甲烷燃烧模拟

基于fluent的甲烷燃烧二维模拟分析陈飞 1434422(同济大学汽车学院，上海)摘要: 目前，由于环境污染和排放法规的日趋严格，降低排放已经成为了汽车工业的重点，而寻求清洁的替代燃料是一种较为有效的解决办法。

甲烷属于可再生气体燃料，可以实现与空气的良好预混，利用fluent进行甲烷燃烧的数值模拟进行仿真分析。

Fluent提供了涡耗散模型用于求解燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流控制的单步或双步总包燃烧反应。

根据模拟结果分析甲烷作为车用替代燃料的可行性。

关键词: 替代燃料；燃烧的数值模拟；甲烷燃烧；fluent仿真1. 引言燃烧是燃料与氧化剂之间的发光发热的化学反应，根据反应前各组分的分布，可以分为预混燃烧，扩散燃烧和部分预混燃烧。

其中预混燃烧较多的应用于汽车工业的车用汽油发动机。

目前，由于环境污染和排放法规的日趋严格，降低排放已经成为了汽车工业的重点，而寻求清洁的替代燃料是一种较为有效的解决办法。

1.1. 燃烧的数值模拟燃烧的数值模拟是通过CFD软件实现对实际燃烧过程的仿真模拟，求解流畅流动特性及其混合特性，温度场、组分浓度场以及颗粒和污染物排放等，从而提供实际燃烧过程的参考，对于产品研发，科学研究都有很大的意义。

燃烧的数值模型主要运用模拟软件根据燃烧模型进行仿真，目前可用于燃烧数值模拟的软件有FLUENT,STAR-CD,CHEMKIN,KIVA等。

燃烧模型主要根据不同燃烧的特点设置求解参数，包括如下内容：稀疏相模型、输运控制方程、燃烧模型、辐射换热模型、污染物模型。

Fluent提供了涡耗散模型用于求解燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流控制的单步或双步总包燃烧反应。

其中对于反应r中的物质i的产生速率由下面两个式子给出：（1.1）（1.2）式中，——任何一种产物的质量组分；——某种产物的质量组分；——经验常数4.0；——经验常数0.5。

1.2. 甲烷性质介绍甲烷在自然界的分布很广，甲烷是最简单的有机物，是天然气，沼气，坑气等的主要成分，俗称瓦斯。

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。

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%。

实验名称：模拟气体燃烧实验实验日期：2023年10月25日实验地点：化学实验室一、实验目的1. 了解气体燃烧的基本原理和过程。

2. 掌握气体燃烧实验的基本操作方法。

3. 分析不同气体燃烧的特性和产物。

二、实验原理气体燃烧是指气体与氧气在一定的条件下发生化学反应，生成新的物质并释放热量的过程。

实验中，我们将模拟不同气体的燃烧过程，观察其火焰颜色、火焰形状、燃烧产物等特性，以了解不同气体燃烧的特点。

三、实验用品1. 气体：甲烷、氢气、乙炔2. 燃烧瓶3. 火柴4. 澄清石灰水5. 水槽6. 滴管7. 玻璃片8. 秒表四、实验步骤1. 准备实验用品，检查气瓶是否安全。

2. 将甲烷、氢气、乙炔分别装入燃烧瓶中，确保瓶口密封。

3. 点燃火柴，用火焰加热燃烧瓶的瓶底，观察气体燃烧情况。

4. 记录火焰颜色、火焰形状、燃烧产物等特性。

5. 将燃烧瓶中的燃烧产物通过导管导入水槽中，观察水槽中的现象。

6. 将澄清石灰水滴入水槽中，观察石灰水的变化。

五、实验结果与分析1. 甲烷燃烧实验实验现象：火焰呈蓝色，火焰较稳定，燃烧产物为水蒸气和二氧化碳。

分析：甲烷燃烧时，火焰温度较高，燃烧产物主要为水蒸气和二氧化碳，符合甲烷燃烧的化学方程式：CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O。

2. 氢气燃烧实验实验现象：火焰呈淡蓝色，火焰较稳定，燃烧产物为水蒸气。

分析：氢气燃烧时，火焰温度较低，燃烧产物主要为水蒸气，符合氢气燃烧的化学方程式：2H2 + O2 → 2H2O。

3. 乙炔燃烧实验实验现象：火焰呈黄色，火焰较不稳定，燃烧产物为二氧化碳和水。

分析：乙炔燃烧时，火焰温度较高，燃烧产物主要为二氧化碳和水，符合乙炔燃烧的化学方程式：2C2H2 + 5O2 → 4CO2 + 2H2O。

六、实验结论1. 气体燃烧时，火焰颜色、火焰形状、燃烧产物等特性与气体的种类有关。

2. 气体燃烧过程中，释放的热量与燃烧产物的能量有关。

3. 气体燃烧实验可以直观地了解不同气体燃烧的特点，为后续研究气体燃烧提供基础。

基于fluent 的甲烷燃烧二维模拟分析陈飞 1434422(同济大学汽车学院，上海)摘要: 目前，由于环境污染和排放法规的日趋严格，降低排放已经成为了汽车工业的重点，而寻求清洁的替代燃料是一种较为有效的解决办法。

甲烷属于可再生气体燃料，可以实现与空气的良好预混，利用fluent 进行甲烷燃烧的数值模拟进行仿真分析。

Fluent 提供了涡耗散模型用于求解燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流控制的单步或双步总包燃烧反应。

根据模拟结果分析甲烷作为车用替代燃料的可行性。

关键词: 替代燃料；燃烧的数值模拟；甲烷燃烧；fluent 仿真1. 引言燃烧是燃料与氧化剂之间的发光发热的化学反应，根据反应前各组分的分布，可以分为预混燃烧，扩散燃烧和部分预混燃烧。

其中预混燃烧较多的应用于汽车工业的车用汽油发动机。

目前，由于环境污染和排放法规的日趋严格，降低排放已经成为了汽车工业的重点，而寻求清洁的替代燃料是一种较为有效的解决办法。

1.1. 燃烧的数值模拟燃烧的数值模拟是通过CFD 软件实现对实际燃烧过程的仿真模拟，求解流畅流动特性及其混合特性，温度场、组分浓度场以及颗粒和污染物排放等，从而提供实际燃烧过程的参考，对于产品研发，科学研究都有很大的意义。

燃烧的数值模型主要运用模拟软件根据燃烧模型进行仿真，目前可用于燃烧数值模拟的软件有FLUENT,STAR-CD,CHEMKIN,KIVA 等。

燃烧模型主要根据不同燃烧的特点设置求解参数，包括如下内容：稀疏相模型、输运控制方程、燃烧模型、辐射换热模型、污染物模型。

Fluent 提供了涡耗散模型用于求解燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流控制的单步或双步总包燃烧反应。

其中对于反应r 中的物质i 的产生速率r i R ,由下面两个式子给出：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=R w r R R R i w r i r i M v Y k A M v R ,',,',,min ερ （1.1） ∑∑=N j jw nr j p p i w r i r i M v Y k AB M v R ,,,',,ερ （1.2） 式中，p Y ——任何一种产物的质量组分；R Y ——某种产物的质量组分；A——经验常数4.0；B——经验常数0.5。

Fluent大作业——圆筒燃烧器内甲烷燃烧的数值模拟引言：根据公安部消防局的统计数据，2010年因火灾死亡的人数为1205人，其中多数人是因为火灾产生的有毒有害高温气体而死，因此研究火灾中有毒有害气体的分布有着重要意义。

下面以一个简单的模型，对一个圆筒燃烧器内的甲烷和空气的混合物的流动与燃烧过程进行研究，模拟其中的温度场、有害气体的分布情况。

问题描述：长为2m、直径为0.45m的圆筒燃烧器结构如下图所示，燃烧器壁上嵌有三块厚为0.005m，高0.05m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0.01m、长0.01m、壁厚为0.002m的小喷嘴，甲烷以60m/s的速度从小喷嘴注入燃烧器。

空气从喷嘴周围以0.5m/s的速度进入燃烧器。

总当量比约为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，基于甲烷喷口直径的雷诺数约为5.7X103。

图1燃烧器结构使用通用的finite-rate化学模型分析甲烷-空气混合与燃烧过程。

同时假定燃料完全燃烧并转换为CO2和H2O。

反应方程为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。

计算结果：图2采用恒定的Cp值（1000J/kg·K）计算的温度分布图3采用mixing-law计算的温度分布从上面两图可以看出，当Cp值恒定为1000J/kg·K时，最高温度超过2900K。

火焰温度的计算结果偏高，可以通过一个更真实的依赖于温度和组分热容模型来修正。

比热对温度和组分的依赖性将对火焰温度的计算结果有着明显的影响。

Mixing-law会得到基于全部组分质量分数加权平均的混合比热。

在Fluent中，还有一个Fluent物性数据库随温度变化的Cp（T）多项式，可以启动组分比热随温度的变化特性。

设置后的计算结果如图2，可以看出最高温度已经降低到大约2200K。

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：084177甲烷旋流预混燃烧的数值模拟研究杨朝乐，林伟荣，原 鲲*，于溯源清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084(*摘要：本文采用数值模拟手段，对甲烷旋流射流预混火焰进行了研究，重点考察了射流出口旋流数、反应当量比和射流出口速度对火焰形貌，以及NOx 和CO 排放的影响。

研究结果包括：NOx 和CO 的排放随着当量比的降低而下降；旋流可使CO 排放大幅下降，但主要发生在弱旋工况；对于弱旋流火焰，预混射流速度的提高增加了CO 排放，而在中强旋工况下，情况正好相反。

本研究结果为以后的实验设计和开展提供了理论指导。

关键词：预混，旋流，燃烧0 前言随着我国社会经济的快速发展，对包括天然气在内的清洁能源的需求正逐年上涨。

目前我国天然气占一次能源消费比重不到3.5%，尚不足国际水平（25%左右）的1/7。

但年度消费量增长迅速，近年来每年增幅在10%以上。

天然气已经成为一些城市客车的重要交通燃料，也成为北方许多城市冬季采暖的首选燃料。

与燃煤相比，天然气没有二氧化硫和粉尘排放，被称为清洁燃料，但是在氮氧化物（NOx ）减排方面效果有限。

天然气主要成分为甲烷，其燃烧产生的NOx 污染正逐渐引起人们关注。

天然气燃烧产生氮氧化物的机理主要是热力型氮和快速型氮，其中快速型氮的生成过程相对复杂，但热力型氮是最主要的生成产物，而且排放水平和火焰温度高度相关。

采用贫燃料预混火焰，可以大幅度降低火焰温度，从而将NOx 排放控制在很低的水平[1]。

预混火焰越接近贫燃极限，NOx 排放越低。

但是在接近贫燃极限的工况下，如何使预混火焰得到稳定成为问题的瓶颈。

作为一种稳定火焰的方式，旋流燃烧的火焰稳定能力已得到实践检验[2]，传统上还主要用来稳定扩散火焰。

旋流燃烧的主要功能包括：1）在火焰中心形成回流区以实现火焰稳定；2）强化燃气混合以提高燃烧效率；3）缩短火焰长度以节省燃烧室尺寸。

甲烷在空气中燃烧的实验现象1. 燃烧的前奏嘿，大家好！今天咱们聊聊一个有趣的实验——甲烷在空气中燃烧的现象。

这可不是个枯燥的化学课，而是一个充满了火花与烟雾的小小冒险。

想象一下，咱们要把甲烷这种神秘的气体拿出来“捣鼓”一下。

说到甲烷，大家可能想问，什么玩意儿？其实，它就是咱们日常生活中用的天然气，没错，那个用来炒菜、烧水的家伙！想象一下，有一天你在厨房，突然发现锅里的水沸腾得欢快无比，旁边的火焰跳动得像在跳舞，那就是甲烷在辛勤工作了！1.1 实验准备为了开始这个实验，我们需要一些小工具。

首先得准备一个实验室，当然，别在家里尝试哦，安全第一！我们得有一个燃烧器，把甲烷放进去，然后一根火柴点燃。

还有，别忘了保护眼镜和手套，毕竟安全最重要，不想被一场“火焰秀”烫到。

然后，还要准备一些空气，哈哈，没错，就是我们每天呼吸的那种！当甲烷和空气相遇时，接下来发生的事情可就精彩了！1.2 令人惊叹的瞬间当火柴划燃的那一刻，哇，真的是瞬间惊艳！火焰窜起来，就像是张开了翅膀的凤凰，红橙黄绿，五光十色，简直美得让人目不暇接。

伴随着火焰，空气中弥漫着一股微微的焦香味，仿佛厨房里传来了做饭的香气。

不过，这可不是在做饭，而是在进行一场小小的化学反应。

甲烷分子和氧气分子们忙得不亦乐乎，互相撞击、结合，发出热量和光。

你是不是能想象到那种热烈的气氛，简直就像在开一场盛大的派对！2. 燃烧的结果2.1 反应产物当甲烷燃烧后，它会产生二氧化碳和水。

看似简单，但这背后可是有科学道理的哦！二氧化碳就像是派对上的“废物”，一瞬间就被放了出来，而水则是这个反应的“礼物”，在空气中凝结成水蒸气，形成了可爱的水珠。

嘿，想象一下，这场反应就像是在大自然里举办了一场小小的“生态派对”，所有的反应物都化身为派对的明星，互相合作，变出新生的产物。

2.2 实验观察在这个过程中，我们也能观察到许多有趣的现象。

火焰的颜色会随着燃烧的条件不同而变化，有时候是蓝色的，有时候是黄色的，真是变化多端，让人眼花缭乱！你可能会想，“这颜色变化是怎么回事啊？”其实，这跟甲烷和空气的混合比例有关。

微通道内甲烷催化燃烧的数值模拟研究的开题报告
一、研究背景和意义：
微通道内的催化燃烧技术作为一种高效低污染的能源转化方式，在化工、航天、汽车等领域得到了广泛的应用。

与传统的反应器相比，微通道反应器内的催化燃烧反应速率更快，反应效率更高，且所需催化剂量更少，经济性更好。

本文将研究微通道内甲烷催化燃烧的数值模拟研究。

该研究的意义在于，通过数值模拟研究，可以更全面地了解微通道内甲烷催化燃烧的反应过程和应对方法，为微通道催化燃烧技术的发展提供理论依据。

二、研究内容：
1. 对微通道内甲烷催化燃烧反应机理进行建模，分析微通道内流场和组分分布的特点，探究反应过程中的化学反应和传质过程。

2. 基于CFD方法，对微通道内甲烷催化燃烧反应的数值模拟进行研究。

建立微通道内甲烷催化燃烧的反应动力学模型，采用Fluent等数值模拟软件进行模拟分析。

3. 通过模拟分析，探究微通道内甲烷催化燃烧的影响因素，如反应温度、流速、催化剂种类和浓度等因素对反应效率的影响，并根据模拟结果提出相应的优化方案和建议。

三、研究方法和流程：
1. 文献调研和资料收集，建立微通道内甲烷催化燃烧反应机理的理论模型。

2. 建立CFD数值模拟模型，对微通道内甲烷催化燃烧反应进行数值模拟分析，并进行模拟结果的验证。

3. 在模拟分析的基础上，设计相应的实验并进行实验验证。

4. 分析模拟结果和实验数据，提出优化方案和建议。

四、预期结果和意义：
通过数值模拟的研究，可以更全面地了解微通道内甲烷催化燃烧的反应机理和流场特点，提高微通道催化燃烧技术的效率和可行性，对于推进微通道燃烧技术的应用和发展具有重要的理论和应用价值。