框氧化剂(空气)的组成为 21%的 O2 和 79% 的 N2译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )i. 在 Stream 下, 选择 Oxidiser. ii. 在 Specify Composition In, 保持默认选项 Mole Fractions. iii. 在 Defined Species 选项中选择 O2 并在 Species Fraction 中输入 0.21. iv. 在 Defined Species 选项中选择 N2 并在 Species Fraction 中输入 0.79 (b) 激活燃料流股组分的输入框 Note: 因为燃料流股已经选择了 empirical 输入选项,您将被提示输入 C,H,O 和 N 的原子摩尔分数,以及燃料的热值和热容.译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )i. 在 Stream 下, 选择 Fuel. ii. 在 Specify Composition In 中,保持默认选项 Mole Fractions. iii. 在 Defined Species 列表中选择 C 并在 Atom Fraction 中键入 0.581. iv. 在 Defined Species 列表中选择 H 并在 Atom Fraction 中键入 0.390. v. 在 Defined Species 列表中选择 N 并在 Atom Fraction 中键入 0.016. vi. 在 Defined Species 列表中选择 O 并在 Atom Fraction 中键入 0.013. vii. 在 Lower Caloric Value 中键入 3.53e+07 J/kg 在 Specific Heat 中键入 1000 J/kg-K . viii. 点击 Apply ,关闭面板. 5. 定义固体碳的密度.译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )这里,假定固定碳密度为 1300 kg/m3SetupSpeciesDensity...(a) 在 Defined Species 中选择 C(S) . (b) 将 Density 设为 1300. (c) 点击 Apply ,关闭面板. Note:在计算燃料的混合密度时,prePDF 会用到这个信息.你应当定义固定焦炭的密度, 这个值可能和 FLUENT 中定义的煤的密度不一致, FLUENT 中定义的是包含灰 的煤粒的显密度.6. 定义系统操作条件.在化学平衡计算中需要用到系统压力和入口流温度. 煤燃烧情况下, 燃料流股 的入口温度应当是开始脱挥发分的温度.氧化剂流股的入口温度应当对应于空气入 口温度.在本例程中,煤脱挥发分的温度设置为 400 K,空气入口温度为 1500K,系 统压力为 1 大气压.SetupOperating Conditions...(a)在Fuel和Oxidiser中分别将温度设为400 K 和1500 K。
非预混层流火焰模型
在扩散火焰中，燃料和氧化剂扩散至反应区，遇到活性中心，点火发生。更多 的热和活化中心由此产生，一些扩散出去。在近似平衡火焰中，火化中心和温度浓度增 加，火化中心和热就更多地从火焰中挥发出去。留给火化中心达到平衡的时间就越短， 当地不平衡性增加。
和混合分数。 是第 I 个 Lewis 数，具体定义在 13.1-4 中。k, c p, i, 和 c p 相应的 是热导率，第 I 种的比热和混和平均比热。Si 是第 I 种物质的反应速率。H * I 是第 I 种物
质的比焓。耗散标量 必须在小火焰中定义。公式 14.4-2 的变形形式在【114】中使用。
(1 4.4.7)
方程 14.4-6 中的最后一项是为了考虑小火焰中的辐射耗散项。 是 Stefan-Boltzmann 常数，p 是压力，Xi 是第 I 种物质的摩尔分数，a I 是 Planck 平均吸收系数(见【83】)的 多项式系数。Tb 是背景（无穷远处）温度。使用辐射项可以稍为提高准确性，但在低应变 率下会导致发散。因此，使用这一项应该小心谨慎。
平衡方程，解决方法，逆向层流扩散火焰的计算实例可以在一些参考文献中找到。 具体的解释与分析可以在【27，51】中找到。
应变率及梯度耗散 对于逆流扩散小火焰，典型的应变率可以如下定义： a s = v/2 d，v 是燃料和氧 化剂的速度，d 是喷嘴口之间的距离。
替代了使用应变率来量化非平衡偏离的方法以后，使用 很方便。标量耗散定义如下：
在平衡பைடு நூலகம்预混燃烧模型中，温度的极限为
和
。对非绝热小火焰模型，
这种极限时范围或混合分数和标量耗散的公式限制了使用的焓范围。
下限
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。
FLUENT中组分输运及化学反应燃烧模拟
混合分数定义
混合分数, f, 写成元素的质量分数形式:
f Zk Zk,O Zk,F Zk,O
其处中的，值。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
对于简单的 fuel/oxidizer系统, 混合物分数代表计算控制体里的燃料 质量分数.
平衡化学的 PDF模型 层流火焰面模型
进展变量模型
Zimont 模型
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.
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 Rjk k
R、jk混(第合k或个涡化旋学破反碎应（生E成BU或）消速耗率的的j 组小分值)。是.根据 Arrhenius速率公式
p(f) can be used to compute time-averaged values of variables that
depend on the mixture fraction, f:
i
1 0
p
(
f
)
i( f )d f
Species mole fractions
Temperature, density
的燃烧过程。.
计算连续相流动场 计算颗粒轨道
更新连续相源项
颗粒弥散: 随机轨道模型
Monte-Carlo方法模拟湍流颗粒弥散 (discrete random walks)
颗粒运动计算中考虑气体的平均速度及随机湍流脉 动速度的影响。
每个轨道包含了一群具有相同特性的颗粒，如相同 的初始直径，密度等.
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• 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
1、非预混模型理论
• 定义混合分数f
f Zi Zi , ox Zi , fuel Zi , ox
Zi：元素i的质量分数 Zi,ox：氧化剂入口处i元素的质量分数 Zi,fuel：燃料入口处i元素的质量分数 f=0时，已经完全燃烧，f=1时，未开始燃烧。 • f表示的计算控制容积里燃料的质量分数。
煤粉燃烧模拟
三种模拟选项： • 煤作为唯一燃料：使用二混合分数，一个 是焦炭100%C(s)，另一个是挥发分； • 煤作为唯一燃料：使用单混合分数，煤的 成分包括焦炭和挥发分； • 煤和其它燃料（气体或液体）一起使用： 使用二混合分数，分别代表两种燃料；
两种模拟方法
• 传统方法：选择煤燃烧系统的组分列表（如，
两种模拟方法
• 经验燃料法（Empirical Stream）：选择C、 H、O、N、S作为基本元素，按照经验值输 入元素的质量分数。
元素 C Wt％（DAF） 89.3 Wt%（DAF） 89.3
H O
N S
5.0 3.4
1.5 0.8
5.0 3.4
2.3 -
两种模拟方法
• 经验燃料法：也可把煤分为焦炭和挥发分， 用二混合分数来处理，焦炭输入C(s),挥发 分采用元素分析值。
• Equilibrium：化学平衡假设，燃烧系统总处于平衡状态； • Steady Flamelet：局部化学平衡会导致不真实的结果，有 些燃烧存在非平衡效应，如射流火焰的抬举和吹熄现象。
层流火焰面模型
• 基本思想： （1）把离散、定常层流火焰成为小火焰，并用之近 似模拟紊流火焰； （2）假定个体的小火焰和层流火焰拥有相似的结构， 小火焰是由计算或实验得到的； • 优点：将实际的动力效应融合在紊流火焰之中； • 局限：适用于相对高速的化学反应中，不适合于 燃烧速度缓慢的火焰，如点火、熄火和Nox的生 成（应选择EDC模型）。
燃烧模拟中；
计算方法：解输运方程中的混合分数变化， 为考虑非平衡效果，计算扩散标量，也就是 火焰应变比例。
火焰面模型理论
• 用混合分数f和标量函数 来表述化学反应。 （D：扩散系数） • 用来量化燃烧非平衡偏离，当 值趋于0时， 化学反应区域平衡，当 值增加时，燃烧的 非平衡型增加。 • 模型中温度和组分浓度完全是f和 的函数。
• 分离的燃料和氧化剂入口的扩散燃烧 • 当使用单一混合时，燃料和氧化剂可以使 单质或混合物，可以有多个燃料和氧化剂 入口，但各个燃料或氧化剂入口的成分必 须相同。
单个混合分数模拟系统
• Fuel/air 扩散火焰:
• 多氧化剂入口的扩散火焰:
• 多燃料进口的扩散火焰:
非预混模型的使用条件
• 当使用两个混合分数时，可定义： 两种不同组分燃料+一种氧化剂流、 气液/气煤/液煤混合物+一种氧化剂、两种不 同组分氧化剂+一种燃料。
•必须是湍流
非预混模型小结
• 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.
4、FLUENT设置步骤
与壁面有对流或辐射传热
入口燃料和氧化剂温度不同
有颗粒或液滴存在
2、湍流-化学反应相互作用
• 之前模型给出的是混合分数f与组分浓度、 密度、温度之间的瞬时关系，对于紊态流 动，这些值存在脉动，需要求解的是这些 脉动量的时间平均值，也就是解决湍流与 化学反应之间的相互作用问题。
概率密度函数法（PDF）
C3H8, CH4, CO, CO2, H2O(l), H2O, H2, O，C(s), O2, 和N2）， 还可以选择灰分ash，按照质量分数输入。
近似分析 挥发分 C3H8 CO 固定碳（C(s)） 灰 总量 重量％ 30 60 10 kg （DAF） 0.1833 0.1167 0.6 Moles （DAF） 0.0417 0.0417 0.6 0.5834 摩尔分数 （DAF） 0.0715 0.0715 0.8570 1.0
元素 质量 （89.3～69.6） Wt% 0.65 摩尔 5.4
挥发分元素分析值
C
摩尔分 数 0.24
H
O N 总量
5.0
3.4 2.3 30.4
0.16
0.11 0.08
16
0.7 0.6 22.7
0.70
0.03 0.03
实例演练三、非预混模型
燃料2入口
氧化剂入口 燃料1入口
出口
5、层流火焰面模型
f f f
t 2 2 2 f 2 v f 2 f C f C f S user g t d t k t
混合分数的优点
• （1）将化学反应减少为一个或二个守恒的 混合分数； • （2）所有的热化学标量（组分浓度、密度 和温度）均唯一与混合分数有关； • （3）给定系统中的化学性质和化学反应， 流场中任意一点的混合分数值可用于计算 组分浓度、密度和温度值。
非预混模型理论
• 由于湍流的紊态对流通常超过分子扩散， 故组分传输方程可以被减少为一个单一的 关于混合分数f的方程。 t ( f ) ( v f ) f S m S user t t • 平均混合分数脉动值的方程：
• Sm为液体或固体燃料传入气相中的量；
三、非预混模型
• 非预混燃烧：燃料和氧化剂以相异流进入反应区。
非预混模型
• 假设前提：反应是受混合速率控制，即已经到达化学平 衡状态，每个单元内的组分及性质由燃料和氧化剂的湍 流混合强度所控制。 • 非预混模型基本思想： （1）热化学减少成单一参数：混合分数f，f表示所有组分 中未知燃料流元素（C、H等）的局部质量分数； （2）质量分数是一个守恒的量，控制方程中不含源项， 燃烧被简化为一个混合问题。 • 模型：平衡混合分数的PDF模型。
概率密度函数法-PDF
• 右图表示在时间T内f随时间的脉动值； • 左图的横坐标p(f)即为概率密度函数，表示 流动花在状态f的时间分数；
概率密度函数p(f)
• P(f)描述了湍流中f的瞬时脉动值，因此可以用 来计算依赖于f的时间平均值，计算公式为： 1 i p( f )i ( f )df
0
其中时均值 在FLUENT中表示的是组分浓度、 i 密度或温度。
P(f)函数分布来源：根据浓度脉动值方面的测量，由 实验观察结果得到，主要有两个数学函数，双 函数、 函数。
PDF计算结果
PDF计算结果
• 温度和混合分数的关系
PDF计算结果
• 组分与混合分数的关系
3、非预混模型的使用条件
（PDF：Probability Density Function:概率密度函数）
非预混模型概述
• 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 (PDF表).
i i ( f , ) Pf ( f ) P ( )d df
00
1
火焰面模型的假设和限制条件
• 模型中只能用单混合分数，不允许使用双 混合分数； • 假定混合分数f遵循 -pdf函数，耗散标量
遵循双δ-pdf函数；
• 以经验为基础的气流不能用于小火焰模型。
火焰面模型的使用
• 适用条件：高速湍流，适度的非平衡，非预混；
• 案例：
（1）预测喷流火焰中的发射和吹出现象； （2）内燃机（柴油机非定常火焰子模型）
• 限制条件：不能模拟点火、熄灭和低Da数情况。
FLUENT设置
• 需要从CHEMKIN导入物质的热力性质、传 Biblioteka 和反应数据。由f计算组分浓度
平衡假设
• 平衡假设：对于化学平衡来说，为使其总 存在分子水平上，化学反应足够迅速，根 据最小吉布斯自由能法则，对于某个特定 的燃烧系统，一个f值对应着一个确定的组 分浓度。
化学平衡假设
• 化学反应很快到达平衡. • 可以考虑中间组分.
绝热与非绝热选择
以下几种情况必须使用
非绝热预混模型方法：
火焰的非平衡性
• 扩散火焰中，燃料和氧化剂遇到活化中心 发生反应，产生的热量和组分由火焰中心 挥发出去，增加了局部的不平衡性，不平 衡性是由于紊流所产生的空气动力学应变 引起的。 • 小火焰模型认为紊流是由紊流流动区域内 很薄的局部一维层流小火焰构成？？
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
1、选择非预 混模型 2、定义化学 模型
选择平衡化学模型 选择绝热或非绝热
定义二次流
经验流（一般用于煤粉燃烧，气相燃料不适用） 需要输入燃料的低位发热量和比热。
FLUENT设置步骤
3、定义边界
燃料和氧化剂的化学成分
查找需要的物质 选择需要添加的物质
定义温度
FLUENT设置步骤
4、计算查询表
5、显示计算结果