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。

(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1
④在Spacing下面白色区域右侧下拉列表中选择Interval count
⑤在Spacing下面白色区域内填入网格的个数5
⑥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Exponet
③在Ratio项输入0.38
④Spacing选择Interval size 并输入0.005
⑤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、MN
②在Type项选择Bi-exponent,在Ratio项输入0.55
③在Spacing项选择Interval count，并输入62
④Apply
（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Quad
④在Type项选择Pave
⑤在Spacing项选择Interval size,并输入网格间距0.008
⑥Apply
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
⑥Apply
（2）设置空气速度入口边界
①在Name 项填入边界名inlet-air
②在Type项选择WELOCITY_INLET
③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outlet
②在Type项选择PRESSURE_OUT
③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axis
②在Type项选择axis
③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zozzle
②在Type下选择WALL
③在Edges项选择CD、DE、EF
④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)Mesh
③Apply
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Segregated
②在Formulation项选择Implicit
③在Space项选择Axisymmeric
④在Time项选择Steady
⑤OK
（2）选用k-ε湍流模型
①在Model项选择k-epsilon
②OK
（3）激活能量方程
①选择Energy Equation
②OK
（4）启动化学组分传输和反应
①在Model先选择Species Transport
②在Reaction下选择Volumetric
③在Options下选择Diffusion Energy Source
④在Mixture Material下拉列表中选择methane-air
⑤在Turbulence-Chemistry Interaction 下选择Eddy-Dissipation
⑥OK
第3步流体材料设置
①在Denity下拉列表中选择incomprehensible-ideal-gas
②在Cp项选择Constance,输入1000
③点击Mixture Species 右边的Edit。

④点击Cancel
⑤在Material面板中，点击Reaction下拉列表右边的Edit
⑥OK
⑦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-air
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
⑥在Hydraulic Diameter项输入燃烧筒直径0.45
项输入0.22
⑦Species Mass Fractions 项均为常数，且在O
2
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
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outlet
②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wall
②
③点击set，打开壁面边界条件设置对话框
④在Thermal选项卡中的Thermal Conditions项选择Temperature
⑤在Temperature项输入温度300
⑥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nozzle
②
③点击set，打开喷嘴壁面边界设置对话框
④
⑤在Thermal选项卡中Thermal Conditions项选择Heat Flux
⑥在Heat Flux项保留默认的零值
⑦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0.8
②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-zones
②设置CH
为0.2
4
③调整温度初始值到2000
④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Plot
②调整energy残差收敛标准为1e-05
③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Filled
②在Contours of 下拉列表中选择Temperature...和Static
Temperature
③保留其他默认设置，点击Display
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。

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。

另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型；
适用于牛顿流体、非牛顿流体；
含有强制/自然/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射；
化学组份的混合/反应；
自由表面流模型，欧拉多相流模型，混合多相流模型，颗粒相模型，空穴两相流模型，湿蒸汽模型；
融化溶化/凝固；蒸发/冷凝相变模型；
离散相的拉格朗日跟踪计算；
非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导，多孔介质模型（考虑多孔介质压力突变）；风扇，散热器，以热交换器为对象的集中参数模型；
惯性或非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格；
动静翼相互作用模型化后的接续界面；
基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型；
质量、动量、热、化学组份的体积源项；
丰富的物性参数的数据库；
磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题；
连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题；
高效率的并行计算功能，提供多种自动/手动分区算法；内置MPI并行机制大幅度提高并行效率。

另外，FLUENT特有动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算；FLUENT软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口（UDF）；FLUENT软件采用C/C++语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。

在CFD软件中，Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。

Fluent 的软件设计基于"CFD计算机软件群的概念",针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。

由于囊括了Fluent Dynamical International比利时PolyFlow和Fluent Dynamical International(FDI)的全部技术力量(前者是公认的在黏弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司,后者是基于有限元方法CFD软件方面领先的公司),因此Fluent具有以上软件的许多优点。