甲烷燃烧的数值模拟

甲烷燃烧的数值模拟及分析

主要分为三个部分，第一部分讲解甲烷在炉膛内燃烧的模型建立的方法；第二部分对甲烷燃烧模型的数值模拟结果进行分析和比较；第三部分为结论。

一、模型建立

1、在Gambit中建立计算区域

在本例中建立圆柱形炉膛，并研究甲烷和空气在炉膛内的燃烧反应。

物理模型如下：

甲烷入口直径为10mm；空气入口直径为50mm；炉膛为直径为500mm；长度为1200mm的圆柱形。如图1。

图1圆柱形炉膛模型图

2、绘制网格

图2进口网格分布

甲烷和空气进口的网格元素选择四边形网格，如图2。炉膛表面的网格也是四边形网格，如图3。

图3炉膛表面网格分布

图4炉膛表面网格分布

图5炉膛出口网格分布

图6炉膛内部网格分布

3、指定边界条件

图7炉膛边界条件

Inlet1为甲烷入口，边界条件为速度入口；

Inlet2为空去入口，边界条件为速度入口；

Outlet为炉膛出口，边界条件为自由流；

其他炉膛壁面为墙体，边界条件为墙体。

4、导入fluent

具体信息如下：

54440mixed cells,zone2,binary.

326quadrilateral wall faces,zone3,binary.

1900quadrilateral wall faces,zone4,binary.

350quadrilateral wall faces,zone5,binary.

218quadrilateral outflow faces,zone6,binary.

204quadrilateral velocity-inlet faces,zone7,binary.

18quadrilateral velocity-inlet faces,zone8,binary. 108880triangular interior faces,zone10,binary.

11144nodes,binary.

11144node flags,binary.

缩放信息如下图：

图8缩放信息图

5、选择计算模型

图9定义求解器

图10考虑能量方程

图11考虑粘性模型

图12考虑辐射模型

图12考虑燃料模型

图13燃烧物质和炉膛材料

6、操作环境的设置

图14操作环境（压力场和重力场）

7、设置边界条件

图15空气入口边界条件

空气入口的速度为8m/s，温度为300K，入口空气中氧气的含量为21%。

图16甲烷入口边界条件

甲烷入口的速度为19.1m/s，温度为300K。

图17炉膛出口边界条件

图18炉膛壁面边界条件

炉膛壁面的边界条件设置为steel钢。一般fluent软件中避免材料默认设置为铝，考虑到铝的熔点温度为660℃，甲烷在炉膛中燃烧的温度可能很高，炉膛存在融化的危险，为了让模拟条件尽量接近真实的条件，所以选用钢材料，普通钢的熔点为1500℃。

8、求解方法设置及控制

求解参数设置压力速度耦合求解方式选择“SIMPLE”，Discretization对应的压力离散方式选择“Standard”，其他离散方式选择“QUICK”。QUICK格式一般用于四边形/六面体时具有三阶精度，用于杂交网格或三角形/四面体时只具有二阶精度，比second-order upwind有更高的精度。

图19求解方法设置

将入口的甲烷温度和空气温度设为初始值为300K，开始迭代，迭代1000步。

9、模拟结果

可以看到模拟结果较符合甲烷在炉膛内燃烧时的温度分布，火焰成本生灯状。并在下面列出速度分布图和各个成分的摩尔质量图。

图20温度分布图

图21速度分布图

图22甲烷摩尔质量

图23氧气摩尔质量

图24氮气摩尔质量

图25水的摩尔质量

图26二氧化碳的摩尔质量

二、分析与对比

1、改变计算模型

将原来的稳态模型，改为非稳态模型，非稳态方程选择默认的1st-Order Implicit。可以从下图中看到，整个炉膛内的温度呈均匀分布，没有燃烧反应进

行。由于没有燃烧反应进行，炉膛中的水和二氧化碳都没有生成。

图27计算模型选项图

图28温度分布图

图29速度分布图

图30甲烷摩尔质量

图31氧气摩尔质量

图32氮气摩尔质量

图33二氧化碳摩尔质量

2、改变求解方式

保持求解参数设置压力速度耦合求解方式选择“SIMPLE”，Discretization 对应的压力离散方式选择“Standard”。而将其他离散方式改为“First Order Upwind”一阶迎风。已知Quick格式一般用于四边形/六面体时具有三阶精度，用于杂交网格或三角形/四面体时只具有二阶精度，比second-order upwind有更高的精度。First Order Upwind格式具有较好的收敛性但是精度低，在模型简单的结构网格计算上，first-order解算精度与second-order区别不大。所以本模型尝试使用First Order Upwind来计算。

下图将对比使用First Order Upwind格式计算与使用Quick格式计算的结果，燃烧温度分布和速度分布没有太大的不同，所以主要比较氧气、氮气、水和二氧化碳生成的模拟结果。

可以看到使用First Order Upwind格式计算，燃烧生成物扩散的更大。

图34求解方式选项图

图35氧气摩尔质量对比图（右边为first-order格式计算）