FLUENT算例 (9)模拟燃烧
FLUENT算例 (9)模拟燃烧.pptx
⑥ 在 Hydraulic Diameter 项输入燃烧筒直径 0.45
⑦ Species Mass Fractions 项均为常数，且在 O2 项输入 0.22 ⑧ 点击 OK
3
设定燃料进口边界条件
① 在 Zone 项选择 inlet_fuel ② 确定 Type 项为 velocity-inlet ,点击 Set,打开燃料速度入口边界设
② 确定在 Type 项为 velocity-inlet
③ 在 Velocity Magnitude 项输入空气入口速度 0.5 ④ 在 Turbulence Specification Method 项选 Intensity and Hydraulic
Diameter
⑤ 在 Turbulence Intensity 项输入 10
第 3 步 设置边界类型并输出文件
1
设置甲烷速度入口边界
① 在 Action 项为 Add
② 在 Name 项填入边界名 inlet-fuel
③ 在 Type 项选择 WELOCITY_INLET
④ 点击 Edges 右侧黄色区域
⑤ 按住 Shift 键点击 AC 线段
⑥ Apply
2
设置空气速度入口边界
③ 在 Thermal 选项卡中 Thermal Conditions 项 选择 Heat Flux
④ 在 Heat Flux 项保留默认的零值
⑤ 保留其他默认设置，点击 OK
第 5 步 初始化流场并求解
1 设置求解控制参数 ①打开求解控制参数设置对话框，在 Under-Relaxation Factors 项，设
学海无 涯
Fluent 是目前国际上比较流行的商用 CFD 软件包，在美国的市场占有率为 60%，凡 是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先 进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮 机设计等方面都有着广泛的应用。
fluent燃烧简介..
FLUENT燃烧简介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。
1.1 FLUENT燃烧模拟方法概要燃烧模型是FLUENT软件优于其它CFD软件的最主要的特征之一。
FLUENT可以模拟宽广范围内的燃烧问题。
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在模拟燃烧中的应用可如以下列图所示：图 1 FLUENT模拟过程中所需的物理模型1.1.1 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(单或二组分混合分数)层流火焰面模型(Laminar flamelet model)Zimount 模型1.1.2 离散相模型煤燃烧与喷雾燃烧1.1.3 热辐射模型DTRM，P-1，Rosseland 和Discrete Ordinates 模型1.1.4 污染物模型NOx模型，烟(Smoot)模型2.1气相燃烧模型·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，以减少计算本钱，如下：有限速率燃烧模型---预混、局部预混和扩散燃烧混合分数方法(平衡化学的PDF模型和非平衡化学的层流火焰面模型)---扩散燃烧反响进度方法(Zimont模型)---预混燃烧混合物分数和反响进度方法的结合---局部预混燃烧2.2.1 有限速率模型化学反响过程一般采用总包机理(即简化化学反响，如单步反响)进行描述。
求解积分的输运方程，得到每种组分的时均质量分数值，如下：-----(1)其中组分j的反响源项为所有反响K个反响中，组分j的净生成速率：-----(2)-----(3)计算所需参数包括：1、组分及其热力学参数值；2、反响及其速率常数值。
有限速率模型的有缺点：优点：适用于预混、局部预混和扩散燃烧，简单直观；缺点：当混合时间尺度和反响时间尺度相当时缺乏真实性，难以解决化学反响与湍流的耦合问题，难以预测反响的中间组分，模型常数具有不确定性。
FLUENT中组分输运及化学反应(燃烧)模拟
©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 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
求解内容
缺点:
©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) 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. 用化学平衡计算来处理化学反应 (prePDF).
i i ( f , c ) Pf ( f ) Pc ( c )dc df
00
只适合绝热系统（FLUENT V5） Import strained flame calculations
prePDF or Sandia’s OPPDIF code
Single or multiple flamelets
f=1 f=0 f=1
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
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.
©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).
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 燃烧 算例
fluent 燃烧算例
本文介绍了fluent软件在燃烧流动领域的应用算例。
首先介绍了燃烧流动的基本概念和fluent软件的基本使用方法，然后通过具体的算例来展示 fluent 软件在燃烧流动中的应用。
算例一：气体燃烧室内部流动分析。
通过建立三维模型，使用fluent 软件对燃烧室内部的流动进行模拟和分析，得到了室内流场的速度分布、温度分布等参数，为燃烧过程的优化和控制提供了重要的参考和依据。
算例二：柴油机燃烧过程的数值模拟。
通过建立柴油机的三维模型，结合燃油喷射的过程和燃烧反应机理，使用 fluent 软件对柴油机燃烧过程进行数值模拟，得到了燃烧的温度、压力、速度、质量分数等相关参数，为柴油机的性能优化和燃烧控制提供了重要的参考和依据。
算例三：天然气管道燃烧事故的模拟分析。
通过建立天然气管道的三维模型，结合管道内的燃烧反应机理，使用 fluent 软件对天然气管道的燃烧事故进行模拟和分析，得到了燃烧事故的发展过程、温度、压力等参数，为燃气安全事故的预防和控制提供了重要的参考和依据。
以上三个算例展示了 fluent 软件在燃烧流动领域的广泛应用和高效性能，为燃烧流动领域的研究和实践提供了重要的工具和技术支持。
- 1 -。
利用fluent组分输运模型模拟锅炉混煤燃烧过程
利⽤fluent组分输运模型模拟锅炉混煤燃烧过程fluent组分输运模拟混煤燃烧之前⽤组分输运做过⼀些混煤燃烧的⼯作，因为⾃⼰⼀开始接触组分输运的时候也遇到很多困难，⽤组分输运做混煤模拟更是⼀⽆所知，后来在之前课题组基础上，加上⾃⼰的摸索，对⽤组分输运做混煤模拟的套路⼤概了解了，所以就把这个“套路”总结了⼀下写了出来，希望可以帮到有需要的朋友。
当然，下⾯的内容更多的是做混煤模拟的⼀个过程的描述，具体⾥⾯的有些参数的设置我也不是太懂，尤其是⼀些涉及到化学反应的参数，所以这篇⽂章只是告诉⼤家设置的“套路”，具体的参数还是要⼤家查阅相关⽂献或书籍。
另外⼤家也没必要死搬硬套我这个套路，我这篇⽂章只是希望能给想做混煤模拟的朋友⼀些启发，⼤家应当在我这个⽂章的基础上多去琢磨，搞清楚每⼀步的设置都是在做什么，这样⾃⼰遇到⼀些我⽂中没有提到的问题时也能⾃⼰解决。
⽂中若有什么错误或未描述清楚的地⽅，欢迎互相交流。
1.打开species⾯板，选择species transport（组分输运），Reactions勾选上Volumetric，表⽰组分输运在某体积内有化学反应，Turbulence-Chemistry Interaction点选Finite-Rate/Eddy-Dissipation，表⽰化学反应是有限反应速率的，反应速率受化学反应本⾝与湍流混合⼆者共同控制。
2.点Finite-Rate/Eddy-Dissipation后，下⾯会出现coal calculator，⽤于对煤的反应进⾏计算，点coal calculator，弹出如下界⾯，根据煤质分析结果，填⼊相应数据，这⾥假设有两种煤，⼀种中等挥发份，取名为coal-mv，⼀种为⾼挥发份，取名为coal-hv，相应结果如下图。
3.点完Apply后点OK，会弹出如下界⾯。
4.这样coal-hv就设置好了，然后继续点coal-calculator，以同样的⽅法设置coal-mv。
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-氢燃烧-算例
fluent 氢燃烧算例Fluent氢燃烧算例Fluent是一种流体动力学软件，可以用于模拟各种流体现象，包括氢燃烧。
在本文中，我们将介绍如何使用Fluent进行氢燃烧模拟，并分析模拟结果。
我们需要建立一个氢燃烧模型。
在Fluent中，我们可以使用预定义的化学反应模型，也可以自定义反应模型。
在本文中，我们将使用预定义的化学反应模型，即氢气和氧气的完全燃烧反应：2H2 + O2 -> 2H2O接下来，我们需要定义氢气和氧气的初始条件。
在本文中，我们将假设氢气和氧气的初始温度均为300K，初始压力为1 atm。
我们还需要定义氢气和氧气的初始浓度。
在本文中，我们将假设氢气和氧气的初始浓度均为1 mol/m3。
然后，我们需要定义氢气和氧气的边界条件。
在本文中，我们将假设氢气和氧气从两个不同的入口进入反应器。
我们将氢气的入口温度设为300K，入口速度设为1 m/s，氧气的入口温度设为300K，入口速度设为0.5 m/s。
我们还需要定义反应器的出口条件。
在本文中，我们将假设反应器的出口压力为1 atm，出口速度为0 m/s。
我们可以运行模拟并分析结果。
在Fluent中，我们可以查看氢气和氧气的浓度、温度和速度分布，以及反应器内部的压力分布。
我们还可以计算反应器内部的热量和质量传递速率，以及反应器的热效率和化学效率。
通过分析模拟结果，我们可以得出以下结论：1. 反应器内部的温度随着反应进行而升高，最终达到约2000K左右。
2. 反应器内部的压力随着反应进行而降低，最终达到约0.5 atm左右。
3. 反应器内部的氢气和氧气浓度随着反应进行而降低，最终达到约0 mol/m3左右。
4. 反应器内部的热效率和化学效率随着反应进行而增加，最终达到约99%左右。
Fluent是一种强大的流体动力学软件，可以用于模拟各种流体现象，包括氢燃烧。
通过使用Fluent进行氢燃烧模拟，我们可以得出有关反应器内部温度、压力、浓度和效率等方面的有用信息，这对于优化氢燃烧过程具有重要意义。
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算例 (9)模拟燃烧教学内容
计算流体力学作业FLUENT 模拟燃烧问题描述：长为2m、直径为0.45m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0.0005 m，高0.05 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0.01 m、长为0.01 m、壁厚为0.002 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0.5 m/s的速度进入燃烧器。
总当量比大约是0.76(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5.7×103。
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②连接AC、CD、DE、DF、FG。
(5)创建燃烧筒壁面、隔板和出口②将H、I、J、K、L、M、N向Y轴负方向复制，距离为板高度0.05。
③连接GH、HO、OP、PI、IJ、JQ、QR、RK、KL、LS、ST、TM、MN、NB。
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教程 燃烧模拟
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
气相燃烧
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)
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
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.
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
FLUENT算例-(9)模拟燃烧
计算流体力学作业FLUENT模拟燃烧1所示，燃烧筒壁上嵌有三块厚为0.0005 m的小喷嘴，甲烷以60 m/s的速度进入燃烧器。
总当量比大约是0.76(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5.7 ×103o假定燃料完全燃烧并转换为CH4+2θ2fCO2+2H2O反应过程是通过化学计量系数、形成焰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NoX含量6、使用场函数计算器进行No含量计算一、利用GAMBlT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GAMBΓΓ(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(5)创建燃烧筒壁面、隔板和出口②将H、I、J、K、L、M、N向Y轴负方向复制，距离为板高度0.05。
③连接GH、H0、OPʌ PK IJ、JQ、QR、RK、KL、LS、ST、TM、MN、NBo(6)创建流域将以上闭合线段创建为面。
第2步对空气进口边界进行网格划分(1)划分甲烷进口边界为等距网格①点击EdgeS右侧黄色区域②按下Shift+鼠标左键，点击AC线段③Type 选Successive Ratio5Radio 选1④ 在Spacing下面白色区域右侧下拉列表中选择Interval count⑤在SPaCing下面白色区域内填入网格的个数5⑥保留其他默认设置，点击APPLY(2)划分空气入口边界为不等距网格①选择FG线时，假设线段方向由F指向G,则按住Shift键，用鼠标中键点击FG线段，使线段方向由G指向F。
fluent燃烧说明介绍
FLUENT燃烧简介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。
1.1 FLUENT燃烧模拟方法概要燃烧模型是FLUENT软件优于其它CFD软件的最主要的特征之一。
FLUENT可以模拟宽广范围内的燃烧问题。
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在模拟燃烧中的应用可如下图所示：图 1 FLUENT模拟过程中所需的物理模型1.1.1 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(单或二组分混合分数)层流火焰面模型(Laminar flamelet model)Zimount 模型1.1.2 离散相模型煤燃烧与喷雾燃烧1.1.3 热辐射模型DTRM，P-1，Rosseland 和Discrete Ordinates 模型1.1.4 污染物模型NOx模型，烟(Smoot)模型2.1气相燃烧模型·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2.2.1 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。
求解积分的输运方程，得到每种组分的时均质量分数值，如下：-----(1)其中组分j的反应源项为所有反应K个反应中，组分j的净生成速率：-----(2)-----(3)计算所需参数包括：1、组分及其热力学参数值；2、反应及其速率常数值。
有限速率模型的有缺点：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。
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。
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计算流体力学作业FLUENT 模拟燃烧问题描述：长为2m、直径为0.45m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0.0005 m，高0.05 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0.01 m、长为0.01 m、壁厚为0.002 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0.5 m/s的速度进入燃烧器。
总当量比大约是0.76(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5.7×103。
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②连接AC、CD、DE、DF、FG。
(5)创建燃烧筒壁面、隔板和出口②将H、I、J、K、L、M、N向Y轴负方向复制，距离为板高度0.05。
③连接GH、HO、OP、PI、IJ、JQ、QR、RK、KL、LS、ST、TM、MN、NB。
(6)创建流域将以上闭合线段创建为面。
第2步对空气进口边界进行网格划分（1）划分甲烷进口边界为等距网格①点击Edges右侧黄色区域②按下Shift+鼠标左键，点击AC线段③Type选Successive Ratio,Radio 选1④在Spacing下面白色区域右侧下拉列表中选择Interval count⑤在Spacing下面白色区域内填入网格的个数5⑥保留其他默认设置，点击APPL Y（2）划分空气入口边界为不等距网格①选择FG线时，若线段方向由F指向G，则按住Shift键，用鼠标中键点击FG线段，使线段方向由G指向F。
②在Type项选择Exponet③在Ratio项输入0.38④Spacing选择Interval size 并输入0.005⑤点击APPL Y（3）划分小喷嘴壁面为等距网格①把CD、EF线段划分为网格数为4的等距网格②把DE线段划分为网格数为3的等距网格（4）划分燃烧器出口边界为等距网格把燃烧器出口边界BN划分为35个等距离网格。
（5）划分燃烧器壁面为网格燃烧器壁面由GH、IJ、KL、MN组成①在Edges项选择GH、IJ、KL、MN②在Type项选择Bi-exponent,在Ratio项输入0.55③在Spacing项选择Interval count，并输入62④Apply（6）对壁筒上的三个隔板进行网格划分①把六个竖直边HO、IP、JQ、KQ、LS、MT分别划分为10个等距网格②把三个横边OPQRST分别化为2个等距网格（7）对整个计算域进行面网格划分①点击Face右侧黄色区域②按下Shift+鼠标左键，点击面上的边线③在Elements选择Quad④在Type项选择Pave⑤在Spacing项选择Interval size,并输入网格间距0.008⑥Apply第3步设置边界类型并输出文件（1）设置甲烷速度入口边界①在Action项为Add②在Name 项填入边界名inlet-fuel③在Type项选择WELOCITY_INLET④点击Edges右侧黄色区域⑤按住Shift键点击AC线段⑥Apply（2）设置空气速度入口边界①在Name 项填入边界名inlet-air②在Type项选择WELOCITY_INLET③在Edges项选择FG线段④Apply（3）设置压力出流边界①在Name 项填入边界名outlet②在Type项选择PRESSURE_OUT③在Edges项选择BN线段④Apply（4）设置对称轴边界①在Name 项填入边界名axis②在Type项选择axis③在Edges项选择AB线段④Apply（5）设置小喷嘴的边界类型①在Name项填入边界名zozzle②在Type下选择WALL③在Edges项选择CD、DE、EF④点击apply（6）输出网格文件①在File Name项确认文件名②选择Export 2-D(X-Y)Mesh③Apply二、利用FLENT-2d求解器进行模拟计算第1步启动FLENT-2d求解器，读入网格文件。
（1）启动FLUENT-2d求解器（2）读入网格文件combustion.msh（3）检查网格（4）网格信息（5）网格长度单位设置（6）显示网格第2步设置求解模型（1）设置求解器①在Solver项选择Segregated②在Formulation项选择Implicit③在Space项选择Axisymmeric④在Time项选择Steady⑤OK（2）选用k-ε湍流模型①在Model项选择k-epsilon②OK（3）激活能量方程①选择Energy Equation②OK（4）启动化学组分传输和反应①在Model先选择Species Transport②在Reaction下选择Volumetric③在Options下选择Diffusion Energy Source④在Mixture Material下拉列表中选择methane-air⑤在Turbulence-Chemistry Interaction 下选择Eddy-Dissipation⑥OK第3步流体材料设置①在Denity下拉列表中选择incomprehensible-ideal-gas②在Cp项选择Constance,输入1000③点击Mixture Species 右边的Edit。
④点击Cancel⑤在Material面板中，点击Reaction下拉列表右边的Edit⑥OK⑦使用滚动条检查其余的物性⑧点击Chang/Create，接受材料物性的设置并关闭对话框第4步设置边界条件（1）打开边界条件面板（2）设定空气进口inlet-air的边界条件①在Zone项选择inlet-air②确定在Type项为velocity-inlet③在Velocity Magnitude项输入空气入口速度0.5④在Turbulence Specification Method 项选Intensity and HydraulicDiameter⑤在Turbulence Intensity项输入10⑥在Hydraulic Diameter项输入燃烧筒直径0.45项输入0.22⑦Species Mass Fractions 项均为常数，且在O2⑧点击OK（3）设定燃料进口边界条件①在Zone 项选择inlet_fuel②确定Type项为velocity-inlet ,点击Set,打开燃料速度入口边界设置对话框③设置后点击OK（4）设定压力出口边界条件①在Zone项选择outlet②确定Type项为pressure-outlet点击set，打开压力出流白边界设置对话框③进行设置，点击OK（5）设定燃烧筒外壁的边界条件①在Zone项选择wall②点击set，打开壁面边界条件设置对话框③在Thermal选项卡中的Thermal Conditions项选择Temperature④在Temperature项输入温度300⑤保留其他默认设置，点击OK（6）设置燃料进口喷嘴壁面的边界条件①在Zone项选择nozzle②点击set，打开喷嘴壁面边界设置对话框③在Thermal选项卡中Thermal Conditions项选择Heat Flux④在Heat Flux项保留默认的零值⑤保留其他默认设置，点击OK第5 步初始化流场并求解（1）设置求解控制参数①打开求解控制参数设置对话框，在Under-Relaxation Factors项，设置每个组分的松弛因子为0.8②保留其他默认设置，点击OK（2）流场初始化①在Compute From下拉列表中选择all-zones②设置CH为0.24③调整温度初始值到2000④点击Init（3）在计算期间打开残差图形监视器①打开残差监视器设置对话框在Options下，选择Print和Plot②调整energy残差收敛标准为1e-05③保留其他默认设置，点击OK（4）保存case文件打开文件保存对话框，键入文件名combustion1，点击OK（5）进行1000步迭代计算打开迭代计算对话框。
填入1000（6）保存case和data文件Case&Data 保存的文件名为combustion1.cas 和 combustion1.dat （7）绘制温度分布云图①打开绘制分布云图设置对话框在Option项选择Filled②在Contours of 下拉列表中选择Temperature...和StaticTemperature③保留其他默认设置，点击DisplayFluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。
它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。
CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。
由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。
灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。
目前与FLUENT配合最好的标准网格软件是ICEM，而不是早已过时的GAMBIT。
FLUENT软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的；FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。
湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-ε模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。