FLUENT中组分输运及化学反应燃烧模拟
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预混燃料当量比 湍流引起的火焰前锋皱折和增厚 湍流拉伸引起的火焰前锋淬熄 分子扩散
适合绝热燃烧, T ( 1 c ) T unb c u T a rn dt
非绝热燃烧必须求解焓方程
©燃烧
计算流体与传热传质
稀疏相模型
在拉格朗日坐标系下，求解颗粒、液滴、 气泡的轨道.
并与连续相（气相）进行热、质量和动量 的耦合求解。
c 与当地应变率有关
热科学与能源工程系 2003年10月
©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
i
1 0
p(
f
)
i( f
)d f
depend on the mixture fraction, f:
Species mole fractions
Temperature, density
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
PDF Model Flexibility
非绝热系统:
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 (prePDF).
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
©燃烧
计算流体与传热传质
混合分数定义
第二守恒标量:
FLUENT用第二守恒标量可以模拟: Two fuel streams with different compositions and single oxidizer stream (visa versa) Nonreacting stream in addition to a fuel and an oxidizer Co-firing a gaseous fuel with another gaseous, liquid, or coal fuel Firing single coal with two off-gases (volatiles and char burnout products) tracked separately
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
模拟燃烧过程的化学反应动力学
难点与挑战
多数实际的燃烧过程是湍流 化学反应速率高度非线性; 湍流－化学反应高度耦合，相互作用很重
要。 真实化学反应机理包含数十个组分, 数百个基元反应，并且方程组极
具刚性 (基元化学反应时间尺度相差大)
没有严格考虑湍流－化学反应之间的相互作用问题
不能考虑中间产物或组分、不能考虑分裂影响. 模型常数不确定, 特别是用于计算多个化学反应的时候尤为如此，模
型常数通用性较差。.
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
守恒标量 (混合物分数) 模型: PDF 模型
只适应用于非预混 (扩散Байду номын сангаас 火焰燃烧 假定化学反应过程受混合速率控制
1
p(V)Vlim T T
i
i
p(V), the PDF, represents fraction of sampling time when variable, V, takes a value between V and V + V.
p(f) can be used to compute time-averaged values of variables that
热科学与能源工程系 2003年10月
混合分数, f, 写成元素的质量分数形式:
f Zk Zk,O Zk,F Zk,O
其中， Zk 是元素k的质量分数 ；下标 F 和O 表示燃料和氧化剂进口流 处的值。
对于简单的 fuel/oxidizer系统, 混合物分数代表计算控制体里的燃料 质量分数.
混合物分数是守恒标量（conserved scalar）:
计算流体与传热传质
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
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
©燃烧
计算流体与传热传质
生成新的混合物. 改变已有混合物的物性/化学反应.
©燃烧
计算流体与传热传质
有限速率模型小节
热科学与能源工程系 2003年10月
优点:
可以应用于nonpremixed, partially premixed和premixed combustion 简单、直观
应用广泛
缺点:
不适合混合速率与化学反应动力学时间尺度相当时候的化学反应 (要 求 Da >>1).
Multiple: strained flamelet library, 0 < a < aextinction a=0 equilibrium a= aextinction is the maximum strain rate before flame extinguishes
Possible to model local extinction pockets (e.g. lifted flames)
稀疏相体积分数必须 < 10%
质量分数可以比较高 不考虑颗粒之间作用、颗粒破碎
组分输运方程中没有化学反应源项.
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
可以用单个混合物分数模拟的燃烧系统
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:
60% CH4 40% CO
21% O2 79% N2
f=1 f=0
60% CH4 40% CO 35% O2 65% N2
i i(f,c)Pf(f)Pc(c)dcdf
00
只适合绝热系统（FLUENT V5）
Import strained flame calculations
prePDF or Sandia’s OPPDIF code
Single or multiple flamelets
Single: user specified strain, a
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
Fluent燃烧模型
有限速率模型
求解组分的质量分数输运方程，化学反应机理由用户自己定 义。
非预混燃烧模型
该模型中并不求解单个组分的输运方程，而是求解一个或者 两个守恒标量（混合分数）的输运方程
预混燃烧模型
模拟完全混合的燃烧问题。充分混合的燃烧物和产物被火焰 前锋分隔，求解出的化学反应进展变量来描述该火焰前峰的位置 部分预混燃烧模型
In real problems, with heat loss or gain, local thermo-chemical state must be related to mixture fraction, f, and enthalpy, h.
Average quantities now evaluated as a function of mixture fraction, enthalpy (normalized heat loss/gain), and the PDF, p(f).
该模型用来处理系统中同时具有非预混和充分预混的情况。 该方法同时求解了混合分数和反应进展变量
©燃烧
计算流体与传热传质
有限化学反应速率模型设置
热科学与能源工程系 2003年10月
要求:
给出组分及其物性 给出化学反应及其反应速率在内的化学反应动力学数据
FLUENT V5 在mixture material database里面提供了数据 对于常用的燃料，数据库都会给定机理，组分物性等信息. 如果用户需要给定个性化机理，则:
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)
污染物排放模型: NOx with reburn chemistry (V5) and soot
©燃烧
计算流体与传热传质
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 燃烧模拟中
用层流拉伸火焰系综来模拟湍流火焰, 对 撞扩散火焰
用混合分数和标量耗散率来求解（绝热）温 度、密度和组分等量。 对于混合分数 PDF 模型 (绝热), 热－化 学状态只是 f 的函数
i i(f,c) c(f/x)2
©燃烧
计算流体与传热传质
混合分数/PDF模型小节
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.
热科学与能源工程系 2003年10月
实际处理方法
简化化学反应机理 有限速率燃烧模型
考虑湍流及其混合、弱化反应化学 混合分数模型
平衡化学的 PDF模型 层流火焰面模型
进展变量模型
Zimont 模型
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
有限速率模型
用总包机理反应描述化学反应过程. 求解化学组分输运方程.
热科学与能源工程系 2003年10月
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
PDF 模拟Turbulence-Chemistry相互作用
Fluctuating mixture fraction is completely defined by its probability density function (PDF).
有限速率模型 (Magnussen model) 守恒标量的 PDF模型 (一个或两个混合分数) 层流火焰面（小火焰）模型 (V5) Zimont model (V5)
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)
35% O2 65% N2
f=0 f=1
f=0
60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2
21% O2 79% N2 60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2
f=1 f=0 f=1
©燃烧
计算流体与传热传质
系统化学平衡假设
化学反应很快到达平衡. 可以考虑中间组分.
求解当地时间平均的各个组分的质量分数, mj.
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 :
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。
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
预混燃烧的Zimont模型
用单个过程变量来模拟热－化学过程,
t c x i u ic x i S c t t x c i R c
c Yp/ Ypad
p
p
0 c 1
平均反应速率, R c u n b u r n tU t c 湍流火焰传播速度, Ut, 根据贫燃预混燃烧推导得到，并考虑
燃烧模型概要
热科学与能源工程系 2003年10月
稀疏相模型
液滴/颗粒动力学 非均相反应 液化 蒸发
输运控制方程
质量 动量 (湍流) 能量 化学组分
污染物模型
燃烧模型
预混 局部预混 非预混燃烧
辐射换热模型
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
FLUENT提供的燃烧模型
气相燃烧
适合绝热燃烧, T ( 1 c ) T unb c u T a rn dt
非绝热燃烧必须求解焓方程
©燃烧
计算流体与传热传质
稀疏相模型
在拉格朗日坐标系下，求解颗粒、液滴、 气泡的轨道.
并与连续相（气相）进行热、质量和动量 的耦合求解。
c 与当地应变率有关
热科学与能源工程系 2003年10月
©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
i
1 0
p(
f
)
i( f
)d f
depend on the mixture fraction, f:
Species mole fractions
Temperature, density
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
PDF Model Flexibility
非绝热系统:
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 (prePDF).
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
©燃烧
计算流体与传热传质
混合分数定义
第二守恒标量:
FLUENT用第二守恒标量可以模拟: Two fuel streams with different compositions and single oxidizer stream (visa versa) Nonreacting stream in addition to a fuel and an oxidizer Co-firing a gaseous fuel with another gaseous, liquid, or coal fuel Firing single coal with two off-gases (volatiles and char burnout products) tracked separately
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
模拟燃烧过程的化学反应动力学
难点与挑战
多数实际的燃烧过程是湍流 化学反应速率高度非线性; 湍流－化学反应高度耦合，相互作用很重
要。 真实化学反应机理包含数十个组分, 数百个基元反应，并且方程组极
具刚性 (基元化学反应时间尺度相差大)
没有严格考虑湍流－化学反应之间的相互作用问题
不能考虑中间产物或组分、不能考虑分裂影响. 模型常数不确定, 特别是用于计算多个化学反应的时候尤为如此，模
型常数通用性较差。.
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
守恒标量 (混合物分数) 模型: PDF 模型
只适应用于非预混 (扩散Байду номын сангаас 火焰燃烧 假定化学反应过程受混合速率控制
1
p(V)Vlim T T
i
i
p(V), the PDF, represents fraction of sampling time when variable, V, takes a value between V and V + V.
p(f) can be used to compute time-averaged values of variables that
热科学与能源工程系 2003年10月
混合分数, f, 写成元素的质量分数形式:
f Zk Zk,O Zk,F Zk,O
其中， Zk 是元素k的质量分数 ；下标 F 和O 表示燃料和氧化剂进口流 处的值。
对于简单的 fuel/oxidizer系统, 混合物分数代表计算控制体里的燃料 质量分数.
混合物分数是守恒标量（conserved scalar）:
计算流体与传热传质
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
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
©燃烧
计算流体与传热传质
生成新的混合物. 改变已有混合物的物性/化学反应.
©燃烧
计算流体与传热传质
有限速率模型小节
热科学与能源工程系 2003年10月
优点:
可以应用于nonpremixed, partially premixed和premixed combustion 简单、直观
应用广泛
缺点:
不适合混合速率与化学反应动力学时间尺度相当时候的化学反应 (要 求 Da >>1).
Multiple: strained flamelet library, 0 < a < aextinction a=0 equilibrium a= aextinction is the maximum strain rate before flame extinguishes
Possible to model local extinction pockets (e.g. lifted flames)
稀疏相体积分数必须 < 10%
质量分数可以比较高 不考虑颗粒之间作用、颗粒破碎
组分输运方程中没有化学反应源项.
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
可以用单个混合物分数模拟的燃烧系统
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:
60% CH4 40% CO
21% O2 79% N2
f=1 f=0
60% CH4 40% CO 35% O2 65% N2
i i(f,c)Pf(f)Pc(c)dcdf
00
只适合绝热系统（FLUENT V5）
Import strained flame calculations
prePDF or Sandia’s OPPDIF code
Single or multiple flamelets
Single: user specified strain, a
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
Fluent燃烧模型
有限速率模型
求解组分的质量分数输运方程，化学反应机理由用户自己定 义。
非预混燃烧模型
该模型中并不求解单个组分的输运方程，而是求解一个或者 两个守恒标量（混合分数）的输运方程
预混燃烧模型
模拟完全混合的燃烧问题。充分混合的燃烧物和产物被火焰 前锋分隔，求解出的化学反应进展变量来描述该火焰前峰的位置 部分预混燃烧模型
In real problems, with heat loss or gain, local thermo-chemical state must be related to mixture fraction, f, and enthalpy, h.
Average quantities now evaluated as a function of mixture fraction, enthalpy (normalized heat loss/gain), and the PDF, p(f).
该模型用来处理系统中同时具有非预混和充分预混的情况。 该方法同时求解了混合分数和反应进展变量
©燃烧
计算流体与传热传质
有限化学反应速率模型设置
热科学与能源工程系 2003年10月
要求:
给出组分及其物性 给出化学反应及其反应速率在内的化学反应动力学数据
FLUENT V5 在mixture material database里面提供了数据 对于常用的燃料，数据库都会给定机理，组分物性等信息. 如果用户需要给定个性化机理，则:
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)
污染物排放模型: NOx with reburn chemistry (V5) and soot
©燃烧
计算流体与传热传质
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 燃烧模拟中
用层流拉伸火焰系综来模拟湍流火焰, 对 撞扩散火焰
用混合分数和标量耗散率来求解（绝热）温 度、密度和组分等量。 对于混合分数 PDF 模型 (绝热), 热－化 学状态只是 f 的函数
i i(f,c) c(f/x)2
©燃烧
计算流体与传热传质
混合分数/PDF模型小节
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.
热科学与能源工程系 2003年10月
实际处理方法
简化化学反应机理 有限速率燃烧模型
考虑湍流及其混合、弱化反应化学 混合分数模型
平衡化学的 PDF模型 层流火焰面模型
进展变量模型
Zimont 模型
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
有限速率模型
用总包机理反应描述化学反应过程. 求解化学组分输运方程.
热科学与能源工程系 2003年10月
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
PDF 模拟Turbulence-Chemistry相互作用
Fluctuating mixture fraction is completely defined by its probability density function (PDF).
有限速率模型 (Magnussen model) 守恒标量的 PDF模型 (一个或两个混合分数) 层流火焰面（小火焰）模型 (V5) Zimont model (V5)
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)
35% O2 65% N2
f=0 f=1
f=0
60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2
21% O2 79% N2 60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2
f=1 f=0 f=1
©燃烧
计算流体与传热传质
系统化学平衡假设
化学反应很快到达平衡. 可以考虑中间组分.
求解当地时间平均的各个组分的质量分数, mj.
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 :
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。
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
预混燃烧的Zimont模型
用单个过程变量来模拟热－化学过程,
t c x i u ic x i S c t t x c i R c
c Yp/ Ypad
p
p
0 c 1
平均反应速率, R c u n b u r n tU t c 湍流火焰传播速度, Ut, 根据贫燃预混燃烧推导得到，并考虑
燃烧模型概要
热科学与能源工程系 2003年10月
稀疏相模型
液滴/颗粒动力学 非均相反应 液化 蒸发
输运控制方程
质量 动量 (湍流) 能量 化学组分
污染物模型
燃烧模型
预混 局部预混 非预混燃烧
辐射换热模型
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
FLUENT提供的燃烧模型
气相燃烧