FLUENT算例 (9)模拟燃烧

计算流体力学作业FLUENT 模拟燃烧

问题描述：长为2m、直径为0.45m的圆筒形燃烧器结构如图1所示，燃烧筒壁上嵌有三块厚为0.0005 m，高0.05 m的薄板，以利于甲烷与空气的混合。燃烧火焰为湍流扩散火焰。在燃烧器中心有一个直径为0.01 m、长为0.01 m、壁厚为0.002 m的小喷嘴，甲烷以60 m/s的速度从小喷嘴注入燃烧器。空气从喷嘴周围以0.5 m/s的速度进入燃烧器。总当量比大约是0.76(甲烷含量超过空气约28%)，甲烷气体在燃烧器中高速流动，并与低速流动的空气混合，基于甲烷喷嘴直径的雷诺数约为5.7×103。

假定燃料完全燃烧并转换为:CH4+2O2→CO2+2H2O

反应过程是通过化学计量系数、形成焓和控制化学反应率的相应参数来定义的。利用FLUENT的finite-rate化学反应模型对一个圆筒形燃烧器内的甲烷和空气的混合物的流动和燃烧过程进行研究。

1、建立物理模型，选择材料属性，定义带化学组分混合与反应的湍流流动边界条件

2、使用非耦合求解器求解燃烧问题

3、对燃烧组分的比热分别为常量和变量的情况进行计算，并比较其结果

4、利用分布云图检查反应流的计算结果

5、预测热力型和快速型的NO X含量

6、使用场函数计算器进行NO含量计算

一、利用GAMBIT建立计算模型

第1步启动GAMBIT，建立基本结构

分析：圆筒燃烧器是一个轴对称的结构，可简化为二维流动，故只要建立轴对称面上的

二维结构就可以了，几何结构如图2所示。

(1)建立新文件夹

在F盘根目录下建立一个名为combustion的文件夹。

(2)启动GAMBIT

(3)创建对称轴

①创建两端点。A(0,0,0)，B(2,0,0)

②将两端点连成线

(4)创建小喷嘴及空气进口边界

①创建C、D、E、F、G点

C D E F G

x 0 0.01 0.01 0 0

y 0.005 0.005 0.007 0.007 0.225

②连接AC、CD、DE、DF、FG。

(5)创建燃烧筒壁面、隔板和出口

①创建H、I、J、K、L、M、N点（y轴为0.225，z轴为0）。

H I J K L M N

x 0.500 0.505 1.000 1.005 1.500 1.505 2.000

②将H、I、J、K、L、M、N向Y轴负方向复制，距离为板高度0.05。

③连接GH、HO、OP、PI、IJ、JQ、QR、RK、KL、LS、ST、TM、

MN、NB。

(6)创建流域

将以上闭合线段创建为面。

第2步对空气进口边界进行网格划分

（1）划分甲烷进口边界为等距网格

①点击Edges右侧黄色区域

②按下Shift+鼠标左键，点击AC线段

③Type选Successive Ratio,Radio 选1

④在Spacing下面白色区域右侧下拉列表中选择Interval count

⑤在Spacing下面白色区域内填入网格的个数5

⑥保留其他默认设置，点击APPLY

（2）划分空气入口边界为不等距网格

①选择FG线时，若线段方向由F指向G，则按住Shift键，用鼠标中

键点击FG线段，使线段方向由G指向F。

②在Type项选择Exponet

③在Ratio项输入0.38

④Spacing选择Interval size 并输入0.005

⑤点击APPLY

（3）划分小喷嘴壁面为等距网格

①把CD、EF线段划分为网格数为4的等距网格

②把DE线段划分为网格数为3的等距网格

（4）划分燃烧器出口边界为等距网格

把燃烧器出口边界BN划分为35个等距离网格。

（5）划分燃烧器壁面为网格

燃烧器壁面由GH、IJ、KL、MN组成

①在Edges项选择GH、IJ、KL、MN

②在Type项选择Bi-exponent,在Ratio项输入0.55

③在Spacing项选择Interval count，并输入62

④Apply

（6）对壁筒上的三个隔板进行网格划分

①把六个竖直边HO、IP、JQ、KQ、LS、MT分别划分为10个等距网格

②把三个横边OPQRST分别化为2个等距网格

（7）对整个计算域进行面网格划分

①点击Face右侧黄色区域

②按下Shift+鼠标左键，点击面上的边线

③在Elements选择Quad

④在Type项选择Pave

⑤在Spacing项选择Interval size,并输入网格间距0.008

⑥Apply

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

⑥Apply

（2）设置空气速度入口边界

①在Name 项填入边界名inlet-air

②在Type项选择WELOCITY_INLET

③在Edges项选择FG线段

④Apply

（3）设置压力出流边界

①在Name 项填入边界名outlet

②在Type项选择PRESSURE_OUT

③在Edges项选择BN线段

④Apply

（4）设置对称轴边界

①在Name 项填入边界名axis

②在Type项选择axis

③在Edges项选择AB线段

④Apply

（5）设置小喷嘴的边界类型

①在Name项填入边界名zozzle

②在Type下选择WALL

③在Edges项选择CD、DE、EF

④点击apply

（6）输出网格文件

①在File Name项确认文件名

②选择Export 2-D(X-Y)Mesh