燃烧模型与模拟
PaSR湍流燃烧模型对典型湍流射流火焰的数值模拟
ｍｉ ｉ ｇ ｐ ｇ ｅ ｓ ｌ ｙ ａｄ ｍｉ ａ ｔ ｌ ｎ ｃ ｍ ｂ ｓｉ ｎｐ ｃ ｓ ｎ ａ ｅｓｒ ｃｕ ｅｎ ａ ｅｆ ｍｅ ｓ ｒａ ｅ ｘ ｎ ｒ ｒ ｓ ａ ｏ ｎ ｎ ｅ ｏ ｏ ｕ ｔ ｒ ｅ ｓａ ｄ ｆ ｍ ｔｕ ｔ ｒ ｅ ｒ ｈ ａ ｕ ｆ ｃ ，ｗｈ ｒ ｅｔ ｃ ｌ ｆｆ ｗ ｏ ｏ ｐ ｏ ｒ ｏ ｏ ｌ ｔ ｌ ｅ ｔ ｉ ｓ ａｅ ｏ ｏ ｉ ｃ ｍ－ ｅ ｈ ｍｅ ｌ ｓ ｐ ｒ ｂ ｅｔ ｆ ｏ ｕ ｔ ｎ ｈ ｅａ ａｙ ｉ ａ ｅ ｎＰ Ｓ ｍ ｏ ｅ ｏ ｓｓｅ ｔ ｌ ｗｉ ｅ ｆ ｍｅｖ ｒｅ ｔｒ ｃ ｉｎ ｓ ｅ ｔａ ｉｇ ａ ｉ ｅｔ ｒ ａ ａ ｌ ｉ ｏ ｃ ｍｂ ｓｉ ．Ｔ ｎ ｌ ｓｓ ｓ ｄ ｏ ａ Ｒ ｄ ｌ ｓ ｎ ｉｔｎ ｌ ｔ ｔ ａ ／ ｏ ｔ ｘ ｉ ｅ ａ ｔ ｃ ｒ ｌ ａ ｒ ｍ ｔ ｕ － ｏ ｔ ｏ ｂ ｉｃ ｗｅ ｈ ｈ ｌ ｎ ｏ ｐ ｄ ｎｈ
Ｎｕ ｒ ｃ ｌ ｉ ｌ ｔｏ ｆ ｙ ｉ ａ ｒ ｌ ｎ ｅ ａ ｓｂ ａ Ｒ ｏ ｅ ｍｅ ｉ ａ ｍｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｐ ｃ ｌ Ｓ Ｔ Ｔｕ ｂｕ ｅ ｔ ｔ Ｊ Ｆｌ ｍｅ ｙ Ｐ Ｓ Ｍ ｄ ｌ ＨＵＡＮＧ ｉ Ｗｅ ，ＺＨＡＯ ｉ ｇ ｈ ｉ Ｐ ｎ － ｕ ，ＹＥ Ｔ ｏ ｈ ｇ ａ—ｕ ｎ
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。
轮机燃烧过程的数值模拟与优化分析
轮机燃烧过程的数值模拟与优化分析在现代工业领域中，轮机作为重要的动力设备，其燃烧过程的性能和效率直接影响着整个系统的运行效果和能源利用效率。
因此，对轮机燃烧过程进行深入研究，并通过数值模拟和优化分析来提高燃烧性能，具有重要的现实意义。
轮机燃烧过程是一个复杂的物理化学过程，涉及到燃料的喷射、雾化、混合、燃烧以及热量传递等多个环节。
传统的实验研究方法往往需要耗费大量的时间和资源，而且难以获得燃烧过程中详细的内部信息。
而数值模拟技术的出现为轮机燃烧过程的研究提供了一种高效、经济的手段。
数值模拟的基本原理是基于流体力学、热力学、化学反应动力学等基本理论，通过建立数学模型和数值求解方法，来模拟轮机燃烧室内的流场、温度场、浓度场等物理量的分布和变化规律。
常用的数值模拟方法包括有限体积法、有限差分法和有限元法等。
在轮机燃烧过程的数值模拟中，需要合理选择数学模型和计算方法，以准确地描述燃烧过程中的各种物理化学现象。
在进行轮机燃烧过程的数值模拟时，首先需要建立准确的几何模型和网格划分。
几何模型应尽可能地反映轮机燃烧室的实际结构，而网格的质量和密度则直接影响着计算的精度和效率。
通常，对于复杂的几何形状，需要采用自适应网格技术或混合网格技术来提高网格的质量和适应性。
燃料的喷射和雾化过程是轮机燃烧过程中的关键环节之一。
数值模拟中，常用的燃料喷射模型包括离散液滴模型、连续液膜模型和喷雾模型等。
这些模型可以模拟燃料的喷射速度、喷射角度、液滴粒径分布等参数对燃烧过程的影响。
同时，为了准确描述燃料的雾化过程，还需要考虑空气动力学、表面张力、粘性力等因素的作用。
燃烧化学反应模型的选择也是数值模拟中的一个重要问题。
常用的燃烧化学反应模型包括详细化学反应模型、简化化学反应模型和总包反应模型等。
详细化学反应模型能够准确地描述燃烧过程中的复杂化学反应机理，但计算量较大；简化化学反应模型和总包反应模型则在保证一定精度的前提下，大大提高了计算效率。
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。
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：
甲烷燃烧的数值模拟
甲烷燃烧的数值模拟及分析主要分为三个部分，第一部分讲解甲烷在炉膛内燃烧的模型建立的方法；第二部分对甲烷燃烧模型的数值模拟结果进行分析和比较；第三部分为结论。
一、模型建立1、在Gambit中建立计算区域在本例中建立圆柱形炉膛，并研究甲烷和空气在炉膛内的燃烧反应。
物理模型如下：甲烷入口直径为10mm；空气入口直径为50mm；炉膛为直径为500mm；长度为1200mm的圆柱形。
如图1。
图1圆柱形炉膛模型图2、绘制网格图2进口网格分布甲烷和空气进口的网格元素选择四边形网格，如图2。
炉膛表面的网格也是四边形网格，如图3。
图3炉膛表面网格分布图4炉膛表面网格分布图5炉膛出口网格分布图6炉膛内部网格分布3、指定边界条件图7炉膛边界条件Inlet1为甲烷入口，边界条件为速度入口；Inlet2为空去入口，边界条件为速度入口；Outlet为炉膛出口，边界条件为自由流；其他炉膛壁面为墙体，边界条件为墙体。
4、导入fluent具体信息如下：54440mixed cells,zone2,binary.326quadrilateral wall faces,zone3,binary.1900quadrilateral wall faces,zone4,binary.350quadrilateral wall faces,zone5,binary.218quadrilateral outflow faces,zone6,binary.204quadrilateral velocity-inlet faces,zone7,binary.18quadrilateral velocity-inlet faces,zone8,binary. 108880triangular interior faces,zone10,binary.11144nodes,binary.11144node flags,binary.缩放信息如下图：图8缩放信息图5、选择计算模型图9定义求解器图10考虑能量方程图11考虑粘性模型图12考虑辐射模型图12考虑燃料模型图13燃烧物质和炉膛材料6、操作环境的设置图14操作环境（压力场和重力场）7、设置边界条件图15空气入口边界条件空气入口的速度为8m/s，温度为300K，入口空气中氧气的含量为21%。
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.
第六节 柴油机燃烧模拟模型
柴油机准维模型的基本思想： 由于柴油机的燃烧主要受控于燃料与空气的混合，即 喷雾区内的物理化学过程，决定了缸内温度和化学成分场， 因此将整个燃烧过程抽象为喷雾、燃烧、传热、化学 反应等子过程，分别建立子模型， 再由燃烧室内总质量、能量守恒及容积等约束条件确 定各子模型的关系，描述整个燃烧过程。
现在的准维模型大体分为两类： 一是忽略燃料雾化和蒸发过程的气态射流模型，这类模 型以W.T.Lin为代表； 二是用燃料油滴的蒸发速率控制燃烧的油滴模型，这类 模型以广安博之为代表。 这两种模型的两个主要的共同之处是： 这两种模型的两个主要的共同之处是 一是喷雾模型均来自于试验基础上所建立的描述喷雾过 程的基本方程式； 二是对基于以上方程的喷雾分区 建立各子区的能量 二是对基于以上方程的喷雾分区，建立各子区的能量、 传热、排放模型和化学反应方程。而喷雾模型是整个准维模 型的基础，本节将只介绍重要的喷雾和燃烧子模型。
xt为估算的喷雾贯穿度，x1为喷油结束后之尾部贯穿度， d0为喷孔直径，b为喷雾外边界，
喷雾中燃料浓度分布： 这是模型的核心部分 采用随时空连续变化的函数来 这是模型的核心部分，采用随时空连续变化的函数来 描述燃油质量浓度分布：
t x 1 ， 1 Cm x,0, t 0，
N u 2 0.6 R Pr
Nu近似为2时
m
1 2 e
1 3
Re
2
g
ur f d f
f
f
g
f
d
ln( B 1 )
燃烧模型 燃烧模型的核心是计算燃烧率，柴油机燃烧过程由预混 合燃烧和扩散燃烧两个阶段组成。 预混合燃烧可按Arrenhenius A h i 类型的化学动力学公式计算， 类型的化学动力学公式计算 而扩散燃烧由当时当地的燃空当量比控制。 模型中每个小区的燃烧取决于燃油蒸发率或空气卷吸率， 第j小区的燃烧率为：
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发动机的燃烧模型和数值模拟近年来,在国外,尤其是美国,相继开展了微动力机电系统(Power MEMS) 和微型发动机(Micro2engine) 的研究工作[1～3 ] . 微型发动机,如微型涡轮机,微转子发动机,微火箭发动机等是微动力机电系统的核心装置,其共同特征是利用碳氢燃料,在一个微型的燃烧器中
燃烧放热. 使用碳氢燃料的微型发动机即使在热效率很低的情况下
也具有比现有的电池高出比较高的能量密度. 从动力机械发展的历
史进程看,每当能源装置的能量密度产生一个飞跃,都会给社会的发
展和经济带来深远的变革. 18 世纪的蒸汽发动机,以01005W/ g 的能量密度为标志,引发了当时的工业革命. 从19 世纪到20 世纪中叶,
内燃机的发展使能量密度达到了0105 ～110 W/ g , 从而使整个交通运输
发生了巨变. 20 世纪发明的航空航天发动机使能量密度进一步上升到10 W/ g. 喷气式飞机大大地缩短了整个世界的距离. 微动力装置的能量密度将冲破100 W/ g的大关.
可以说,它是动力机械发展的第四个里程碑,给现代社会带来的影响
将是重大而深远的.
微型发动机的研究尚处于起步阶段,微型发动机热力循环的选择、燃烧系统的研究尚处于探索之中. 当前微型发动机的几个主要发展
方向有微型涡轮机、三角转子发动机和采用新材料直接将热能转化为电能的发动机. 本文对微型发动机中的燃烧进行了模拟计算,
图1 为MIT 研究开发的微型涡轮机的结构示意.
图1
1 —火焰稳定器;
2 —扩散叶片;
3 —转子叶片;
4 —进气口;
5 —启动器;
6 —燃料喷孔;
7 —燃料汇流腔;
8 —燃烧室;9 —排气口;10 —转子中心线;
11 —涡轮转子叶片; 12 —涡轮导向叶片
该发动机主要由压缩器、燃烧室、涡轮和启动电动机/ 发电机组成. 由于以光刻技术为基础的微加工方法更适合于二维或准二维结构的几何形状,同时从减少传热损失的考虑出发,本文选择了环形燃烧(图2) 作为模拟计算的对象.
环形燃烧室如图
图2
一、燃烧模型
燃烧模型考虑氢气和空气的化学反应,化学反应中的生成物和产生的能量分别在元素和能量守恒方程式中的源项中给出,从而使支配方程式封闭. 在数值燃烧模拟中,比较成熟和被广泛采用的燃烧模型包括涡破碎模型(eddy2break2up) [4 ] 和阿累尼乌斯有限反应速率模型(Arrhenius finite reaction rate) [5 ] . 涡破碎模型适合于反应物的紊流扩散和混合起支配作用的化学反应过程,而阿累尼乌斯有限反应速率模型则适合于化学反应动力学为支配因素的化学反应过程. 因此,在微型发动机的燃烧过程中,采用阿累尼乌斯有限反应速率模型即
A 、α和β为模型常数; mfu 和mox 为燃料、空气质量分数;
E为化学反应的活化能;ρ、T 和R为密度、温度和气体常数.
二、燃烧模拟
由于以光刻技术为基础的微加工方法更适合于二维或准二维结构的几何形状,同时从减少传热损失的考虑出发,本文选择了“炸面包圈”式的环形燃烧室作为模拟计算的对象. 选择氢气作为燃料,理想配比下氢气与空气燃烧的化学反应方程式为
H2 +12(O2 + 3. 76 N2) = H2O + 1. 88N2 (1)
在数值模拟中,流动和燃烧反应由质量、动量、能量和化学组分的守恒方程描述, 并与燃烧反应模型联立求解. 选择粘性层流流动模型,以张量表示的支配方程一般形式为
ρ为燃气混合物的密度; ui 为i 方向的速度分量;t 为时间间隔; < 可表示为下列各个变量:1) 3 个方向的速度分量;2) 化学元素mi 的质量分率;3) 焓h. 各
个变量的扩散系数Γ< 和源项S < 的表达式在表1 中列出,其中Sc 为Schmit 数; Hc 为燃烧热; Pr 普朗特数。
同时还可以得到一些燃烧室的基本参数如下：
三、边界条件及其计算方法
在数值计算中,氢气和空气的进口速度由质量流率给出,各个变量的出口条件由背压(大气压) 及质量守恒决定,壁面采用无滑移速度,考虑对流和辐射传热损失. 采用CFD 软件包FLUENT 进行模拟,采用非结构式网格,在计算过程中收敛条件规定各个支配方程迭代计算的余量至少小于10- 4 .
影响燃烧的因素主要有: 燃烧室的形状和尺寸;燃料种类;质量流率;燃料空气比;壁面材料. 在模拟中分别选择了不同的燃烧室尺寸、质量流率、燃空比和壁面材料以分析这些因素对燃烧的影响情况. 最后通过模拟计算的结果可以做出燃烧室出口平均温度在不同燃空比下模拟结果，传热和辐射损失对燃烧室最高温度和平均温度影响的模拟的模拟结果.
通过模拟还可以模拟得到的A型燃烧室通过中心横截面上的温度场分布模拟结果如下图所示：
通过这些计算的结果分析就可以得到燃烧室在这种状态下的一些模拟参数为燃烧室的开发提供新的技术支持，可以减少计算量以及可以合理的设置实验参数。