fluent燃烧教程讲义.ppt
FLUENT算例 (9)模拟燃烧.pptx
⑥ 在 Hydraulic Diameter 项输入燃烧筒直径 0.45
⑦ Species Mass Fractions 项均为常数，且在 O2 项输入 0.22 ⑧ 点击 OK
3
设定燃料进口边界条件
① 在 Zone 项选择 inlet_fuel ② 确定 Type 项为 velocity-inlet ,点击 Set,打开燃料速度入口边界设
② 确定在 Type 项为 velocity-inlet
③ 在 Velocity Magnitude 项输入空气入口速度 0.5 ④ 在 Turbulence Specification Method 项选 Intensity and Hydraulic
Diameter
⑤ 在 Turbulence Intensity 项输入 10
第 3 步 设置边界类型并输出文件
1
设置甲烷速度入口边界
① 在 Action 项为 Add
② 在 Name 项填入边界名 inlet-fuel
③ 在 Type 项选择 WELOCITY_INLET
④ 点击 Edges 右侧黄色区域
⑤ 按住 Shift 键点击 AC 线段
⑥ Apply
2
设置空气速度入口边界
③ 在 Thermal 选项卡中 Thermal Conditions 项 选择 Heat Flux
④ 在 Heat Flux 项保留默认的零值
⑤ 保留其他默认设置，点击 OK
第 5 步 初始化流场并求解
1 设置求解控制参数 ①打开求解控制参数设置对话框，在 Under-Relaxation Factors 项，设
学海无 涯
Fluent 是目前国际上比较流行的商用 CFD 软件包，在美国的市场占有率为 60%，凡 是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先 进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮 机设计等方面都有着广泛的应用。
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。
第三章fluent仿真有限速率燃烧模型ppt课件
3、有限速率/涡耗散模型
• 简单结合了Arrhenius公式和涡耗散方程。 • 避免预混燃烧中，ED模型出现的提前燃烧问题。
有限速率/涡耗散模型
• 同时计算Arrhenius公式和涡耗散方程；
Ri,r
' i,r
M
w,i
AB
k
p Yp
M N ''
j j,r w, j
• 净反应速率取两个速率中的较小值。
EDC模型的使用
• 适用条件：湍流，低Da数，预混、非预混和 部分预混燃烧；
• 案例： （1）湍流反应中的预混合有限比例现象； （2）CO的缓慢燃烧； （3）NOx的形成. • 限制条件： 占用CPU资源较多，默认使用ISAT算法加速
EDC模型FLUENT设置
1、选择EDC模型
容积比例常数 时间比例常数
• 快速燃烧假设：化学反应速率与湍流混合（扩散） 速率相比无穷快，即湍流燃烧过程由燃料和氧化 剂的混合过程控制。
• 整体反应速率由湍流混合控制； • Damkohiler数：
涡耗散模型概述
• 非预混火焰中：湍流“缓慢地”通过对流作用， 使燃料和氧化剂进入反应区，在反应区内快 速地燃烧；
• 非预混火焰中：湍流作用使冷的反应物和热 的生成物进入反应区，在反应区快速地燃烧；
•
' i,r
•
'' i,r
反应r中反应物i的化学计量数 反应r中生成物i的化学计量数
涡耗散模型理论
Ri,r
' i,r
M
w,i
AB
k
p Yp
M N ''
j j,r w, j
• 反应速率由大涡混合时间尺度 k / 控制， 只要出现 k / >0的情况，燃烧即可进行， 故不需要点火源；
第五章fluent预混燃烧模型ppt课件
1、预混模型理论
• 火焰前锋的传播：预混燃烧时，火焰发生在一个 非常薄的火焰层中，火焰前锋移动时，未燃反应 物燃烧变为产物，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
预混燃烧--Zimont模型
•
反应进程变量c：c
Yp
/
Y
ad p
p
p
Yp：当前产物的质量分数；
Ypad ：完全绝热燃烧后产物的质量分数；
预பைடு நூலகம்模型总结
• 适用条件
湍流 快速化学反应 只有预混合
• 限制条件
不能模拟运动学细节中的实际现象 （如点燃、熄灭和低Da数）。
实例演练四：预混燃烧
混合燃料入口2
混合燃料入口1
烟气出口
湍流长度尺寸常数CD 湍流火焰速度常数A
拉伸系数 湍流施密特数Sct
拉伸系数
• 为了考虑火焰面拉伸所导致的吹熄现象，在 反应源项中乘以一个拉伸因子 G，即GSC ：
其中：
• 以上各式中出现的一些常数值在FLUENT默认条件下为：
A=0.52，CD=0.37，μstr=0.26， Sct =0.7
温度的计算
• 关键：捕获湍流火焰速度，受层流火焰速度和湍流的 影响。
预混模型使用限制
• 必须使用非耦合求解器； （define-models-solver: Pressure based） • 只对湍流、亚音速模型有效； • 不能和污染物模型（如NOx）一起使用； • 不能模拟离散相粒子的反应，只有惰性粒
子才能与预混模型一起使用。
的情况。
3、FLUENT相关设置
1、选择预混模型
2、确定绝热或非绝热
（如果有fluent材料库 中的模型，可以首先选 择一种）
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。
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 jR jkk6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 breakup ”速率的方法求解。
ffluent燃烧（预混、非预混）
ffluent燃烧（预混、非预混）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：通用有限速度模型主要用于：化学组分混合、输运和反应的问题；壁面或者粒子表面反应的问题（如化学蒸气沉积）。
Fluent 模拟燃烧
3
混合状态
反应机制
甲烷在空CH4 +3O2 =2CO+4H2O 2CO +O2 = CO2
甲烷完全燃烧 甲烷不完全燃烧
模拟过程中，假设燃料完全燃烧成CO2和H2O
流动条件
甲烷在空气的燃烧
层流
· 各项参数（速度等）稳定 · 低雷诺数
湍流
· 局部参数脉动 · 高雷诺数
甲烷在空气的燃烧
混合状态
非预混火焰：
有限速率化学反应
求解过程中采用的方程为涡耗散模型
访谈结果与析
☞ 模拟结果
燃烧器内，甲烷从开始点燃到趋于稳定过程中温度的变化
☞ 模拟结果
空气：0.5m/s，300k
■
甲烷 :80m/s,300k
甲烷含量监测点
☞ 模拟结果
监测点处，甲烷浓度的变化值
总结与分析
实例概述
图中所示为甲烷火焰燃烧器，
主要用于处理污水厌氧过程中 产生的沼气. 甲烷燃烧器多为圆柱型，甲烷 从中间喷口进入.
模型建立
模拟 计算 区域
空气：0.5m/s，300k
甲烷 :80m/s,300k
网格模型
中间区域及左侧喷嘴附近的区域 在计算过程中需要较密的网格
☞ 模拟机理
1
反应机制
2
流动条件
甲烷燃烧器的优化
• 燃烧器尺寸的优化
不足
• 模拟过程中将燃烧器的桶壁考虑成 绝热，计算过程中，器内部温度要 大于实际过程中的温度.
•
进气速度的确定
谢谢！
fluent教程 第五章燃烧模拟.ppt
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
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 /.
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。
该模型用来处理系统中同时具有非预混和充分预混的情况。 该方法同时求解了混合分数和反应进展变量
©燃烧
计算流体与传热传质
有限化学反应速率模型设置
热科学与能源工程系 2003年10月
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:
粉煤与喷油燃烧子模型
辐射模型: DTRM, P-1, Rosseland 和Discrete Ordinates (V5)
湍流模型: k-, RNG k-, RSM, Realizable k- (V5) and LES (V5)
污染物排放模型: NOx with reburn chemistry (V5) and soot
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
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