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译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )使用非预混燃烧模型 Using the Non-Premixed Combustion Model 概要 先决条件 问题描述 使用 prePDF 的准备工作 Step 1: Define the Preliminary Adiabatic System in prePDF Step 2: Compute and Review the Adiabatic System prePDF Look-Up Tables Step 3: Create and Compute the Non-Adiabatic prePDF System Preparation for FLUENT Calculation Step 4: Grid Step 5: Models: Continuous (Gas) Phase Step 6: Models: Discrete Phase Step 7: Materials: Continuous Phase Step 8: Materials: Discrete Phase Step 9: Boundary Conditions Step 10: Solution Step 11: Postprocessing Step 12: Energy Balances and Particle Reporting SummaryIntroduction 概要对煤粉燃烧的模拟包括对连续气相的模拟及其对煤颗粒分散相的相互作用 的模拟.煤颗粒穿过气相时,会进行脱挥发分和焦炭的燃烧,从而成为进行气相 反应的燃料的源.对反应的模拟可通过组分传输模型(the species transport model)或非预混燃烧模型(the non-premixed combustion model)进行模拟. 在此实例指南中, 你将使用非预混燃烧模型模拟一个简化的燃煤炉体内的化学反 应. 在此实例指南中,你将学习: 使用 prePDF 预处理器为煤粉燃料(的燃烧)准备一个 PDF 表 为非预混燃烧化学反应模型定义 FLUENT 的输入参数 为煤颗粒定义一个离散相 求解一个包含反应离散相的煤颗粒的数值模型非预混燃烧模型是采用这样一种建模方法, 即求解一个或两个守恒标量以及混合 分数的的传输方程.多化学组分时,包括根和中间产物,可以采用这种方法被考译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )虑进来,并且他们的浓度能够通过预测出的混合分数分布计算出来.通过化学数 据库,可以得出组分的正确数据.湍流和化学反应的相互作用可通过使用β或双 δ的概率密度函数 (PDF) 来模拟. 关于非预混燃烧的模型详见 the User's GuidePrerequisitesThis tutorial assumes that you are familiar with the menu structure in FLUENT, and that you have solved Tutorial 1 or its equivalent. Some steps in the setup and solution procedure will not be shown explicitly.问题描述(Problem Description )本例程考虑的煤粉燃烧系统时一个简单的二维管道,截面为 10m×1m,如图 13.1 所示.因为管道对称,图中只显示了宽度的一半.该二维管道的入口分成 两股来流.靠近管道中心的高速来流速度为 50m/s,跨度为 0.125m.另一股来流 速度为 15m/s,跨度为 0.375m.两股来流都是 1500K 的空气.靠近中心高速流股 进入炉膛的煤颗粒,其质量流率为 0.1kg/s(煤颗粒的总流率为 0.2kg/s).管 道的壁温为 1200K 的常温. 基于入口尺寸和平均入口速度的雷诺数约为 100,000. 因此,流动为湍流. 关于煤组成和粒度分布的详细信息将在 step 5(Models: Continuous (Gas) Phase)和 Step 8( Materials: Discrete Phase)中给出.Figure 13.1: 2D Furnace with Pulverized Coal Combustion译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )对 prePDF 的准备(Preparation for prePDF )1. 启动 prePDF.当你使用非预混燃烧模型,你要先使用前处理器—prePDF-生成一个 PDF 文件. 该 PDF 文件包含了关于各组分浓度,温度与混合分数值之间的联系的信息,并被 FLUENT 在求解过程中用来获得这些标量(组分浓度,温度等) .Step 1: 在 prePDF 中定义初步的绝热系统 (Define the Preliminary Adiabatic System in prePDF )1. 定义 prePDF 模型类别.你可以定义单一燃料流或者燃料流加上另一个流股.激活第二个流股可以让你明了 两个混合分数.对于煤颗粒的燃烧,采用两个流股的方法可以让你明确地将挥发分 (第二个流股)流股同焦炭流股(燃料流)分开.在该例程中,我们将不采用两个 流股的方法,而采用单一混合分数法.SetupCase...(a)译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )在 Heat transfer options, 保持默认设置 Adiabatic.该例程中讨论的煤粉燃烧器是一个非绝热系统, 在气相与煤颗粒相间, 以及燃 烧器壁面上,都有热量传递.因此,必须在 prePDF 中考虑非 绝热系统.由于非绝热系统较之绝热系统在计算时要耗费更多的时间,因此你 可在启动 prePDF 时先考虑系统为绝热系统. 根据对绝热系统的 PDF/化学 平衡的计算结果,你将确定大致的系统参数,这将使得在非绝热系统下的 计算更具效率.而且,绝热系统的计算将提供绝热火焰温度,混合分数的 化学当量以及各单独组分对化学反应系统的重要性的信息. 这种首先在绝 热系统中计算的方法将被用于所有的考虑在非绝热条件下的 PDF 计算.(b) 在 Chemistry models, 保持默认设置 Equilibrium Chemistry. 对大多数基于 PDF 的数值模拟,推荐 使用 Equilibrium Chemistry 选项. Stoichiometric Reaction ( 混合即完全反应 ) 选项计算量小,但不准确; Laminar Flamelets 选项能够考虑空气拉伸的非平衡现象,例如超平衡基浓度和亚平衡温度. 这对于 NOx 的预测非常重要,但在此例中不必考虑. (c) 保持默认设置 PDF models. 一般的,推荐使用β函数的 PDF 积分,因为他比δ函数的 PDF 积分方法更准确.(d) 在 Empirically Defined Streams, 选择 Fuel stream 选项. 这将允许你采用 empirical 输入选项来定义燃料流股(即根据煤的 ultimate analysis 定义) Empirical 输入选项允许你指定燃料中 H,C,N 和 O 的元素组成 (DAF) 低位发热量和比热. , 当元素分析和热值已知时, 这种指定方法是很有效的. (e) 点击 Apply ,关闭面板 2. 定义系统中的化学组分指定系统中包含哪些组分依赖于燃料类型和燃烧系统. 关于指定组分的指南在FLUENT User's Guide 中有介绍.在这里,你将假定该平衡系统中包含 13 种组分: C, C(s), CH , CO, CO , H, H ,H O, N, N , O, O , and OH.之所以包含 C, H, O, 和 N 是因为我们采用``empirical''输入方法 对燃料进行定义的,因此要用到元素组分.! 当使用 empirical input 选项时,你应当将 C and C(S) 都选入系统SetupSpeciesDefine...译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )(a) 将 Maximum # of Species 设为 13. 使用上,下箭头来设置最大组分数目,或在数 字框中直接键入数字然后摁<ENTER>. (b) 在 Defined Species 列表中选择最上面的组分(初始标志为 UNDEFINED). (c) 在 Database Species 下拉表单中,使用滚动条拖动表单,并选择 C. 此时 Defined Species 表单中的最顶部组分将显示为 C . (d) 在 Defined Species 列表中选择第二个组分 (或在 Species # 选项中将数目增大为 2). (e) 在 Database Species 下拉 表 单 中 , 使 用 滚 动 条 拖 动 表 单 , 并 选 择 下 一 个 组 分 ( C(S)). (f) 重复 步骤 (d) 和 (e),直到 13 个组分都被定义 (g) 点击 Apply,关闭面板 Note:在其他燃烧系统中,你也许想添加其他化学组分,但你不要添加慢反应的化学组分, 例如 NOx..3. 确定燃料组分输入.本例中考虑的燃料是已知的,根据工业分析,知道含 28%的挥发分,64%的焦炭和 8%的灰分.你要根据这些信息,以及以下给出的元素分析结果,在 prePDF 中定义 煤的组成.燃料流的组成(焦炭和挥发分)可计算如下:译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )首先将工业分析数据(干燥基)转化为可燃基(干燥无灰基).工业分析 Wt % Wt % Proximate Analysis (dry) Volatiles Char (C(s)) Ash 28 64 8 (DAF) 30.4 69.6 -煤的元素分析如下表:Element Wt % (DAF) C H O N S 89.3 5.0 3.4 1.5 0.8为简单起见,煤中的硫分可并入氮的质量分数,因此最终数据如下:Element Wt % (DAF) C H O N S 89.3 5.0 3.4 2.3 -我们可根据工业分析和元素分析的数据得出挥发分的元素组成如下: can combine Wethe proximate and ultimate analysis data to yield the following elemental composition of the volatile stream: (译者注:这里不是挥发分流股的元素组成,而是整个燃料流股的元素组成,因为该模型采用单混合分数模型,而且表中数据也显示是单流股的摩 尔组成)译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )Element Wt % Moles Mole Fraction C H O N Total 89.3 5.0 3.4 2.3 7.44 5 0.21 0.16 12.81 0.581 0.390 0.016 0.013你将用到上表中最后一列中的数据.prePDF 将使用这些信息以及煤的热值来定义 燃料中的组分. 煤的低位热值为(DAF) : LCV= 35.3 MJ/kg煤的热容和密度分别为 1000 J/kg-K 和 1 kg/m4. 输入燃料和氧化剂的组分SetupSpeciesComposition...(a) 激活氧化剂流股组分的输入框氧化剂(空气)的组成为 21%的 O2 和 79% 的 N2译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )i. 在 Stream 下, 选择 Oxidiser. ii. 在 Specify Composition In, 保持默认选项 Mole Fractions. iii. 在 Defined Species 选项中选择 O2 并在 Species Fraction 中输入 0.21. iv. 在 Defined Species 选项中选择 N2 并在 Species Fraction 中输入 0.79 (b) 激活燃料流股组分的输入框 Note: 因为燃料流股已经选择了 empirical 输入选项,您将被提示输入 C,H,O 和 N 的原子摩尔分数,以及燃料的热值和热容.译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )i. 在 Stream 下, 选择 Fuel. ii. 在 Specify Composition In 中,保持默认选项 Mole Fractions. iii. 在 Defined Species 列表中选择 C 并在 Atom Fraction 中键入 0.581. iv. 在 Defined Species 列表中选择 H 并在 Atom Fraction 中键入 0.390. v. 在 Defined Species 列表中选择 N 并在 Atom Fraction 中键入 0.016. vi. 在 Defined Species 列表中选择 O 并在 Atom Fraction 中键入 0.013. vii. 在 Lower Caloric Value 中键入 3.53e+07 J/kg 在 Specific Heat 中键入 1000 J/kg-K . viii. 点击 Apply ,关闭面板. 5. 定义固体碳的密度.译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )这里,假定固定碳密度为 1300 kg/m3SetupSpeciesDensity...(a) 在 Defined Species 中选择 C(S) . (b) 将 Density 设为 1300. (c) 点击 Apply ,关闭面板. Note:在计算燃料的混合密度时,prePDF 会用到这个信息.你应当定义固定焦炭的密度, 这个值可能和 FLUENT 中定义的煤的密度不一致, FLUENT 中定义的是包含灰 的煤粒的显密度.6. 定义系统操作条件.在化学平衡计算中需要用到系统压力和入口流温度. 煤燃烧情况下, 燃料流股 的入口温度应当是开始脱挥发分的温度.氧化剂流股的入口温度应当对应于空气入 口温度.在本例程中,煤脱挥发分的温度设置为 400 K,空气入口温度为 1500K,系 统压力为 1 大气压.SetupOperating Conditions...(a)在Fuel和Oxidiser中分别将温度设为400 K 和1500 K。
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。
14.2 非预混平衡化学反应的模拟方法 Modeling Approaches for Non-Premixed Equilibrium ChemistryFLUENT 软件包为模拟非预混平衡化学反应提供了两种不同方法。
既可以选择单一混合分数法，也可以选择二混合分数法，这依赖于有多少个流（stream ）。
PrePDF 储存“look-up tables”中关于流的信息，这些信息随后被FLUENT 用来解混合分数、焓以及各种标量。
更多关于prePDF 的信息，见14.3节。
14.2.1单一混合分数法 （Single-Mixture-Fraction Approach ）为保持计算时间最小，非预混模型中多数的计算通过在FLUENT 模拟以外用单独代码预处理化学计算并进行PDF 积分，这称为prePDF 。
图14.2.1解释了计算是如何在预处理器（prePDF ）和求解器（FLUENT ）间分开的。
在prePDF 中，化学模型（mixed-is-burned ，平衡化学，层流小火焰）用来连接假设的PDF 分布以执行方程14.1-17，14.1-19和／或14.1-26中给定的积分。
这些积分在prePDF 中执行并储存在把平均热化学变量iφ（温度，密度和组分质量分数）与f ，2s f ′和*H 关联起来的查询表中。
注：表格中用比例化的混合分数（scaled mixture fraction ）变量，式中2s f ′定义为)1(25.022f f f f s −′=′ （14.2-1） FLUENT 中解方程14.1-4，14.1-5和14.1-27（非绝热系统）得到f ，2s f ′和*H 的局部值。
14.2.2二混合分数法（Two-Mixture-Fraction Approach ）图14.2.1 对单一混合分数情况下FLUENT 和prePDF 之间计算任务的分配Figure 14.2.1: Separation of Computational Tasks BetweenFLUENT and prePDF for a Single-Mixture-Fraction Case对二混合分数（次要流）的情况，prePDF 预处理器计算温度、密度和组分质量分数（方程14.1-12或14.1-15）的瞬时值，并将他们储存在查询表中。
非预混火焰热声耦合机理的理论和计算分析非预混燃烧广泛存在于动力推进系统中。
本论文通过理论分析和数值计算，辅以相关实验数据，研究了非预混燃烧过程中的热声耦合问题。
对于燃气轮机燃烧室内的燃烧过程，产生热声耦合需要两个条件：第一，流场中需要存在一个初始的扰动，也就是热声耦合产生的诱因，燃烧过程的直接燃烧噪音便是产生这种流场内初始扰动的重要因素；第二，燃烧室的声学边界条件需要满足相关条件，使得流场中的初始扰动可以通过声学反馈，和燃烧过程耦合，产生自维持的热声耦合振荡燃烧。
全文围绕热声耦合问题的两个重要分支：燃烧过程的直接噪音和间接噪音展开，研究其产生机理和相关特性，并对其内在联系做了相关讨论。
首先，利用低阶模型的数学思想，理论推导了低阶燃烧动力学模型以及一维分布式火焰传递函数的表达式。
这些结果从守恒方程组出发，描述了燃烧动力学过程中放热率脉动和流场扰动之间的关系，它们的成立并不依赖于具体的燃料组织方式或燃烧模型，对于预混、非预混、以及部分预混燃烧都是成立的。
接着，论文以一个理想的二维平板非预混火焰作为研究对象，通过格林函数法，解析计算了这个典型非预混燃烧过程的一维分布式火焰传递函数，研究了非预混火焰不稳定燃烧过程中的一类重要问题：热斑的产生及其演化过程，分析其影响因素。
接下来，通过分析直接数值模拟的计算结果，得到了非预混火焰放热率脉动时间变化率的空间相关函数表达式，从而简化了非预混燃烧过程中直接燃烧噪音的计算方法。
通过燃烧过程中特征量对直接数值模拟结果的无量纲化，使得分析计算的结果表征了非预混燃烧过程中直接燃烧噪音的本质，使结果具有一般性。
在第五章，以一个真实的燃气轮机模型燃烧室为例，通过数值计算，预测了模型燃烧室的自激振荡燃烧状况。
通过线性声学的理论推导，得到了描述燃烧室上下游声学边界条件的声阻抗表达式，使得数值计算的区域可以只考虑燃烧区。
最后，讨论了非预混火焰热声耦合振荡燃烧对于宽频扰动的激发模态。
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。
航空发动机燃烧过程仿真研究近年来，航空工业的快速发展促使航空发动机技术得到了快速的进步，尤其是在燃烧技术方面。
航空发动机的燃烧过程是其性能和安全的关键，研究航空发动机燃烧过程的仿真模拟对发动机的性能优化和安全控制都有着重要的意义。
一、航空发动机燃烧过程的基本特征航空发动机的燃烧过程是物理学、化学学、流体力学等多学科的综合应用。
在燃烧室内，燃料和空气混合形成可燃气体，然后进行燃烧释放出内能，推动发动机工作。
燃烧过程主要包括预混合燃烧和非预混合燃烧两种方式，其中预混合燃烧是指燃料和空气先进行充分混合再进行燃烧，适用于大部分涡扇发动机。
而非预混合燃烧则是指燃料和空气在燃烧室内混合，适用于喷气式发动机。
二、航空发动机燃烧过程的仿真模拟技术航空发动机的仿真模拟技术是指通过计算机模拟航空发动机燃烧过程的物理和化学现象，来研究发动机燃烧的过程和性能变化。
仿真模拟技术主要分为两种方式：一种是基于流体力学模拟技术的CFD仿真；另一种是基于化学反应模拟技术的CHEMKIN仿真。
CFD仿真技术是通过数学建模和数值计算方法，将航空发动机燃烧过程中的流体力学分析模拟出来。
通过CFD仿真，可以对燃烧过程中的流场分布、燃料喷射、火焰传播等进行研究，并评估发动机的性能和耗油量。
这种仿真技术已广泛应用于航空工业，尤其是发动机设计和开发中。
CHEMKIN仿真技术是基于化学反应计算的技术，可以针对航空发动机的燃料、燃气和燃烧气体等多相反应过程进行计算，可以对燃烧过程中的反应速率、热量传递、化学计量等进行分析。
由于该技术具有高精度和较高的可靠性，因此被广泛用于航空发动机燃烧室的设计和优化。
三、航空发动机燃烧过程仿真技术的应用航空发动机燃烧过程仿真技术可以有效地提高发动机的性能和安全性，为发动机设计提供重要参考。
例如，仿真技术可以用于评估发动机燃烧效率，优化燃烧室结构，以及改善燃烧过程中的复杂物理过程。
此外，在燃烧稳定性、抗噪声和抗回喷等方面也有广泛的应用。
