甲烷燃烧的数值模拟
微燃烧室内甲烷燃烧的数值模拟
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１１ 燃 烧器 结构 ．
微燃烧器采用的燃烧 室长为 １ １ｍ，宽为 ６ ０Ｔ ｉ ｍｍ，高 为 ０ ．ｍｍ，计算 中采用均匀网格，如 图 １ ８ 所示 。
和二氧化碳的质量百分 比浓度分布 ，图 ３给 出了不同流
量下微燃烧 室内的温度分布 。对应不 同的流量 ，初始 条 件相 同的 甲烷和 氧气的混合气在 微燃烧室 内的燃烧情 况
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｍ ｉｒ ｃ ｃ ｏ ｏｍ ｂ ｔ ｒ ｃ ｍ ｂｕ ｔｏ ｕｓｏ ； ｏ ｓｉ ｎ； ＦＬＵ ＥＮ Ｔ ｏｆｗ ａｅ；ｎｕ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａ ｉｎ ｓ ｔ ｒ ｍ ｒｃ ｌｓｍ ｔ ｔｏ
自２ ０世纪 ８ ０年代以来， 微机 电系统 （ ＭＳ ｍｉ ｏ ＭＥ ： ｃ — ｒ ｅ ｃ ｏｍｅｈｎｃｌｙｔ ）迅速发展，在航 空、航天 、汽 ｌ ｔ — ｃａ ｉ ｓ ｍｓ ｅｒ ａｓ ｅ
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一
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组分守恒方程 ：
（１ ＝ 一 ｐ， ）
气体状 态方程 ：
＝ ｐ （） ５
式 中：Ｐ 为密度；ｆ 为时间；Ｕ 方 向的速度；Ｘ 方 向坐 ｉ 为ｉ ｉ 为ｉ
基于fluent的甲烷燃烧二维模拟分析
基于fluent的甲烷燃烧二维模拟分析陈飞 1434422(同济大学汽车学院，上海)摘要: 目前，由于环境污染和排放法规的日趋严格，降低排放已经成为了汽车工业的重点，而寻求清洁的替代燃料是一种较为有效的解决办法。
甲烷属于可再生气体燃料，可以实现与空气的良好预混，利用fluent进行甲烷燃烧的数值模拟进行仿真分析。
Fluent提供了涡耗散模型用于求解燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流控制的单步或双步总包燃烧反应。
根据模拟结果分析甲烷作为车用替代燃料的可行性。
关键词: 替代燃料；燃烧的数值模拟；甲烷燃烧；fluent仿真1. 引言燃烧是燃料与氧化剂之间的发光发热的化学反应，根据反应前各组分的分布，可以分为预混燃烧，扩散燃烧和部分预混燃烧。
其中预混燃烧较多的应用于汽车工业的车用汽油发动机。
目前，由于环境污染和排放法规的日趋严格，降低排放已经成为了汽车工业的重点，而寻求清洁的替代燃料是一种较为有效的解决办法。
1.1. 燃烧的数值模拟燃烧的数值模拟是通过CFD软件实现对实际燃烧过程的仿真模拟，求解流畅流动特性及其混合特性，温度场、组分浓度场以及颗粒和污染物排放等，从而提供实际燃烧过程的参考，对于产品研发，科学研究都有很大的意义。
燃烧的数值模型主要运用模拟软件根据燃烧模型进行仿真，目前可用于燃烧数值模拟的软件有FLUENT,STAR-CD,CHEMKIN,KIVA等。
燃烧模型主要根据不同燃烧的特点设置求解参数，包括如下内容：稀疏相模型、输运控制方程、燃烧模型、辐射换热模型、污染物模型。
Fluent提供了涡耗散模型用于求解燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流控制的单步或双步总包燃烧反应。
其中对于反应r中的物质i的产生速率由下面两个式子给出：（1.1）（1.2）式中，——任何一种产物的质量组分；——某种产物的质量组分；——经验常数4.0；——经验常数0.5。
1.2. 甲烷性质介绍甲烷在自然界的分布很广，甲烷是最简单的有机物，是天然气，沼气，坑气等的主要成分，俗称瓦斯。
甲烷二次燃烧火焰传播速度的数值模拟研究
甲烷二次燃烧火焰传播速度的数值模拟研究史增凯;席文雄;金星;张玉坤【摘要】二次燃烧是常见热力设备和高速推进燃烧室内的重要现象,但目前对二次燃烧的研究较为匮乏.为了研究当量比、甲烷添加量对二次燃烧自点火火焰传播速度的影响情况,论文利用CHEMKIN软件中火焰速度反应器模拟研究了向不同当量比(0.3～0.9)甲烷/空气一次燃烧产物中添加不同量(摩尔分数0.02～0.24)甲烷时的自点火火焰传播速度.研究表明当量比主要是通过影响尾气温度和一次燃烧产物中富余氧气来影响火焰传播速度,而甲烷添加量会影响二次燃烧时局部当量比,局部当量比在1附近时火焰传播速度最大.%Secondary combustion is a common phenomenon in thermal equipment and high-speed propulsion combustion chamber, but the current studies on the secondary combustion are relatively deficient. In order to study the effects of equivalence ratio and added methane on the flame propagation velocity of secondary flame, this paper simulates the combustion process of secondary combustion at different equivalence ratios (0. 3～0. 9) and different molar fractions of added methane (0. 02～0. 24) by using the flame velocity reactor of CHEMKIN, and achieves the flame propagation velocity. The results show that the equivalence ratio affects the flame propagation velocity mainly through influencing the temperature and remaining oxygen of the primary combustion products. Moreover, the amount of added methane can affect the local equivalence ratio of secondary combustion, and the maximum of flame propagation velocity occurs when the local equivalence ratio is around 1.【期刊名称】《机电产品开发与创新》【年(卷),期】2018(031)002【总页数】3页(P52-54)【关键词】二次燃烧;自点火;当量比;火焰传播速度【作者】史增凯;席文雄;金星;张玉坤【作者单位】航天工程大学激光推进及其应用国家重点实验室,北京 101416;航天工程大学激光推进及其应用国家重点实验室,北京 101416;航天工程大学激光推进及其应用国家重点实验室,北京 101416;航天工程大学激光推进及其应用国家重点实验室,北京 101416【正文语种】中文【中图分类】V231.20 引言二次燃烧自点火是常见热力设备和高速推进燃烧室内的重要现象，在能源、材料、推进领域中有着广泛的应用[1～3]。
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%。
甲烷燃烧温度随过剩空气系数变化数值模拟
甲烷燃烧温度随过剩空气系数变化数值模拟李振;李佳璇【摘要】采用Fluent软件的ED燃烧模型对不同过剩空气系数α下圆柱空腔内甲烷燃烧进行二维稳态模拟,得出其温度场的变化规律.圆柱空腔长2m,直径为0.6m,保持燃烧器额定功率230 kW不变,即保持燃气的喷射速度不变,保持燃气与空气的温度不变,使α在1.05～1.80范围内变化.结果表明:α对于甲烷燃烧的最高燃烧温度具有明显的影响,最高燃烧温度随α增大呈线性逐渐降低;改变α后最高燃烧温度均出现在x=1.2m左右,在此之前燃烧温度呈二次函数增长,在此之后燃烧温度呈线性缓慢减小并保持平稳,这表明α只影响炉膛内最高燃烧温度的值及高温区的范围,不能影响炉膛内温度的变化趋势.【期刊名称】《煤气与热力》【年(卷),期】2019(039)001【总页数】5页(P38-42)【关键词】过剩空气系数;圆柱空腔燃烧;温度场;二维稳态数值模拟【作者】李振;李佳璇【作者单位】山东省冶金设计院股份有限公司,山东济南250101;山东建筑大学热能工程学院,山东济南250101;山东济华燃气有限公司,山东济南250101【正文语种】中文【中图分类】TK224.11 概述目前，除了实验方法研究燃烧，还有一种比较好的方法，就是利用计算流体力学进行数值模拟。
计算流体力学(CFD)是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组，并且对上述现象进行过程模拟。
CFD可用来进行流体力学的基础研究、复杂流动结构的工程设计，了解在燃烧过程中的化学反应，分析实验结果等[1-2]。
其基本特征是数值模拟和计算机实验。
Fluent是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序，是一种比较常用的CFD软件。
Fluent软件对预混及非预混等各种复杂的燃烧问题有比较好的研究效果，尤其是内置的化学反应模型自诞生以来一直占据着非常重要的地位[3-6]。
2 圆柱空腔燃烧的物理模型本数值模拟原本是三维几何模型，但是，考虑到以下原因：该三维模型为轴对称图形且具有旋转轴，Fluent软件提供了Axisymmetric Swirl的二维代替三维模拟的计算方式，二维模拟可以生成质量更高、数量更少的计算网格，我们采用二维对称轴旋转成三维的几何模型代替三维几何模型，获得了同等精度范围的模拟结果。
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！
微燃烧器内甲烷催化燃烧的数值模拟
吸收受颗粒大小 、 颗粒密实程度等多种因素的影响 , 要实现煤质的在线分析 ,还有大量工作要做 。 参考文献 :
量的能量储备 ,还是在能量转换与利用效率上都明 显地优于传统的化学电池 。例如 , 碳氢燃料提供的 储能密度约为 40～50 MJ / kg ,而目前普遍使用的 、 性 能最好的锂离子电池只有 0. 4 ～ 0. 5 MJ / kg 。因此 , 即使燃料的化学能只有 10 %转变为电能 , 碳氢燃料 提供的储能密度也超过电池 10 倍以上 。正是由于 碳氢燃料的廉价和高储能密度的优点 , 微型发电系 统和微型推进系统的研究已经成为最近几年美国国 防和能源高技术研究的重点投资之一 。麻省理工学 院、 加州大学伯克利分校 、 普林斯顿大学以及南加州 大学等分别在美国 NASA 、 国防部 ( DOD ) 和能源部 (DOE) 的支持下进行了微型火箭 , 微型透平机和以 燃烧方式直接发电等动力微机电系统 ( Power MEMS) 的研 究 , 并 取 得 了 初 步 的 成 果 。日 本 也 把 动 力 MEMS 的研究列入新能源开发机构 ( NEDO) 的研究 计划之中 。 基于燃烧的动力 MEMS 中 , 如何实现微尺度条 件下燃料的持续稳定燃烧是制约系统成败的关键因 素之一 。在微尺度燃烧中 ,由于燃烧器尺度的减小 ,
k =1 j =1 K s N +N
g
2 物理模型和数学模型
计算中采用的物理模型是一个二维的有逆流换 热的 U 形通道反应器 , 计算中采用均匀网络 ( 见图 1) 。反应器长度为 10 mm ,通道宽度为 2 mm ,催化表 面为外径 2 mm 的外圆柱面 , 其上镀上一层 Pt 催化 剂 。催化表面置于燃气和烟气通道的交汇处 , 燃气 在催化表面着火燃烧 。本文联合使用 FLUENT[1 ] 和 DETCHEM[2 ] 数值模拟了甲烷/ 空气混合物在通道宽 度为 2 mm 、 长为 10 mm 、 布置不同催化剂表面微燃烧 器的燃烧过程 。
微通道壁面传热对甲烷催化燃烧影响的数值模拟
微通道壁面传热对甲烷催化燃烧影响的数值模拟近年来，由于石油资源的减少、环境污染的加剧以及全球能源安全的日益受到重视，研究甲烷催化燃烧技术的发展受到越来越多的关注。
由于甲烷催化燃烧的反应机理十分复杂，研究者们对甲烷催化燃烧反应的实验研究仍然处于探索阶段。
将甲烷催化燃烧及其影响机制以数值模拟方式进行探究，可以进一步深入地了解其反应过程及详细的物理机制，从而更有效地设计出更先进的催化剂和工艺条件，结合试验数据，系统地实现对燃烧机理的研究。
其中，微通道壁面传热对甲烷催化燃烧的影响是相当重要的，它影响着反应的动力学，可以改变反应的温度及燃烧比例，控制燃烧方式及产物组成，因此就有必要以数值模拟的方式来进行研究。
本文将以《微通道壁面传热对甲烷催化燃烧影响的数值模拟》为标题，详细地阐述甲烷催化燃烧微通道壁面传热的影响，并且采用数值模拟方法进行研究，为今后甲烷催化燃烧技术的发展提供理论指导。
首先，本文介绍了微通道燃烧的一般原理及基本数学方程，其中包含了热传导方程、质量守恒方程以及动量守恒方程。
然后，详细地介绍了微通道壁面传热对甲烷催化燃烧影响的数学模型，包括壁面传热系数的求解，燃烧速率与温度的关系，及壁面传热对反应活化能等参数的影响。
此外，文章还将数值模拟方法应用于甲烷催化燃烧微通道壁面传热影响的研究，并以一个简化的催化燃烧实验数据为示例，模拟了反应过程的温度分布，模拟结果表明，壁面传热对甲烷催化燃烧反应的影响极其重要，可以有效地提高燃烧速率及改善温度分布。
最后，文章以数值模拟的方法深入研究了甲烷催化燃烧微通道壁面传热对燃烧机制的影响，并给出了详细的模拟结论。
本文研究提示，微通道壁面传热对甲烷催化燃烧有重要影响，应当在设计及优化催化剂和反应条件时得到充分的考虑，以期获得良好的燃烧性能。
因此，本文的数值模拟研究结果可以为甲烷催化燃烧技术的发展提供理论指导，以及为今后研究者研究甲烷催化燃烧机理提供有价值的参考。
本文最后总结了围绕微通道壁面传热对甲烷催化燃烧机理影响的数值模拟研究，指出了微通道壁面传热对甲烷催化燃烧性能的影响，以及此类模拟研究将会为甲烷催化燃烧技术的发展提供有效的科学依据。
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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%。
图16甲烷入口边界条件
甲烷入口的速度为19.1m/s，温度为300K。
图17炉膛出口边界条件
图18炉膛壁面边界条件
炉膛壁面的边界条件设置为steel钢。
一般fluent软件中避免材料默认设置为铝，考虑到铝的熔点温度为660℃，甲烷在炉膛中燃烧的温度可能很高，炉膛存在融化的危险，为了让模拟条件尽量接近真实的条件，所以选用钢材料，普通钢的熔点为1500℃。
8、求解方法设置及控制
求解参数设置压力速度耦合求解方式选择“SIMPLE”，Discretization对应的压力离散方式选择“Standard”，其他离散方式选择“QUICK”。
QUICK格式一般用于四边形/六面体时具有三阶精度，用于杂交网格或三角形/四面体时只具有二阶精度，比second-order upwind有更高的精度。
图19求解方法设置
将入口的甲烷温度和空气温度设为初始值为300K，开始迭代，迭代1000步。
9、模拟结果
可以看到模拟结果较符合甲烷在炉膛内燃烧时的温度分布，火焰成本生灯状。
并在下面列出速度分布图和各个成分的摩尔质量图。
图20温度分布图
图21速度分布图
图22甲烷摩尔质量
图23氧气摩尔质量
图24氮气摩尔质量
图25水的摩尔质量
图26二氧化碳的摩尔质量
二、分析与对比
1、改变计算模型
将原来的稳态模型，改为非稳态模型，非稳态方程选择默认的1st-Order Implicit。
可以从下图中看到，整个炉膛内的温度呈均匀分布，没有燃烧反应进
行。
由于没有燃烧反应进行，炉膛中的水和二氧化碳都没有生成。
图27计算模型选项图
图28温度分布图
图29速度分布图
图30甲烷摩尔质量
图31氧气摩尔质量
图32氮气摩尔质量
图33二氧化碳摩尔质量
2、改变求解方式
保持求解参数设置压力速度耦合求解方式选择“SIMPLE”，Discretization 对应的压力离散方式选择“Standard”。
而将其他离散方式改为“First Order Upwind”一阶迎风。
已知Quick格式一般用于四边形/六面体时具有三阶精度，用于杂交网格或三角形/四面体时只具有二阶精度，比second-order upwind有更高的精度。
First Order Upwind格式具有较好的收敛性但是精度低，在模型简单的结构网格计算上，first-order解算精度与second-order区别不大。
所以本模型尝试使用First Order Upwind来计算。
下图将对比使用First Order Upwind格式计算与使用Quick格式计算的结果，燃烧温度分布和速度分布没有太大的不同，所以主要比较氧气、氮气、水和二氧化碳生成的模拟结果。
可以看到使用First Order Upwind格式计算，燃烧生成物扩散的更大。
图34求解方式选项图
图35氧气摩尔质量对比图（右边为first-order格式计算）
图36氮气摩尔质量对比图（右边为first-order 格式计算）
图37水的摩尔质量对比图（右边为first-order 格式计算）
图38二氧化碳摩尔质量对比图（右边为first-order 格式计算）
First Order Upwind
Mass Flow Rate (kg/s)
----------------------------------------------------
air-inlet
0.018060772outlet -0.01897534
------------------------------------
Net -0.00091456872
三、结论
从上面的模拟结果可以看出，氧气和甲烷在燃烧的前半段基本反应完毕，氮气的生成主要在火焰的中间区域，二氧化碳和水的生成区域相似。
从比较和分析中可以看出，对大多数的简单模型，First Order Upwind格式的计算已经足够了，选用其他的格式计算并不一定能够提高精度和速度。
在Fluent的模拟计算中，选择合适的计算模型和求解方式对最后的模拟结果有很大的影响。
又由于这种影响的随机性喝不确定性，使模拟的可信度降低，只有和实验多做对比，更多的累积经验，才能提高模拟的准确性和可信度。