第五章 fluent预混燃烧模型解析
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的情况。
3、FLUENT相关设置
1、选择预混模型
2、确定绝热或非绝热
（如果有fluent材料库 中的模型，可以首先选 择一种）
FLUENT相关设置
2、定义材料属性 • 绝热
未燃反应物密度 未燃反应物温度 绝热燃烧产物温度 动力黏度 热扩散系数 层流火焰传播速度 临界变化率（火焰拉伸）
FLUENT相关设置
• 为得到层流火焰速度，需要确定内部火焰结构和详细 的化学动力学及分子扩散过程，实际的火焰厚度只有 微米级别；
• 湍流作用使得传播中的层流火焰杯皱折、拉伸，增加 了薄层面积，提高了火焰速度；
• 关键：捕获湍流火焰速度，受层流火焰速度和湍流的 影响。
预混模型使用限制
• 必须使用非耦合求解器； （define-models-solver: Pressure based） • 只对湍流、亚音速模型有效； • 不能和污染物模型（如NOx）一起使用； • 不能模拟离散相粒子的反应，只有惰性粒
预混模型总结
• 适用条件
湍流 快速化学反应 只有预混合
• 限制条件
不能模拟运动学细节中的实际现象 （如点燃、熄灭和低Da数）。
实例演练四：预混燃烧
混合燃料入口2
混合燃料入口1
烟气出口
Ypad ：完全绝热燃烧后产物的质量分数；
• 标量c的输运方程：
Sct：施密特数，Sc为反应进程源项： Ut：湍流火焰速度，求解的关键。
湍流火焰速度
• 受两个因素影响：层流火焰速度；涡流引 起的火焰前锋的折皱、拉伸和加厚。
化学反应时间尺度。
• 求解湍流火焰传播速度Ut时考虑：
（1）预混燃料当量比 （2）湍流引起的火焰前锋皱折和增厚 （3）湍流拉伸引起的火焰前锋淬熄 （4）分子扩散
五、预混燃烧模型
• 预混燃烧：燃料和氧化剂在点火之前进行 分子级别的混合，反应在燃烧区域发生， 这个区域将未燃烧的反应物和燃烧产物分 开。如吸气式内燃机、稀薄燃气轮机的燃 烧器、气体泄漏爆炸等。
预混燃烧模拟的难点
• 预混燃烧通常作为薄层火焰产生，被湍流拉伸或扭曲， 火焰传播的整体速率受层流火焰速度和湍流漩涡控制；
湍流长度尺寸常数CD 湍流火焰速度常数A
拉伸系数 湍流施密特数Sct
拉伸系数
• 为了考虑火焰面拉伸所导致的吹熄现象，在 反应源项中乘以一个拉伸因子 G，即GSC ：
其中：
• 以上各式中出现的一些常数值在FLUENT默认条件下为：
A=0.52，CD=0.37，μstr=0.26， Sct =0.7
温度的计算
• 绝热温度计算：模型假设未燃混合物温度 Tu和绝热条件下燃烧产物温度Tad之间成线 性变化。
温度计算
• 非绝热温度计算：求解能量输运方程中得到 系统中能量 的得失，包括化学反应热源、辐 射产生热损失等，以焓表示的能量方程为：
Sh,rad：辐射导致的热损失； Sh,chem：化学反应得到的热量
S h,chem SC H Y comb fuel
湍流火焰速度
• FLUENT中计算火焰速度公式：
Ut
A(u' )3 / 4U l1/ 2 1/ 4lt1/ 4
Au
'
(
t
)1/ 4
c
A模型常数，u’速度均方值，Ul层流火焰传播速度， k / cp 为热扩散系数，lt CDu'3 / 为湍流时间长度尺度， t lt / u' 湍 流时间尺度，c /Ul 2 湍流化学反应时间尺度。
子才能与预混模型一起使用。
1、预混模型理论
• 火焰前锋的传播：预混燃烧时，火焰发生在一个 非常薄的火焰层中，火焰前锋移动时，未燃反应 物燃烧变为产物，火焰层将反应的流场分为已燃 物区和未燃物区，反应的传播等同于火焰前锋的 传播
预混燃烧--Zimont模型
•
反应进程变量c：c
Yp
/
Y
ad p
p
p
Yp：当前产物的质量分数；
2、定义材料属性 • 非绝热
未燃反应物密度 未燃反应物温度 比热 导热率 动力黏度 热扩散系数 层流火焰传播速度 临界变化率（火焰拉伸） 燃烧热 未燃物质量分数
FLUENT相关设置
3、设置边界条件 （关键在于设置反应
进程量C的值）
C=0:未燃混合物 C=1：燃烧后的混合物
FLUENT相关设置
• 计算后处理
进程变量C Damkohler数 （混合时间/反应时间） 拉伸因子 湍流火焰速度 静态温度 产物生成速率 层流火焰速度 临界应力速率 未燃燃料质量分数
FLUENT相关设置
• 显示质量分数—用户定义函数
未燃混合物中某种物质浓度： Yu 1 c
已燃混合物中某种物质浓度： Ybc
Define-custom field function
反应wenku.baidu.com程源项：
Hcomb:每1kg燃料产生的热量，Yfuel：未燃混合物中燃料的质量分数。
密度的计算
• 绝热火焰
• 非绝热火焰
2、预混燃烧模型的使用
• 适用条件：湍流、快速化学反应、预混合； • 案例：（1）预混合反应流系统； （2）低预混合燃气涡轮燃烧室。 • 限制条件：不能模拟点火、熄灭和低Da数
3、FLUENT相关设置
1、选择预混模型
2、确定绝热或非绝热
（如果有fluent材料库 中的模型，可以首先选 择一种）
FLUENT相关设置
2、定义材料属性 • 绝热
未燃反应物密度 未燃反应物温度 绝热燃烧产物温度 动力黏度 热扩散系数 层流火焰传播速度 临界变化率（火焰拉伸）
FLUENT相关设置
• 为得到层流火焰速度，需要确定内部火焰结构和详细 的化学动力学及分子扩散过程，实际的火焰厚度只有 微米级别；
• 湍流作用使得传播中的层流火焰杯皱折、拉伸，增加 了薄层面积，提高了火焰速度；
• 关键：捕获湍流火焰速度，受层流火焰速度和湍流的 影响。
预混模型使用限制
• 必须使用非耦合求解器； （define-models-solver: Pressure based） • 只对湍流、亚音速模型有效； • 不能和污染物模型（如NOx）一起使用； • 不能模拟离散相粒子的反应，只有惰性粒
预混模型总结
• 适用条件
湍流 快速化学反应 只有预混合
• 限制条件
不能模拟运动学细节中的实际现象 （如点燃、熄灭和低Da数）。
实例演练四：预混燃烧
混合燃料入口2
混合燃料入口1
烟气出口
Ypad ：完全绝热燃烧后产物的质量分数；
• 标量c的输运方程：
Sct：施密特数，Sc为反应进程源项： Ut：湍流火焰速度，求解的关键。
湍流火焰速度
• 受两个因素影响：层流火焰速度；涡流引 起的火焰前锋的折皱、拉伸和加厚。
化学反应时间尺度。
• 求解湍流火焰传播速度Ut时考虑：
（1）预混燃料当量比 （2）湍流引起的火焰前锋皱折和增厚 （3）湍流拉伸引起的火焰前锋淬熄 （4）分子扩散
五、预混燃烧模型
• 预混燃烧：燃料和氧化剂在点火之前进行 分子级别的混合，反应在燃烧区域发生， 这个区域将未燃烧的反应物和燃烧产物分 开。如吸气式内燃机、稀薄燃气轮机的燃 烧器、气体泄漏爆炸等。
预混燃烧模拟的难点
• 预混燃烧通常作为薄层火焰产生，被湍流拉伸或扭曲， 火焰传播的整体速率受层流火焰速度和湍流漩涡控制；
湍流长度尺寸常数CD 湍流火焰速度常数A
拉伸系数 湍流施密特数Sct
拉伸系数
• 为了考虑火焰面拉伸所导致的吹熄现象，在 反应源项中乘以一个拉伸因子 G，即GSC ：
其中：
• 以上各式中出现的一些常数值在FLUENT默认条件下为：
A=0.52，CD=0.37，μstr=0.26， Sct =0.7
温度的计算
• 绝热温度计算：模型假设未燃混合物温度 Tu和绝热条件下燃烧产物温度Tad之间成线 性变化。
温度计算
• 非绝热温度计算：求解能量输运方程中得到 系统中能量 的得失，包括化学反应热源、辐 射产生热损失等，以焓表示的能量方程为：
Sh,rad：辐射导致的热损失； Sh,chem：化学反应得到的热量
S h,chem SC H Y comb fuel
湍流火焰速度
• FLUENT中计算火焰速度公式：
Ut
A(u' )3 / 4U l1/ 2 1/ 4lt1/ 4
Au
'
(
t
)1/ 4
c
A模型常数，u’速度均方值，Ul层流火焰传播速度， k / cp 为热扩散系数，lt CDu'3 / 为湍流时间长度尺度， t lt / u' 湍 流时间尺度，c /Ul 2 湍流化学反应时间尺度。
子才能与预混模型一起使用。
1、预混模型理论
• 火焰前锋的传播：预混燃烧时，火焰发生在一个 非常薄的火焰层中，火焰前锋移动时，未燃反应 物燃烧变为产物，火焰层将反应的流场分为已燃 物区和未燃物区，反应的传播等同于火焰前锋的 传播
预混燃烧--Zimont模型
•
反应进程变量c：c
Yp
/
Y
ad p
p
p
Yp：当前产物的质量分数；
2、定义材料属性 • 非绝热
未燃反应物密度 未燃反应物温度 比热 导热率 动力黏度 热扩散系数 层流火焰传播速度 临界变化率（火焰拉伸） 燃烧热 未燃物质量分数
FLUENT相关设置
3、设置边界条件 （关键在于设置反应
进程量C的值）
C=0:未燃混合物 C=1：燃烧后的混合物
FLUENT相关设置
• 计算后处理
进程变量C Damkohler数 （混合时间/反应时间） 拉伸因子 湍流火焰速度 静态温度 产物生成速率 层流火焰速度 临界应力速率 未燃燃料质量分数
FLUENT相关设置
• 显示质量分数—用户定义函数
未燃混合物中某种物质浓度： Yu 1 c
已燃混合物中某种物质浓度： Ybc
Define-custom field function
反应wenku.baidu.com程源项：
Hcomb:每1kg燃料产生的热量，Yfuel：未燃混合物中燃料的质量分数。
密度的计算
• 绝热火焰
• 非绝热火焰
2、预混燃烧模型的使用
• 适用条件：湍流、快速化学反应、预混合； • 案例：（1）预混合反应流系统； （2）低预混合燃气涡轮燃烧室。 • 限制条件：不能模拟点火、熄灭和低Da数