非预混燃烧模拟.

《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。

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。

Fluent验证案例25：非预混燃烧本案例利用Fluent的非预混燃烧模型计算燃烧器内甲烷燃烧过程，并利用实验值对计算结果进行验证。

计算模型如图所示，甲烷与空气从不同的入口进入燃烧室，并在燃烧室内混合燃烧，计算过程中考虑辐射换热。

计算参数如表所示。

本次计算采用稳态计算，利用Realizable k-epsilon湍流模型计算湍流。

采用DO辐射模型考虑燃烧过程中的辐射换热，利用非预混燃烧模型模拟燃烧。

1Fluent设置以2D、Double Precision方式启动Fluent利用菜单File → Read → Case…加载case文件1.1 General设置双击模型树节点General，右侧面板如下图所示进行设置注：选择轴对称旋转，因为存在轴对称旋转边界1.2 Models设置右键选择模型树节点Models > Energy，选择弹出菜单项On激活能量方程注：涉及到化学反应燃烧的问题，都要开启能量方程右键选择模型树节点Models > Viscous，选择弹出菜单项Model > Realizable k-epsilon开启湍流模型注：Realizable k-epsilon湍流模型适合于射流模拟鼠标双击模型树节点Radiation，弹出设置对话框，激活辐射模型Discrete Ordinates，采用默认模型参数注：DO模型适合于模拟所有光学厚度条件下的辐射问题。

在本案例中也可以选择使用P1模型。

1.3 Species模型设置鼠标双击模型树节点Models > Species弹出设置对话框激活选项Non-Premixed Combustion采用非预混燃烧模型选择选项Chmical Equilibrium及Non-Aiiabatic，采用非绝热的化学平衡模型切换到Boundary标签页，如下图所示设置Fuel中ch4为1，设置Oxid中的n2为0.78992，o2为0.21008选择选项Mole Fraction注：可以自己通过点击Add按钮添加组分切换到Table标签页，如下图所示设置参数，点击按钮Calculate PDF Table生成PDF表注：非预混燃烧模型属于典型的快速化学反应模型，其并不考虑燃烧化学反应细节，利用湍流混合的混合分数决定燃烧温度分布。

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。

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。

现代航空发动机燃烧过程的模拟和优化控制随着航空业的不断发展，现代航空发动机的研究和开发也在持续进行中。

作为飞行的核心，航空发动机的燃烧过程是一个十分关键的环节。

因此，燃烧过程的模拟和优化控制也成为了现代航空发动机研究的一个重要方向。

一、现代航空发动机的燃烧过程现代航空发动机的燃烧过程大致可以分为预混合燃烧和非预混合燃烧两种模式。

在预混合燃烧模式下，燃料和空气在进入燃烧室前已经混合，形成了一个混合气体。

而在非预混合燃烧模式下，燃料和空气分别进入燃烧室后才发生混合。

两种燃烧模式的优缺点各有所在，根据实际需要进行选择。

在燃烧过程中，燃料和氧气经过反应，产生高温高压的气体，驱动涡轮，推动飞机前进。

但是，燃烧过程不完全也会产生大量的有害气体和颗粒物，对环境和健康带来威胁。

因此，如何控制燃烧过程，减少有害物质的排放，也成为研究的重要方向。

二、现代航空发动机燃烧过程的模拟为了更好地掌握燃烧过程的规律和优化方案，需要进行燃烧过程的模拟。

燃烧过程的模拟可以采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）的方法，将燃烧室的气体流动、热传递、化学反应等过程进行数值求解。

这样可以对不同的燃烧模式、不同的燃料、不同的燃烧条件进行模拟，得到不同情况下的燃烧效果和排放情况。

同时，燃烧过程的模拟也为燃烧过程的控制提供了基础。

三、现代航空发动机燃烧过程的优化控制模拟结果表明，对于不同的燃烧模式和不同的燃料，控制燃烧过程以获得更好的效果至关重要。

现代航空发动机的燃烧过程控制主要包括燃料喷射控制、燃气温度控制、氧化还原调节等。

燃料喷射控制是控制燃烧室内燃料浓度的关键。

根据模拟结果，调整燃料喷射的位置、喷嘴直径以及燃料的流速等参数可以影响燃烧过程的效果。

此外，还可以采用多点供油的方式，使燃烧室内形成更加均匀的燃料气体混合状态。

燃气温度控制主要是通过调节进出口的冷却空气量，控制燃烧室内的温度。

这样可以控制燃烧反应的速率，避免燃烧过程太快或者太慢而影响效率。