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非预混层流火焰模型

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稳态湍流非预混燃烧的小火焰模拟

稳态湍流非预混燃烧的小火焰模拟

ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｃ ａ ｎ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｈ ｅ ａ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｉ ｎ ｉ ｆ ｒ ｅ ｂ ｏ ｘ ．
在 混合分 数空 间 中，反 应标量方 程不包 含对 流项 ，
垂 直于火焰 面方 向的非预混 影响通 过标量 耗散率描 述， 湍 流非预混火焰可 以看成是无数个层 流对 撞射流非预混 火焰 ，所以稳态非预混火焰通常采用 的层流对 撞射流火 焰 的关 系式，可 以推 出其标量耗散率的分布函数 ：
ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｎ ｏ ｎ － ｐ ｒ ｅ ｍｉ ｘ ｅ ｄ பைடு நூலகம்ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｌ ｆ ｏ ｗｓ ．Ｕｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｔ ｌ ｆ ｏ ｗｓ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ｌ ａ ｍｉ ｎ ａ ｒ ｌａ ｆ ｍｅ ｌ ｅ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｅ ｔ ｏ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ，ａ ｎ ｄ ｗｏ ｒ ｋ ｏ ｕ ｔ
＿ 厂（ ｚ ） ＝ ｅ ｘ ｐ （ 一 ２ ［ ｅ ｒ ｆ ￣ （ ２ ｚ ） ］ 。 ） （ ４ ）
１ 数学模型
本 文模 拟的是 甲烷／ 空气二维稳态 湍流非预混 燃烧， 为突 出数学模型，流场 的求解采用连续性方程 、 Ⅳ． 程
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｔ ｓ ｈ ｏ ｏ ｔ ｎ ｏ ｎ — ｐ ｒ ｅ ｍｉ ｘ ｅ ｄ ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｍｅ ｔ ｈ ａ ｎ ｅ ／ ａ ｉ ｒ ，ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｌ ａ ｍｉ ｎ ａ ｒ ｆ ｌ ａ ｍｅ ｌ ｅ ｔ ｍｏ ｄ ｅ １ ｆ ｏ ｒ ｔ ｗｏ ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｙ

Fluent燃烧模型

Fluent燃烧模型
The Rosseland Model
Rosseland模型是最为简化的辐射模型，只能应用于大尺度辐射计算。其优点是速度最快，需要内存最少。
Discrete Ordinates (DO) Model
DO模型是所有四种模型是最为复杂的辐射模型，从小尺度到大尺度辐射计算都适用，且可计算非－灰度辐射和散射效应，但需要较大计算量。
三、污染模型
NOx模拟
Fluent软件提供了三种NOx形成的模型：Thermal NOx、Prompt NOx和Fuel NOx形成模型。从而可以模拟绝大多数情况下的NOx生成问题。
烟尘模型（Soot Model）
Fluent软件可以考虑单步和两步的烟尘生成问题。烟尘的燃烧由有限速率模型模拟，并考虑了烟尘对辐射吸收的影响。
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。
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：
二、分散相燃烧模型
除了可以模拟各种气相燃烧问题以外，FLUENT5还提供了模拟分散相燃烧问题(液体燃料燃烧、喷射燃烧、固体颗粒燃烧等)的燃烧模型：

Fluent软件的燃烧模型介绍

Fluent软件的燃烧模型介绍

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。

层流非预混扩散火焰

层流非预混扩散火焰
的质量流量
单位体积内径向 对流引起的燃料
的质量流量
单位体积内径向 扩散引起的燃料
的质量流量
• 由于组分只有燃料和氧化剂两种，所以 两者的质量分数相加应该为1。
YOX 1 YF
2020/4/1
13
边界条件
• 为了求解未知的 vx(r,x), vr(r,x), YF(r,x) • 在轴线上：(r=0)
9.12
此方程反映了任意x和r处的轴向速度与初始速度ve的比值
2020/4/1
19
vx / ve 0.375(eve R / )(x / R)1[1 2 / 4]2 ,
9.12
• 再令r = 0(ξ = 0)，即可得到中心线速度的衰减关系式：
vx,0 / ve 0.375(eve R / )(x / R)1 9.13 =0.375 Re j (x / R)1
方程9.2中的燃料质量分数场 Yf(r, x) 的具体 分布。
2
(r,x)v
2 x
(r,
x)rdr
eve2
R2,
9.1
0
2 (r, x)vx (r, x)YF (r, x)rdr eveR2YF,e , 9.2
0
2020/4/1
9
假设
1、射流和周围流体的摩尔质量相等。有了这个假设， 加上理想气体性质，并设流场内压力和温度都是常 数，那么整个流场内流体的密度也就是常数。
2、物质之间的扩散为遵从费克定律的简单二元扩散。
3、动量和组分的扩散率都是常数，且相等，即施密特
数[Sc =ν（动量扩散率）/D （质量扩散率）]等于1。
4、只考虑物质的径向动量扩散，忽略轴向扩散。
因此，下面得出的结论只在距离喷嘴出口下游一定距离的地 方，也就是隐核以外的地方才适用，因为喷嘴出口处隐核 内部轴向扩散起着较大的作用，不能忽略。

燃烧学9-非预混火焰

燃烧学9-非预混火焰
火焰结构
非预混火焰的形状可以是平面、管状、球状等，取决于燃烧器的设计。
火焰形状
通过调整燃料和氧化剂的混合物比例、改变反应条件和改进燃烧器设计，可以优化非预混火焰的结构与形状，提高燃烧效率。
优化火焰结构与形状
火焰结构与形状
火焰温度
非预混火焰的温度取决于燃料和氧化剂的反应速度和燃烧条件。
组分分布
非预混火焰中的气体组分分布受到燃料类型、反应条件和化学反应动力学的影响。
基于多场耦合模型，对燃烧过程进行优化和控制，提高燃烧效率并降低污染物排放。
燃烧过程优化与控制

多场耦合燃烧模拟与实验研究
THANKS
感谢您的观看。
火焰传播速度
火焰稳定性
火焰稳定性
非预混火焰的稳定性是指火焰在受到扰动或外界影响时保持稳定燃烧的能力。
影响因素
火焰稳定性受到燃料和氧化剂的混合物比例、反应条件和燃烧器设计等因素的影响。
提高稳定性
通过优化燃料和氧化剂的混合物比例、改善反应条件和设计合理的燃烧器，可以提高非预混火焰的稳定性。
非预混火焰的结构由燃料和氧化剂的混合物比例、反应条件和燃烧器设计等因素决定。
高可靠性
非预混火焰燃烧稳定，能够保证燃气轮机的可靠运行。
燃气轮机
在航空航天领域，非预混火焰的应用主要涉及发动机的燃烧室设计。采用非预混火焰能够提高发动机的燃烧效率、降低油耗、减小发动机尺寸等。
航空航天领域
在航空航天领域，设备的可靠性和安全性至关重要。非预混火焰燃烧稳定，能够保证发动机的安全运行。
高可靠性
采用燃料分级燃烧技术，将燃料分为不同阶段进行燃烧，降低燃烧温度和污染物排放。
高效低污染燃烧技术
03
02
01

chemkin层流燃烧速度计算模型

chemkin层流燃烧速度计算模型

chemkin层流燃烧速度计算模型
chemkin是一款常用的化学反应动力学软件，可以用于计算燃烧反应的速率、温度、压力等参数。

在chemkin中，层流燃烧速度计算模型是一种常用的模型，用于模拟层流燃烧反应的过程。

层流燃烧速度计算模型基于一维流动的假设，将燃烧反应看作是一个一维的流动过程。

在这个模型中，燃烧反应的速度与燃料浓度、温度、压力等参数有关。

通过建立数学模型，可以计算出燃烧反应的速率和温度等参数。

具体来说，层流燃烧速度计算模型的建立需要考虑以下因素：
1. 燃料浓度：燃烧反应需要燃料，燃料的浓度会影响燃烧反应的速度。

2. 温度：燃烧反应是一个放热反应，温度会影响反应的速率和燃烧产物的组成。

3. 压力：压力对燃烧反应的影响比较复杂，有时会对反应产生抑制作用，有时会促进反应的进行。

4. 化学反应动力学模型：需要建立燃料与氧气反应的化学反应动力学模型，以描述燃烧反应的过程。

在层流燃烧速度计算模型中，需要输入燃料浓度、温度、压力等参数，并选择适
当的化学反应动力学模型。

通过求解数学方程，可以计算出燃烧反应的速度和温度等参数。

这些参数可以用于进一步的分析和模拟，例如计算燃烧器的效率、分析燃烧产物的组成等。

总之，chemkin中的层流燃烧速度计算模型是一种有效的工具，可以帮助我们了解燃烧反应的过程和规律，为实际的工程应用提供支持。

ffluent燃烧(预混、非预混)

ffluent燃烧(预混、非预混)

12.2.1通用有限速度模型该方法基于组分质量分数的输运方程解，采用你所定义的化学反应机制，对化学反应进行模拟。

反应速度在这种方法中是以源项的形式出现在组分输运方程中的，计算反应速度有几种方法：从Arrhenius速度表达式计算，从Magnussen 和Hjertager [149]的漩涡耗散模型计算或者从EDC模型[148]计算。

这些模型的应用范围是非常广泛的，其中包括预混和，部分预混和和非预混和燃烧，详细内容请参阅第13章。

12.2.2 非预混和燃烧模型在这种方法中，并不是解每一个组分输运方程，而是解一个或两个守恒标量（混和分数）的输运方程，然后从预测的混合分数分布推导出每一个组分的浓度。

该方法主要用于模拟湍流扩散火焰。

对于有限速度公式来说，这种方法有很多优点。

在守恒标量方法中，通过概率密度函数或者PDF来考虑湍流的影响。

反映机理并不是由我们来确定的，而是使用flame sheet（mixed-is-burned）方法或者化学平衡计算来处理反应系统。

具体请参阅第十四章。

层流flamelet模型是非预混和燃烧模型的扩展，它考虑到了从化学平衡状态形成的空气动力学的应力诱导分离，具体请参阅14.4节。

12.2.3 预混和燃烧模型这一方法主要用于完全预混合的燃烧系统。

在这些问题中，完全的混合反应物和燃烧产物被火焰前缘分开。

我们解出反应发展变量来预测前缘的位置。

湍流的影响是通过考虑湍流火焰速度来计算得出的。

具体请参阅第15章。

12.2.4部分预混和燃烧模型顾名思义，部分预混和燃烧模型就是用于描述非预混和燃烧和完全预混和燃烧结合的系统。

在这种方法中，我们解出混合分数方程和反应发展变量来分别确定组分浓度和火焰前缘位置。

具体请参阅第十六章。

12.3 反应模型的选择解决包括组分输运和反应流动的任何问题，首先都要确定什么模型合适。

模型选取的大致方针如下：∙通用有限速度模型主要用于：化学组分混合、输运和反应的问题；壁面或者粒子表面反应的问题（如化学蒸气沉积）。

第14章 非预混燃烧模拟

第14章 非预混燃烧模拟

第十四章非预混燃烧模拟Chapter 14. Modeling Non-Premixed Combustion在非预混燃烧中，燃料和氧化剂以相异流进入反应区。

这与预混燃烧系统截然不同。

在预混燃烧系统中，反应物在燃烧以前以分子水平混合。

非预混燃烧的例子包括甲烷燃烧、粉煤炉和内部燃烧柴油（压缩）发动机。

在一定假设条件下，热化学可被减少成一个单一的参数：混合分数。

混合分数，用f表示，是来自燃料流的质量分数。

换句话说，混合分数就是在所有组分（CO2、H2O、O2等）里，燃烧和未燃烧燃料流元素（C、H等）的局部质量分数。

因为化学反应中元素是守恒的，所以这种方法极好。

反过来，质量分数是一个守恒的数量，因此其控制输运方程不含源项。

燃烧被简化为一个混合问题，并且与近非线性平均反应率相关的困难可以避免。

一经混合，即可用层流小火焰（laminar flamelet）模型将化学反应模拟成为化学平衡或近化学平衡。

模型包括以下几个部分：14.1：平衡混合分数／PDF模型（Description of the Equilibrium Mixture Fraction/PDF Model）；14.2：非预混平衡化学反应的模拟方法（Modeling Approaches forNon-Premixed Equilibrium Chemistry）；14.3：非预混平衡模型的用户输入（User Inputs for the Non-Premixed Equilibrium Model）；14.4：层流小火焰模型（The Laminar Flamelet Model）；14.5：在prePDF数据库中添加新种类（Adding New Species to the prePDF Database）；14.1：平衡混合分数／PDF模型非预混模拟方法包括解一或两个守恒量（混合分数）的输运方程。

不解单个组分方程。

取而代之的是每个组分的浓度用预混分数场得到。

非预混火焰中的流动及燃烧不稳定性的直接数值模拟研究

非预混火焰中的流动及燃烧不稳定性的直接数值模拟研究

非预混火焰中的流动及燃烧不稳定性的直接数值模拟研究鉴于全球环境质量的不断下降以及当今以化石燃料为主的能源结构的局限性,使得清洁能源的利用问题越来越受到人们的关注。

这其中,氢能由于其高效、清洁等优点而格外引人注目。

然而到目前为止,由于对氢气燃烧机理和燃烧行为的认识尚未完善,这很大程度上限制了人们对氢能的安全开发和利用。

基于此,本文利用高精度直接数值模拟的方法对非预混火焰在流动和燃烧过程中的不稳定性行为和燃烧的内在机理做了详细研究。

在研究中利用768个处理器核进行了大规模的高效并行计算。

而且,为了能得到更精细的流场结构,在计算中考虑了实际燃烧中的详细化学反应过程。

本研究包括四方面的内容,分别为：(1)探讨了氢气非预混火焰在流动和燃烧过程中固有的流体动力学不稳定性。

(2)研究了由于氢气自身的快速扩散的属性诱发的热扩散不稳定性对非预混火焰结构的影响。

(3)探讨了燃烧室中非预混火焰因火焰、压力波及燃烧等因素的相互作用诱导的声学响应和热声耦合不稳定性的形成。

(4)建立于三维大规模的直接数值模拟中提供的海量数据的基础上,开展了对非预混燃烧中的输运模型的检验和发展的研究。

在流动和燃烧过程中自身存在的流体动力学不稳定性方面,分别开展了二维和三维直接数值模拟的研究,探讨了氢气射流撞击火焰在近场区域的不稳定性。

研究中发现,浮力驱动下的流动不稳定性对火焰外部涡旋结构的形成至关重要。

而且,捕捉到了由剪切效应引起的开尔文-亥姆霍兹不稳定性和相应的小尺度涡旋结构的形成,并且探讨了扰动对这两种不稳定性的响应。

通过比较二维和三维的模拟结果,发现二维模拟结果有一定的局限性,但它可以节省大量的计算资源,而三维结果的预测更为准确和精细。

通过大规模高精度的三维直接数值模拟,进一步研究了氢气非预混火焰中的热扩散不稳定性。

这种不稳定性是由氢气自身的快速扩散的性质诱导的。

研究发现,流场中固有的流体动力学不稳定性会引发非预混火焰的不稳定,而由优势扩散引起的热扩散不稳定性在一定程度上却能够减弱这种不稳定性的影响。

starccm 非预混丙烷化学反应

starccm 非预混丙烷化学反应

starccm 非预混丙烷化学反应1. 背景介绍starccm是一种流体动力学计算软件，可以用于求解多种流体动力学问题，包括非预混燃烧反应。

非预混燃烧是指燃料和氧气不是提前混合的，而是在燃烧区域内同时存在，这种燃烧方式常见于工业领域的炉内燃烧、发动机燃烧等情况。

2. starccm中的非预混燃烧模型在starccm中，非预混燃烧模型可以通过定义燃料和氧化剂的物质属性以及燃烧反应方程来实现。

在模拟非预混燃烧过程时，需要考虑燃料和氧化剂的混合、传输和反应过程，以及燃烧产物的生成和释放。

3. 模拟非预混丙烷化学反应的步骤在starccm中模拟非预混丙烷化学反应的步骤如下：1) 定义流场模型：包括流体的物理性质、边界条件、网格划分等。

2) 定义燃料和氧化剂的性质：包括温度、压力、化学组成等。

3) 设定反应方程：根据丙烷燃烧的化学反应方程设定反应模型。

4) 求解运动方程和能量方程：通过求解流场中的质量、动量和能量守恒方程来模拟非预混丙烷化学反应过程。

5) 分析结果：分析模拟结果，包括温度场、速度场、反应产物分布等。

4. 应用案例非预混丙烷化学反应的模拟在工业领域具有重要的应用价值。

在内燃机燃烧过程中，丙烷是常见的燃料之一，了解燃烧过程对于提高燃烧效率、减少污染排放具有重要意义。

通过starccm对非预混丙烷化学反应进行模拟，可以帮助工程师深入了解燃烧过程，优化燃烧系统设计。

5. 结语starccm作为一种流体动力学计算软件，可以有效地模拟非预混丙烷化学反应，为工程领域的燃烧问题提供了重要的分析和解决途径。

随着工业技术的不断发展，非预混燃烧问题的研究和应用将会变得更加重要和广泛。

希望starccm能够在这一领域发挥更大的作用，为工程技术的进步做出更大的贡献。

非预混丙烷化学反应在工程实践中的应用越来越广泛，其中，丙烷作为一种重要的燃料，在工业生产、能源利用等领域具有广泛的应用。

在内燃机、燃气轮机等设备中，非预混丙烷的燃烧过程影响着能源利用效率和环境排放等重要参数，为了优化设备性能和减少环境污染，对非预混丙烷化学反应的模拟研究显得尤为重要。

燃烧学-第五章

燃烧学-第五章
添加剂的影响 ：惰性添加剂，反应添加剂

燃料/氧配比的影响（过量空气系数的影响）
混合气配比对火焰 传播速度影响很大。
除氢气和一氧化碳 外，最大火焰传播速度 处在λ=0.80～0.85范围内。
对大多数混合气来 说、最大火焰传播速度 是发生在化学计量比条 件下。
对每一种燃料—氧化剂的可燃混合气都存在 一定的可燃界限，其上限为混合气浓限，下 限为混合气稀限。这是维持火焰传播的一个 必要条件。
第五章 火焰传播与气体燃料燃烧
层流火焰概念、结构特征、传播机理、传播速度计算，层 流火焰传播速度影响因素 ，湍流火焰概念 ，湍流火焰传播理论 与传播速度，爆震燃烧理论。
层流火焰结构、传播机理，湍流火焰传播两种理论
层流火焰传播的数学模型建立与推导，湍流火焰传播理论
• 预混气体火焰
Premixed Flame （Bunsen Flame ）

在火焰前沿厚度的很大一部分上，化学反应的速度很 小，称为预热区，以 δd 表示。而化学反应主要集中 在很窄的区域 δc 中进行，称其为化学反应区。

火焰前沿传播机理

火焰传播的热理论 认为火焰中反应区(即火焰前沿)在空间的移动，取 决于反应区放热从而向新鲜混合气的热传导。

火焰传播的扩散理论
认为凡是燃烧都属于链式反应，在链式反应中借助
Sl＝u0
对固定火焰，火焰面静止不动，即up=0，则 Sl = u0 = us 即：火焰传播速度就等于未燃混合气进入火焰面的流速， 两者大小相等方向相反。
(u p、u s反方向） (u p、u s同方向）
可燃气体和空气混合物在20℃及760厘米水银柱 下的火焰前沿移动的正常速度值
可 燃 气 体 H2 CO CH4 C2H2 C2H4 正 常 速 度 uH, m/s 1.6 0.30 0.28 1.0 0.5

非预混层流火焰模型

非预混层流火焰模型
关于混合分数模型的知识请查看第 14.1 节。 14.4.1 简介。
在扩散火焰中，燃料和氧化剂扩散至反应区，遇到活性中心，点火发生。更多 的热和活化中心由此产生，一些扩散出去。在近似平衡火焰中，火化中心和温度浓度增 加，火化中心和热就更多地从火焰中挥发出去。留给火化中心达到平衡的时间就越短， 当地不平衡性增加。
和混合分数。 是第 I 个 Lewis 数，具体定义在 13.1-4 中。k, c p, i, 和 c p 相应的 是热导率，第 I 种的比热和混和平均比热。Si 是第 I 种物质的反应速率。H * I 是第 I 种物
质的比焓。耗散标量 必须在小火焰中定义。公式 14.4-2 的变形形式在【114】中使用。
(1 4.4.7)
方程 14.4-6 中的最后一项是为了考虑小火焰中的辐射耗散项。 是 Stefan-Boltzmann 常数，p 是压力，Xi 是第 I 种物质的摩尔分数，a I 是 Planck 平均吸收系数(见【83】)的 多项式系数。Tb 是背景（无穷远处）温度。使用辐射项可以稍为提高准确性，但在低应变 率下会导致发散。因此，使用这一项应该小心谨慎。
平衡方程，解决方法，逆向层流扩散火焰的计算实例可以在一些参考文献中找到。 具体的解释与分析可以在【27，51】中找到。
应变率及梯度耗散 对于逆流扩散小火焰，典型的应变率可以如下定义： a s = v/2 d，v 是燃料和氧 化剂的速度，d 是喷嘴口之间的距离。
替代了使用应变率来量化非平衡偏离的方法以后，使用 很方便。标量耗散定义如下：
在平衡பைடு நூலகம்预混燃烧模型中，温度的极限为
和
。对非绝热小火焰模型，
这种极限时范围或混合分数和标量耗散的公式限制了使用的焓范围。
下限

非预混燃烧模拟

非预混燃烧模拟
应用火焰面近似值得到 的组分质量分数和焓
H
25
由于不需要反应率或者平衡计算，火焰面近似值可以很容易地并且快速的 计算出。然而，火焰面近似值模型受限于一步反应的预测，不能预测中间 组分形成或离解效应。这经常会导致严重过高预测火焰峰值温度，特别是 那些涉及高温的系统（例如，预热或者富氧）。
B. 平衡假设Equilibrium Assumption：平衡模型假设化学反应足够迅速 以使化学平衡总保持在分子水平上。根据最小吉布斯自由能法则，可由f 来计 算组分摩尔分数。图显示甲烷在空气中的燃烧中一个包括10种组分的反应系 统的摩尔分数。
a.简单燃料／氧化剂扩散火焰
H
4
b.用多氧化剂入口的扩散系统 c.用多燃料入口的系统
H
5
B.能用二混合分数模拟的化学反应系统结构
a.包含两个不同燃料入口系统
b.包含两种不同氧化剂入口的系统
H
6
三. 非预混模拟方法的限制和特别反应类型
special cases and Restrictions on the Mixture Fraction Approach
A.限制
非预混方法仅能用于当反应流动系统满足以下要求时：
• 流动是湍流。
• 化学动力学必须迅速以使流动接近化学平衡。
• 化学反应系统必须是有分离的燃料和氧化剂入口的扩散类型（喷雾（喷射 ）燃烧和粉碎燃料火焰也可属此类）。
• 所有组分和焓的扩散系数相等。是对湍流的良好的近似。
• 当使用单一混合分数时，必须遵守如下条件 ：
(6)
式中：Cvar＝用户可调节常数；Lsgs＝次网格尺度。
H
20
混合分数与平衡比的关系
Mixture Fraction vs. Equivalence Ratio

第四章 fluent非预混燃烧模型

第四章 fluent非预混燃烧模型
1、选择非预 混模型 2、定义化学 模型
选择平衡化学模型 选择绝热或非绝热
定义二次流
经验流（一般用于煤粉燃烧，气相燃料不适用） 需要输入燃料的低位发热量和比热。
F的化学成分
查找需要的物质 选择需要添加的物质
定义温度
FLUENT设置步骤
4、计算查询表
5、显示计算结果
三、非预混模型
• 非预混燃烧：燃料和氧化剂以相异流进入反应区。
非预混模型
• 假设前提：反应是受混合速率控制，即已经到达化学平 衡状态，每个单元内的组分及性质由燃料和氧化剂的湍 流混合强度所控制。 • 非预混模型基本思想： （1）热化学减少成单一参数：混合分数f，f表示所有组分 中未知燃料流元素（C、H等）的局部质量分数； （2）质量分数是一个守恒的量，控制方程中不含源项， 燃烧被简化为一个混合问题。 • 模型：平衡混合分数的PDF模型。
• Equilibrium：化学平衡假设，燃烧系统总处于平衡状态； • Steady Flamelet：局部化学平衡会导致不真实的结果，有 些燃烧存在非平衡效应，如射流火焰的抬举和吹熄现象。
层流火焰面模型
• 基本思想： （1）把离散、定常层流火焰成为小火焰，并用之近 似模拟紊流火焰； （2）假定个体的小火焰和层流火焰拥有相似的结构， 小火焰是由计算或实验得到的； • 优点：将实际的动力效应融合在紊流火焰之中； • 局限：适用于相对高速的化学反应中，不适合于 燃烧速度缓慢的火焰，如点火、熄火和Nox的生 成（应选择EDC模型）。
两种模拟方法
• 经验燃料法（Empirical Stream）：选择C、 H、O、N、S作为基本元素，按照经验值输 入元素的质量分数。
元素 C Wt％（DAF） 89.3 Wt%（DAF） 89.3

使用非预混燃烧模型

使用非预混燃烧模型

《数值计算与工程仿真》专刊—FLUENT HELP 算例精选中文版（二）算例 13引言使用非预混燃烧模型煤粉燃烧的模拟包括气相连续流场的建模和它与煤粒非连续相的作用的建 模。

穿过气体的煤粒会挥发燃烧并成为与气相反应的燃料源。

反应可以用组份 输运模型（the species transport）或模型（the non-premixed combustion）模拟， 在本指南中你将用非预混燃烧模型模拟简单煤粉燃烧炉中的化学反应。

在本指南中你将学会： 1.怎样用 prePDF 预处理程序为煤粉燃料准备 PDF 表格。

2.怎样为非预混燃烧化学模型定义输入条件。

3.怎样定义煤粒的非连续相。

4.怎样解决包含非连续相煤粒的反应的模拟。

非预混燃烧模型用这样的一种建模方法：用一个或二个守恒量，即混合分 数求解输运方程。

多种化学组份，包括基团和中间产物组份可能被包含在对问 题的定义当中，而且它们的浓度将来至于混合分数分布的预测。

组份的特性参 数是通过化学数据库获得。

湍流化学反应是用 Beta 或者双 delta 概率密度函数 来模拟的。

关于非预混燃烧模拟方法的更多细节请参看使用手册。

前提条件本指南是建立在你已经熟悉 FLUENT 的菜单结构并且已经做完指南 1 的基 础上的。

因此在建立过程中的一些步骤和解决过程将被省略。

问题描述本指南中用的煤燃烧系统为一简单的 10m*1m 的二维管道， 如图 13.1 所示。

因为是对称的，所以只模拟宽度方向上的一半区域。

2D 管道的进口分为两股流 动。

管道中心附近的高速流速度为 50m/s，宽度为 0.125m。

另一股流的速度为 15m/s， 宽度为 0.375m.两股流都为 1500K 的空气。

煤粒在高速流的附近以 0.1kg/s—151 —《数值计算与工程仿真》专刊—FLUENT HELP 算例精选中文版（二）（炉膛中的总流量为 0.2kg/s）的质量流量进入炉膛。

燃烧学9-非预混火焰

燃烧学9-非预混火焰

燃料燃烧所需的时间τ= τm+ τr
燃料与空气混合时间τm流动特征时间
燃烧反应时间τr
化学反应时间
Da= τm /τr
扩散燃烧： τm >>τr, τ≈ τm
化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于混合速度，与化 学反应速度关系不大
预混燃烧： τm <<τr, τ≈ τr
混合过程进行得很快，燃烧快慢主要取决于化学反应速度 (化学动力因素)，与混合过程关系不大
（1）初始射流动量通量与作用在火焰上的力之比，即火焰弗 卢德数Frf （2）化学恰当燃料质量百分数fs=1/(L0+1) （3）喷管内流体密度与环境气体密度之比ρe/ ρ∞
（4）初始射流直径di
火焰弗卢德数定义如下:
Frf
ve
f
3
/
2
e
/
1/ 4 T f
T
1/ 2 gd j
其中: Tf 为燃烧特征温度，ve为出口流速
将喷管内流体密度与环境密度之比e / 与初始射流
直径d j综合为一个参数,即动量直径:
d
* j
d（j e
/
）1/ 2
无因次火焰长度经验公式 :
L*
d
j
Lf
(e /
fs
)1/ 2
或
L*
Lf fs
d
* j
在浮力起主要作用区域，无因次火焰长度的经验公式为:
Frf 5
L* 13.5Fr2f /5 (1 0.07Fr2f )1/5
燃烧学
9-非预混火焰
火焰分类 扩散火焰特点 层流扩散火焰结构 湍流扩散火焰
第一节 火焰分类
一 扩散燃烧与预混燃烧概念 预混火焰 在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合，预 混射流（燃料与空气混合物）直接形成的火焰 扩散火焰 在发生化学反应之前，燃料和氧化剂是分开的，依 靠分子扩散和整体的对流运动（湍流扩散）使反应 物分子在某一个区域混合，接着进行燃烧反应

稳态湍流非预混燃烧的小火焰模拟

稳态湍流非预混燃烧的小火焰模拟

稳态湍流非预混燃烧的小火焰模拟
王姣
【期刊名称】《工业加热》
【年(卷),期】2014(043)001
【摘要】以甲烷/空气的湍流射流非预混燃烧为对象,建立二维稳态湍流非预混火焰的小火焰模型.利用湍流流动模型和小火焰模型耦合求解,计算出速度、混合分数、温度以及反应标量的摩尔分数在燃烧室内的分布,模拟结果表明小火焰模型能够用来描述燃烧室内燃烧机理.
【总页数】3页(P56-58)
【作者】王姣
【作者单位】南京化工职业技术学院,江苏南京210048
【正文语种】中文
【中图分类】T578
【相关文献】
1.基于Level set的小火焰模型在湍流预混燃烧中的应用 [J], 韩向农;张其斌;李义科;武文斐
2.贫燃料湍流预混燃烧火焰稳定性的数值研究 [J], 王朝晖;王成军;吴镇宇;王丹丹
3.基于二阶矩封闭湍流模型的非预混湍流火焰的数值模拟 [J], 李国岫;Roekaerts Dirk
4.湍流非预混燃烧数值模拟的代数二阶矩模型 [J], 隋春杰;周力行;林博颖;孔文俊
5.湍流扩散火焰的非稳态火焰面模拟 [J], 王海峰;陈义良
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一样，假定 由其前面两个力矩（monent）确定。第一力矩即平均标量耗散 中的定义如下：
在 fluent
(1 4.4.4)
假定 是值为 2 的常数。在 prePDF 中，定义标量耗散方差为常数。根据参考文献【27】， 在实际运用中我们可以忽略标量耗散的脉动。但值得注意，沿着标量耗散坐标方向，若使用 非零的标量耗散系数可以的到更加平滑的曲线。为了在 fluent 中避免 PDF 卷积，在 prePDF 中对公式 14.4.3 整合进行预处理，并存处在列表中。对于绝热流，单小火焰表中有两个量
在逆向层流火焰中，混合分数 f（详见 14.1.2）从燃油喷嘴开始到氧化剂喷嘴处 开始单调的递减至 0。假如质量分数和温度反映混合分数与实际空间相关，他们就能够
用唯一的混合分数和应变率(等效地标量耗散 ，详见 14.4-2)这两个变量来描述。从
而，就可以用两个参数 f 和 来完全表述化学反应。
这种把化学反应用 f 和 这两个参数完全描述的方法使小火焰计算能够进行预 处理，并被储存在表中。过对化学反应的预处理，可以大大减少计算时间。
这里的 D 代表相对应的扩散系数。
.来表示的标量耗散就
(1 4.4.1)
我们应当注意的是标量耗散项 随着小火焰的轴向变化。对于逆流结构而言，在 【176】中提到，小火焰的应变率 a s 与 f 相关。
(1 4.4.2)
= 标量耗散，在
处
as
= 特征应变率
=化学当量混合分数
= 反 erf 函数
在物理上而言，当火焰变形时，反应区的宽度减小，在化学恰当比的位置（
）
处 f 的梯度增加。那就用瞬间的标量耗散 作最主要的非平衡参数。其量纲是 s –1，
可以认为其是特征耗散时间的倒数。在
的极限时，化学反应趋于平衡，随着
的增加，非平衡性增加。当 超过极值点时发生小火焰的局部淬息现象。 嵌入到紊流火焰中的层状小火焰 s。 紊流火焰刷（turbulent flame brush）以离散的层状小火焰维模型。因此，对于
cai
！！尽管在 prePDF 中可以考虑微分扩散作用，但 fluent 中的缺省值为
。当
激活 Lewis 数后，Lewis 数自动按照时 13.1-4 计算。由于混合分数的计算形式有很多简化，
因此按缺省定义
可以得到较满意的结果。我们推荐使用缺省值，尤其时如 H 2 这
一类非常容易扩散的物质。
你可以调整离散混合分数间隔的网格点。因为物质分数和温度是用耦合，隐式的方
层流小火焰模型适合预测中等强度非平衡化学反应的紊流火焰，而不平衡性是 由于紊流所产生的空气动力学应变引起的。然而，化学反应能够迅速的对例如应变松弛 和对平衡能力的化学松弛等应变作出迅速的反应。
当化学反应时间尺度和流体运输时间尺度相当时，火化中心被认为是达到全局 化学不平衡，这些反应包括 Nox 的形成和低温 CO 的氧化。层流小火焰模型不适合于反 应速度缓慢的燃烧火焰。相反的，应当使用轨道颗粒假设(如 Nox 模型)，或是用 EDC 模 型（相见 13.1.1）。
层流火焰模型
层流火焰模型通过把离散，定常层流火焰叫做小火焰，.并用之近似模拟紊流火焰。 我们假定作为个体的小火焰和简单结构的层流火焰拥有相似的结构，而小火焰是由计算 或实验的得到的。在 prePDF 中使用具体的化学机理，prePDF 就可以在非预混燃烧中计 算逆向层流扩散小火焰。并通过使用静态 pdf 法将层流小火焰包含于紊流火焰中。
平衡方程，解决方法，逆向层流扩散火焰的计算实例可以在一些参考文献中找到。 具体的解释与分析可以在【27，51】中找到。
应变率及梯度耗散 对于逆流扩散小火焰，典型的应变率可以如下定义： a s = v/2 d，v 是燃料和氧 化剂的速度，d 是喷嘴口之间的距离。
替代了使用应变率来量化非平衡偏离的方法以后，使用 很方便。标量耗散定义如下：
PDF 表与平均焓值相关。 在 prePDF 中，你可以自己定义，也可以从其他已存在的文件中导入。包括 OPPDIF [ 147] ,
RIF [ 8, 9, 181] 和 RUN-1DL [ 179]. 在 PrePDF 中可以导入 OPPDIF 格式的小火焰文件和 其它标准格式的小火焰文件。
生成和导入小火焰的方法详见 14.4.4 和 14.4.5。 14.4.4 小火焰的生成。
在平衡非预混燃烧模型中，温度的极限为
和
。对非绝热小火焰模型，
这种极限时范围或混合分数和标量耗散的公式限制了使用的焓范围。
下限
是在点( f, ) 和
最小值，此下限不能低于在计算小火焰中所用的当地随地温度
的小火焰解的温度的
: (1
4.4.8)
温度上限曲线
由用户所定义的最高环境温度的最大值（
）的
极值计算得到。既是小火焰计算式在点 f 和
（见公式 14.4-3）。从而 在 fluent 中建立查询表供使用。你可以在 prePDF 中定义，或使用 其他程序生成小火焰文件
我们可以读入两种格式小火焰文件到 prePDF 中去：由 OPPDIF 生成的二进制文件 [147]和在 14.4.6 节和 Peters 和 Rogg 的【179】 中所提到的标准形式
,
,和
量。 和
氧和碳的进口ｂ值。
• 氮计量法:按下面的式子，通过氮的物质分数来计算混合分数:
分子
(14 .4.12)
是沿小火焰变化的氮元素的物质分数,
是在氧化剂进口处氮的物
质分数,
是在燃料进口处的氮的物质分数.
• 从标准格式文件中输入: 这种形式是对在混合分数所表示的空间内的小火焰 而言的.如果你使用这种方法， prePDF将自动寻找混合分数的关键词： Z（这在 [ 179] 有详细的说明），并取得数据. 如果prePDF没有在小火焰文件中找到混合分数的数据, 就将使用如下所描述的碳氢化合物公式法。
绝热系统，在小火焰模型中物质分数和温度完全是 f 和 度和物质分数可以如下确定：
的函数，在紊流火焰中的温
(1 4.4.3)
是典型标量如物质分数，温度，密度等。在 prePDF 中，假定 f 和 在统计学上是
相互独立，因此相关的
表达式就可以简化为
。认为 PDF 形式
是 p f，而在 fluent 中用关于 和 的运输方程来确定 p f .。双 δ pdf 中，和 PDF
可以把逆向层流扩散火焰方程空间格式转化为以混合分数（f）为变量的形式[182]。在 prePDF 中，解一系列被简化后的 f 函数方程【181】。在这里，由 N 方程解质量分数 Y i,
(1 4.4.5)
由公式计算温度
(1 4.4.6)
在方程 14.4-5 和 14.4-6 中的变量为 Y i, T, , f 式第 I 个质量分数，温度，密度
点的值:
(1 4.4.9)
里 f
混合分数 耗散标量
当地最低温度
最大值（例如，热壁或 进口）
由于若素所引起的最大 温降
超过绝热温度曲线的最 大温升
小火焰轮廓线的温度
绝热（平衡）火焰温度
当 flamlet 生成以后，小火焰剖面是很难解的，在 fluent 中被制成表格可以查询。你 可以在查询表中确定。假定焓损焓升和标量耗散不变。在 PDF 中有如下选项：
(1 4.4.7)
方程 14.4-6 中的最后一项是为了考虑小火焰中的辐射耗散项。 是 Stefan-Boltzmann 常数，p 是压力，Xi 是第 I 种物质的摩尔分数，a I 是 Planck 平均吸收系数(见【83】)的 多项式系数。Tb 是背景（无穷远处）温度。使用辐射项可以稍为提高准确性，但在低应变 率下会导致发散。因此，使用这一项应该小心谨慎。
.C 和 H 的平均值：参考 Drake 和Ｂlint 的观点[54]，混和分数可以由 和
的平均值得出，这里的 和 是指碳和氢的质量分数。 .碳氢混合物模式：根据Bilger et al. [ 19],可以按一下公式计算混合分数：
(14 .4.10)
其中：
(14 .4.11)
, , 是碳，氢，氧的质量分数，
法解的，随着 f 网格点的数量的增加，计算的时间和所需要的内存的量大大增加。推荐使用
中等大小的值。
在 prePDF 中提供参数用以控制解方程 14.4-5 和 14.4-6 的稳定性。当计算发散时，可
以调节两个增长因子。
非绝热层流Байду номын сангаасprePDF
对于非绝热小火焰，prePDF 遵循【20，464】中的近似并假设小火焰的剖面线不受
纲： 和 ，复合小火焰表中则多了一个 。
对于非绝热流体，我们还需要有焓的函数。然而，在焓值较大的范围内进行小火焰 的计算，其计算费用很高。所以我们就必须做一些近似。我们假定系统的热损/得热对质量 分数的影响可以忽略不计，在【20，164】中使用了预先指定焓值处的小火焰质量分数。在
一定范围热焓得失( )的范围内，由式 14.1-14 得出温度。相应的，平均温度和密度的
关于混合分数模型的知识请查看第 14.1 节。 14.4.1 简介。
在扩散火焰中，燃料和氧化剂扩散至反应区，遇到活性中心，点火发生。更多 的热和活化中心由此产生，一些扩散出去。在近似平衡火焰中，火化中心和温度浓度增 加，火化中心和热就更多地从火焰中挥发出去。留给火化中心达到平衡的时间就越短， 当地不平衡性增加。
小火焰在如 OPPDIF 中的物理空间中生成后，物质量和温度是在空间方向上变 化。但是物质量和温度必须从物理空间转换到质量分数所描述的空间中去。如果所有的 物质的扩散细数相等，则存在唯一的混合分数。然而，对于不同的扩散系数，混和系数 可以用一系列的变量来表示。
对于层流小火焰，prePDF 提供了四种方法计算混合分数。
和混合分数。 是第 I 个 Lewis 数，具体定义在 13.1-4 中。k, c p, i, 和 c p 相应的 是热导率，第 I 种的比热和混和平均比热。Si 是第 I 种物质的反应速率。H * I 是第 I 种物