第四章 fluent非预混燃烧模型

两种模拟方法
• 经验燃料法（Empirical Stream）：选择C、 H、O、N、S作为基本元素，按照经验值输 入元素的质量分数。
元素 C Wt％（DAF） 89.3 Wt%（DAF） 89.3
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H O
N S
5.0 3.4
1.5 0.8
5.0 3.4
2.3 -
两种模拟方法
• 经验燃料法：也可把煤分为焦炭和挥发分， 用二混合分数来处理，焦炭输入C(s),挥发 分采用元素分析值。
三、非预混模型
• 非预混燃烧：燃料和氧化剂以相异流进入反应区。
非预混模型
• 假设前提：反应是受混合速率控制，即已经到达化学平 衡状态，每个单元内的组分及性质由燃料和氧化剂的湍 流混合强度所控制。 • 非预混模型基本思想： （1）热化学减少成单一参数：混合分数f，f表示所有组分 中未知燃料流元素（C、H等）的局部质量分数； （2）质量分数是一个守恒的量，控制方程中不含源项， 燃烧被简化为一个混合问题。 • 模型：平衡混合分数的PDF模型。
元素 质量 （89.3～69.6） Wt% 0.65 摩尔 5.4
挥发分元素分析值
C
摩尔分 数 0.24
H
O N 总量
5.0
3.4 2.3 30.4
0.16
0.11 0.08
16
0.7 0.6 22.7
0.70
0.03 0.03
实例演练三、非预混模型
燃料2入口
氧化剂入口 燃料1入口
出口
5、层流火焰面模型
0
其中时均值 在FLUENT中表示的是组分浓度、 i 密度或温度。
P(f)函数分布来源：根据浓度脉动值方面的测量，由 实验观察结果得到，主要有两个数学函数，双 函数、 函数。
PDF计算结果
PDF计算结果
• 温度和混合分数的关系
PDF计算结果
• 组分与混合分数的关系
3、非预混模型的使用条件
（PDF：Probability Density Function:概率密度函数）
非预混模型概述
• 只适应用于非预混 (扩散) 火焰燃烧 • 假定化学反应过程受混合速率控制
– 满足局部化学平衡. – 控制体（计算单元）组分、物性决定于燃料和氧化 剂在该处的混合程度.
• 化学反应机理不明确.
– 用化学平衡计算来处理化学反应 (PDF表).
• 只求解混合物分数及其方差的输运方程, 无需求 解组分的输运方程. • 可以严格考虑湍流与化学反应的相互作用
1、非预混模型理论
• 定义混合分数f
f Zi Zi , ox Zi , fuel Zi , ox
Zi：元素i的质量分数 Zi,ox：氧化剂入口处i元素的质量分数 Zi,fuel：燃料入口处i元素的质量分数 f=0时，已经完全燃烧，f=1时，未开始燃烧。 • f表示的计算控制容积里燃料的质量分数。
•必须是湍流
非预混模型小结
• 优点:
– – – – – 可以计算中间组分. 考虑分裂影响. 考虑湍流－化学反应之间作用. 无需求解组分输运方程（特别是多组分），简化计算量 性能好，经济
• 缺点:
– 系统必须满足（靠近）局部平衡. – 不能用于可压速或非湍流流动. – 不能用于预混燃烧.
4、FLUENT设置步骤
i i ( f , ) Pf ( f ) P ( )d df
00
1
火焰面模型的假设和限制条件
• 模型中只能用单混合分数，不允许使用双 混合分数； • 假定混合分数f遵循 -pdf函数，耗散标量
遵循双δ-pdf函数；
• 以经验为基础的气流不能用于小火焰模型。
火焰面模型的使用
火焰的非平衡性
• 扩散火焰中，燃料和氧化剂遇到活化中心 发生反应，产生的热量和组分由火焰中心 挥发出去，增加了局部的不平衡性，不平 衡性是由于紊流所产生的空气动力学应变 引起的。 • 小火焰模型认为紊流是由紊流流动区域内 很薄的局部一维层流小火焰构成？？
层流火焰面模型

把混合分数 PDF扩展到模拟中度化学非平衡
非预混模型理论
• 由于湍流的紊态对流通常超过分子扩散， 故组分传输方程可以被减少为一个单一的 关于混合分数f的方程。 t ( f ) ( v f ) f S m S user t t • 平均混合分数脉动值的方程：
• Sm为液体或固体燃料传入气相中的量；
f f f
t 2 2 2 f 2 v f 2 f C f C f S user g t d t k t





混合分数的优点
• （1）将化学反应减少为一个或二个守恒的 混合分数； • （2）所有的热化学标量（组分浓度、密度 和温度）均唯一与混合分数有关； • （3）给定系统中的化学性质和化学反应， 流场中任意一点的混合分数值可用于计算 组分浓度、密度和温度值。
1、选择非预 混模型 2、定义化学 模型
选择平衡化学模型 选择绝热或非绝热
定义二次流
经验流（一般用于煤粉燃烧，气相燃料不适用） 需要输入燃料的低位发热量和比热。
FLUENT设置步骤
3、定义边界
燃料和氧化剂的化学成分
查找需要的物质 选择需要添加的物质
定义温度
FLUENT设置步骤
4、计算查询表
5、显示计算结果
• Equilibrium：化学平衡假设，燃烧系统总处于平衡状态； • Steady Flamelet：局部化学平衡会导致不真实的结果，有 些燃烧存在非平衡效应，如射流火焰的抬举和吹熄现象。
层流火焰面模型
• 基本思想： （1）把离散、定常层流火焰成为小火焰，并用之近 似模拟紊流火焰； （2）假定个体的小火焰和层流火焰拥有相似的结构， 小火焰是由计算或实验得到的； • 优点：将实际的动力效应融合在紊流火焰之中； • 局限：适用于相对高速的化学反应中，不适合于 燃烧速度缓慢的火焰，如点火、熄火和Nox的生 成（应选择EDC模型）。
与壁面有对流或辐射传热
入口燃料和氧化剂温度不同
有颗粒或液滴存在
2、湍流-化学反应相互作用
• 之前模型给出的是混合分数f与组分浓度、 密度、温度之间的瞬时关系，对于紊态流 动，这些值存在脉动，需要求解的是这些 脉动量的时间平均值，也就是解决湍流与 化学反应之间的相互作用问题。
概率密度函数法（PDF）
概率密度函数法-PDF
• 右图表示在时间T内f随时间的脉动值； • 左图的横坐标p(f)即为概率密度函数，表示 流动花在状态f的时间分数；
概率密度函数p(f)
• P(f)描述了湍流中f的瞬时脉动值，因此可以用 来计算依赖于f的时间平均值，计算公式为： 1 i p( f )i ( f )df
• 适用条件：高速湍流，适度的非平衡，非预混；
• 案例：
（1）预测喷流火焰中的发射和吹出现象； （2）内燃机（柴油机非定常火焰子模型）
• 限制条件：不能模拟点火、熄灭和低Da数情况。
FLUENT设置
• 需要从CHEMKIN导入物质的热力性质、传 输和反应数据。
燃烧模拟中；

计算方法：解输运方程中的混合分数变化， 为考虑非平衡效果，计算扩散标量，也就是 火焰应变比例。
火焰面模型理论
• 用混合分数f和标量函数 来表述化学反应。 （D：扩散系数） • 用来量化燃烧非平衡偏离，当 值趋于0时， 化学反应区域平衡，当 值增加时，燃烧的 非平衡型增加。 • 模型中温度和组分浓度完全是f和 的函数。
由f计算组分浓度
平衡假设
• 平衡假设：对于化学平衡来说，为使其总 存在分子水平上，化学反应足够迅速，根 据最小吉布斯自由能法则，对于某个特定 的燃烧系统，一个f值对应着一个确定的组 分浓度。
化学平衡假设
• 化学反应很快到达平衡. • 可以考虑中间组分.
绝热与非绝热选择
以下几种情况必须使用
非绝热预混模型方法：
• 分离的燃料和氧化剂入口的扩散燃烧 • 当使用单一混合时，燃料和氧化剂可以使 单质或混合物，可以有多个燃料和氧化剂 入口，但各个燃料或氧化剂入口的成分必 须相同。
单个混合分数模拟系统
• Fuel/air 扩散火焰:
• 多氧化剂入口的扩散火焰:
• 多燃料进口的扩散火焰:
非预混模型的使用条件
• 当使用两个混合分数时，可定义： 两种不同组分燃料+一种氧化剂流、 气液/气煤/液煤混合物+一种氧化剂、两种不 同组分氧化剂+一种燃料。
C3H8, CH4, CO, CO2, H2O(l), H2O, H2, O，C(s), O2, 和N2）， 还可以选择灰分ash，按照质量分数输入。
近似分析 挥发分 C3H8 CO 固定碳（C(s)） 灰 总量 重量％ 30 60 10 kg （DAF） 0.1833 0.1167 0.6 Moles （DAF） 0.0417 0.0417 0.6 0.5834 摩尔分数 （DAF） 0.0715 0.0715 0.8570 1.0
煤粉燃烧模拟
三种模拟选项： • 煤作为唯一燃料：使用二混合分数，一个 是焦炭100%C(s)，另一个是挥发分； • 煤作为唯一燃料：使用单混合分数，煤的 成分包括焦炭和挥发分； • 煤和其它燃料（气体或液体）一起使用： 使用二混合分数，分别代表两种燃料；
两种模拟方法
• 传统方法：选择煤燃烧系统的组分列表（如，