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。在混合（mixing ）速率方法中，混合速率和涡的时间尺度, k /ε.有关，其物理意义为化学反应受限于湍流导致的组分和热量的混合速率。J i 表达如下：

6－3

● 计算所需参数包括：（i ）组分及其热力学参数值；（ii ）反应及其速率常数值。其中，FLUENT 提供了一个混合物组分的数据库可供查找选用，另外也提供了一个化学反应机理以及组分热力学性质的数据库可供查找选用。 ● 有限速率模型的优缺点：

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（即Da>>1）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

6.3.3 守恒标量的PDF 模型

∑=k

jk

j R R

● 守恒标量的PDF 模型仅适用于扩散（非预混）燃烧问题，该方法假定了反应是受混合

速率所控制，即反应已达到化学平衡状态，每个单元内的组分及其性质由燃料和氧化剂的湍流混合强度所控制。其中涉及的化学反应体系由化学平衡计算来处理（利用FLUENT 的组件程序PrePDF ）。

● 该方法通过求解混合物分数及其方差的输运方程获得组分和温度场，而不是直接求解组

分和能量的输运方程。

其中

● 混合物分数的定义：

其中Z k 代表元素k 的元素质量分数，下标F 和O 分别代表燃料和氧化剂的进口值。 对于简单的燃料/氧化剂体系，每一计算单元内的混合物分数代表了该单元内的燃料质量分数。由于混合物分数是守恒标量，因此在求解输运方程时不再考虑反应源项。

● 在该方法中，化学反应认为足够快，体系中的组分立刻达到平衡状态。化学平衡组分在

混合物空间的分布可示意如下：

● 化学反应和湍流之间的相互作用采用几率密度函数（PDF ）的方法进行处理：

O

k F k O k k Z Z Z Z f ,,,--=

上图代表了几率密度函数p （V ）的定义，因此在混合物分数空间，f ，标量的时均值

可由下式计算：

df f f p i i )()(1

φφ⎰=

其中时均标量i φ可以是组分浓度、密度或温度。

● 守恒标量PDF 模型的优缺点：

优点：可以预测中间组分的浓度，可以考虑流动中的耗散现象，可以考虑化学反应与

湍流之间的相互作用。该方法不需求解大量的组分和能量的输运方程，因而可以缩短计算时间。

缺点：研究的流动体系必须接近于局部化学平衡状态，且不能用于非湍流流动，同时

亦不能处理预混燃烧问题。

6.3.4 层流火焰面模型

● 层流火焰面模型的基本思想是把湍流扩散火焰看作是层流对撞扩散火焰面的系综。该方

法可以看作是守恒标量PDF 模型的一个扩展，它可用于处理非化学平衡状态的体系，即可以利用化学反应动力学的方法处理反应流。

● 不同于守恒标量PDF 模型，标量是混合物分数和标量耗散率的函数，而非混合物分数

的函数：

指定混合物分数f 的PDF 符合β函数分布，标量耗散率χ的PDF 符合狄拉克－δ函数分布，因此，时均标量值可以通过在f 和χ空间求标量的统计平均来得到（即，考虑化学反应与湍流的相互作用）：

● 层流火焰面模型的计算过程如下：

（1）计算不同标量耗散率下，标量在混合物分数f 空间的分布，即求解火焰面方程， 组分方程为：

∑∞→=∆i

i T T V V p τ1

lim

)()

,(χφφf i i =⎰⎰∞

⋅=100

)()(),(df

d P f P f f i i χχχφφχ（6-4）

（6-5）