第六章,FLUENT中的燃烧模拟
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。
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。
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算例模拟燃烧
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 m，高 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 m、长为 m、壁厚为 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 m/s的速度进入燃烧器。
总当量比大约是(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×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，z轴为0）。
②将H、I、J、K、L、M、N向Y轴负方向复制，距离为板高度。
③连接GH、HO、OP、PI、IJ、JQ、QR、RK、KL、LS、ST、TM、MN、NB。
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软件的燃烧模型介绍
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。
Fluent软件模拟计算煤粉燃烧的机理及其模型实现的方式
2010 年第 11 期
丁历威， 等： Fluent 软件模拟计算煤粉燃烧的机理及其模型实现的方式
33
跟踪颗粒数=1×（Number of Tries） （1） 2.2 Group 类型
Group 类型是指煤粉颗粒按照直径分成多股 煤粉流， 每股煤粉流之间直径、质量、 流量、 位置 都各不同， 然后每股煤粉流按照 1 个 Single 类型 来处理， 所以该类型下 Fluent 跟踪的颗粒数为： 跟踪颗粒数=（Number of Group）×（Number of Tries）
（2） 2.3 Surface 类型
Surface 类型是指煤粉颗粒根据入口面网格分 成多股煤粉流。 每 1 个面网格相当于 1 个 Group， 所以该类型 Fluent 跟踪的颗粒数为：
跟踪颗粒数=（Number of Face）×（Number of Group）×（Number of Tries） （3）
率很慢， 扩散过来的氧量远远超过反应所需的氧 量， 这时燃烧速率与反应有关。
（2）当温度超过 1 400℃时， 由于化学反应速 率常数随着温度升高急剧增大， 致使反应所消耗 的氧量远远超过扩散过来的氧量， 这时燃烧速率 主要由氧气的扩散速度决定。
（3）当温度在 1 000~1 400℃之间 ， 燃烧速率 受到反应速率和氧气扩散速率双重影响。 1.4 灰分的吸热或者冷却（Fourth Law）
烧模型实现的方式。在详细说明煤粉单个颗粒燃烧每一步过程的含义和切换的条件后， 通过自编用户自
定义函数（UDF）深入研究了煤粉燃烧模型中颗粒跟踪数计算的方法、 过程之间的切换、 过程与规 则之
间的关系、 颗粒生命周期内最多调用自定义规则的数目以及过程规则的调用机理， 并用示意图的方式
FLUENT中燃烧模拟计算的步骤和原则
FLUENT中燃烧模拟计算的步骤和原则6.7 FLUENT中燃烧模拟计算的步骤和原则, Start in 2D or 3D(1) 确定物理模型的应用范围，(2) 划分计算网格(必要时应根据初步计算结果调整网格疏密)，(3) 确定求解量和计算收敛判据。
, Boundary conditions(4) 燃烧问题通常对进口边界条件十分敏感，利用已知的(或合理的)速度和标量分布作为边界条件是必要的，(5) 壁面传热对于整个计算也是很重要的，若已知，应指定壁面温度，而非指定边界条件中的内部对流、辐射等。
, Initial conditions(6) 尽管稳态问题的解不依赖于初始条件，但很差的初始条件会导致问题不能收敛(由于输运方程的数量和非线性)，(7) 对一些燃烧问题，可先求解冷态问题，以此为初始条件求气相燃烧问题，再求解离散相问题，再求解有辐射的问题，(8) 对强旋流，应逐渐增加其涡旋度。
, Underrelaxation Factors(9) 松弛的效果是针对高度非线性问题的，, Decrease the diverging residual URF in increments of 0.1, 使用混合物分数PDF模型时应松弛密度(0.5), 对高浮力流应松弛速度, 对高速流动应松弛压力(10) 一旦获得稳定解，应尝试增加所有量的松弛因子以尽可能地接近默认值。
, Discretization(11) 首先以一阶精度的方法离散控制方程，收敛后再以二阶精度离散以提高计算结果的精度，(12) 对三角形或四边形网格，二阶离散是尤为必要的。
, Discrete Phase Model为增强计算的稳定性，应(13) Increase number of stochastic tracks (or use particle cloud model)(14) Decrease DPM URF and increase number of gas phase iterations per DPM, Magnussen model(15) 为有限速率/涡耗散方法(Arrhenius/Magnussen) 的默认方法，, 对非预混(扩散)火焰，应关闭有限速率方法选项, 预混火焰需要Arrhenius项，因此反应物早期不燃烧(16) 可能需要高温初始化/补丁(initialization/patch)，(17) 使用依赖于温度的等压比热C以减少高温时的不合理性。
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。
FLUENT中组分输运及化学反应燃烧模拟
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。
FLUENT中组分输运及化学反应 （燃烧）模拟
热科学与能源工程系 2003年10月
Temperature in a gas furnace
概要
应用 燃烧模拟简介 化学动力学 气相燃烧模型 稀疏相燃烧模型 污染物排放模拟 燃烧数值模拟步骤介绍
燃烧模拟
广泛应用与均相和非均相燃 烧过程模拟
燃烧炉 锅炉 加热器 燃气轮机 火箭发动机
求解内容
流场流动特性及其混合特 性
温度场 组分浓度场 颗粒和污染物排放
Temperature in a gas furnace CO2 mass fraction Stream function
燃烧模型概要
稀疏相模型
液滴/颗粒动力学 非均相反应 液化 蒸发
稀疏相模型
湍流颗粒弥散
随机轨道模型（Stochastic tracking） 颗粒云团模型（Particle cloud model） (V5)
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)
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燃烧案例
fluent燃烧案例
一个典型的fluent燃烧案例可以是用于模拟内燃机燃烧过程。
内燃机通过燃烧混合气体（通常是汽油或柴油）来产生动力。
利用FLUENT软件，可以模拟燃烧室内燃烧过程的流动和热
学性质，以及燃烧产物的生成和分布。
在该案例中，首先需要建立内燃机的几何模型。
这可以通过CAD软件绘制出引擎的各个部分，包括气缸、活塞、阀门等。
然后，将模型导入FLUENT中，并设置适当的边界条件和初
始条件。
接下来，需要定义燃烧模型。
根据燃料的类型和燃烧室的设计，可以选择适当的燃烧模型，如预混合燃烧模型、不完全燃烧模型等。
还需要输入燃料的物理性质参数，如燃烧温度、燃烧速率等。
然后，设置求解器和数值方法。
FLUENT提供了多种求解器
和数值方法，用于求解Navier-Stokes方程、能量守恒方程、
物质守恒方程等。
根据具体情况，选择合适的求解器和数值方法。
最后，进行模拟计算并进行后处理。
通过求解器和数值方法，可以得到燃烧室内流场、温度场和燃烧产物分布。
利用后处理工具，可以对这些结果进行可视化、统计和分析，以评估燃烧过程的效率和性能。
总之，上述案例展示了利用FLUENT进行内燃机燃烧过程模
拟的一般流程。
通过模拟和分析，可以优化燃烧室的设计，并预测燃烧产物的生成和分布，从而提高内燃机的燃烧效率和排放性能。
FLUENT中组分输运及化学反应燃烧模拟-PPT课件
f,c ) i i(
2 c ( f / x )
c 与当地应变率有关
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
层流火焰面模型(2)
用指定概率密度函数（PDF） P(f,c) 的方法来决定层流火焰面系综 。假定的概率包括计算为：Pf (f) Pc (c), 其中， Pf (f) 用Beta 函数， Pc (c) 用delta函数 1 f,c ) P f) P ( c ) d c df i i( f( c 只适合绝热系统（FLUENT V5） Import strained flame calculations
00
prePDF or Sandia’s OPPDIF code
Single or multiple flamelets
Single: Multiple:
user specified strain, a strained flamelet library, 0 < a < aextinction
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 :
R R j j k
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。
计算流体与传热传质
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。
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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。
在混合（ mixi ng ）速率方法中，混合速率和涡的时间尺度 / 5.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。
1-（叫+紛计算所需参数包括：（i ）组分及其热力学参数值；FLUENT 提供了一个混合物组分的数据库可供查找选用, 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6.3.3守恒标量的PDF 模型>扩散燃—2“eddy ,kJ i 表达如下：（ii ）反应及其速率常数值。
其中,另外也提供了一个化学反应机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， 分和能量的输运方程。
鲁（P严）+ V •（P®严）=7 ■（牛町**） + G M （bf ） -0彤¥严 + Sy其中/ 混合物分数的定义:其中Z k 代表元素对于简单的燃料/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：02 C02 N2而不是直接求解组制）+ W （厨）=Z k -乙,OZ k,F -Z k,ok 的元素质量分数，下标F 和0分别代表燃料和氧化剂的进口值。
H20 ■LH 匚汨co C LH2-r'P ■种ETO丄MET 】ODE-D]*.伽冲札0 DE-aiMixbuxt FnctiociTCHEMICAL EQUILIBRIUMINETAKJTANEOUS SPECBES COMPOSITIONfpf pyr V44Q ricHntlcif.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:P(V M V = lim —Z T iT 护T i上图代表了几率密度函数 可由下式计算：P (V )的定义，因此在混合物分数空间， f ，标量的时均值其中时均标量$i 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。
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 的函数：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(6-4)该方指定混合物分数布，因此，时均标量值可以通过在 反应与湍流的相互作用)：% "i ( f / )f 的PDF 符合B 函数分布，标量耗散率X 的PDF 符合狄拉克—5函数分 f 和X空间求标量的统计平均来得到(即，考虑化学—九vjj*i(f 7)卩 f (f )p/a )dZdf0 0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 组分方程为： (6-5)f 空间的分布，即求解火焰面方程,9Yi 11护X 住塑P 冠JPX 応丽+ -词閉肛訓等+呻能量方程为:arP从而得到标量随混合物分数和标量耗散率的变化关系，即式( 库文件的形式保存结果。
(2) 火焰面数据库文件也可由其它软件(如 CHEMKIN 的OPPDIF 生成)，若得到的库 文件为单标量耗散率，则需计算不同标量耗散率的库文件，最后将它们合并。
(3) 利用式(6-5)计算火焰面的PDF 库，从而得到时均标量随平均混合物分数和平均 混合物方差的变化关系。
(4) 利用3.3节的求解平均混合物分数及其平均方差的输运方程的方法，这两个量，然后再利用得到的PDF 库查找时均标量值。
6.3.5预混燃烧的Zimont 模型湍流预混燃烧的化学反应采用反应进度(Progress variable )，c ,进行表征，如下:C = 2 Y p /2 Y p adpp其中Y p 、Y p a d 分别代表当前和完全绝热燃烧后燃烧产物的质量分数，其取值范围在 到1之间，0代表未然混合物，1代表已燃混合物。
若用反应进度C 代表其平均值，则其输运方程可表达如下：a毎(期 + V* (pifc) = V*U t =A(u')3/4U l1/2a4/4l t 1/4=Au'(2)1/4dcp y. 1 SYi dT L 1 +漏似側-〒LePW 」吋勺［如诃-7?)在流场中计算上式中平均反应速率项如下求解：P 代表未燃物密度，U ,代表湍流火焰传播速度。
湍流预混燃烧的关键在于求解湍流火焰传播速度(位于湍流火焰表面的法线方向) 速度受两方面因素的影响：一是层流火焰传播速度，始温度，组分的扩散特性以及化学反应动力学特性； 以及由小涡决定的火焰表面厚度。
根据上述讨论， 表达为：度。
即决定于燃料和氧化剂的浓度、 二是有大涡决定的火焰皱褶和拉伸 FLUENT 中的湍流火焰传播速度可，该初6-4),并以火焰面数据J式中，A模型常数，U速度均方值，U层流火焰传播速度，a =k/PC p未燃物的分子导热系数，I t =C D U'3/&湍流长度尺度，旺=l t/u'湍流时间尺度，％=a/U|2化学反应时间尺度。
为考虑火焰拉伸所导致的吹熄（熄火）现象，在反应速率源项中可乘以一个拉伸因子,G,它代表了拉伸所导致火焰不熄火的概率：式中:以上各式中出现的一些常数值在FLUENT默认条件下为：A=0.52, C D=0.37,帥=0.26, B=0.5湍流预混火焰温度的计算：对绝热火焰，有：T 皀（1 - c）7tt+didT u代表未燃混合物的温度，T ad代表绝热条件下燃烧产物的温度。
对非绝热火焰，解如下的能量方程：訥+ V・（晒）=V・（护呵+ S T +Sg湍流预混火焰组分密度和浓度的计算：FLUENT利用理想气体状态方程求解密度，对绝热火焰，假定压力变化可以忽略，混合物平均分子量为常数，有卩皿-佝几其中下标b代表已燃物，下标u代表未燃物，求解量为P,已知量为T b, P, T u。
对非绝热火焰，有求解量为P,已知量为T （由上面的能量方程计算）对于组分浓度，则按下式计算：Y=Y u（1-c）6.3.6部分预混燃烧模型部分预混燃烧系统是指这样一种预混火焰，其燃料 /氧化剂之比不唯一。
FLUENT 中的部分预混模型是非预混模型（3.3和3.4节）和预混模型（3.5节）的结合。
预混燃烧的 反应进度，C ,决定了火焰前锋的位置，在火焰前锋的后面（ 守恒标量PDF 或层流火焰面模型的解；在火焰前锋的前面（ 度和密度由混合但未燃烧混合物分数来计算。
在火焰内部（ 物的线性结合的方法被使用。
部分预混模型求解平均反应进度C （以决定火焰前锋的位置）合物分数方差f'2的输运方程。
在火焰前面（c = 0），燃料和氧化剂混合但未燃烧，在 后面（c =1）,混合物已燃。
平均标量（如平均温度、密度和组分质量分数）可由如下的飒f©就/©甲"0=a 0在火焰很薄的假设下，由于存在未燃的反应物和已燃的产物，则平均标量可如下计算:6.3.7 PrePDF4.0 使用方法（以 FLUENT6.0 为例）（1） 开始 PrePDF在 WINDOWS2000 或 WINDOWS NT 环境下，用鼠标点击开始一 >程序一>Fluent Inc—>PrePDF4.02 （对 FLUENT6.0 版），贝9进入 PrePDF 环境。
（2） Allocate Memory首先为计算的问题设置数组空间和分配内存等，如下：Setup —>Memory Allocati onMemory AJIacation20 * M tlui^b«r or Specie »45 专 Maximum Number of r-mean Points22Maximum Numbtif Of f-VAT Pttirttl45 帯 Maximum number of EnthaJpv Points 45: Maximum t-Jumber vf Scalar Dis^ipAtion Point, in Adiabatic Flamelet PDF Table20 t Maximum tJumber of FlanteletaApply Close HelpMaximum Number of Sp ecies为PDF 表中最大物质数，默认值为20,最大值为65。