燃烧模型与模拟

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。

轮机燃烧过程的数值模拟与优化分析在现代工业领域中，轮机作为重要的动力设备，其燃烧过程的性能和效率直接影响着整个系统的运行效果和能源利用效率。

因此，对轮机燃烧过程进行深入研究，并通过数值模拟和优化分析来提高燃烧性能，具有重要的现实意义。

轮机燃烧过程是一个复杂的物理化学过程，涉及到燃料的喷射、雾化、混合、燃烧以及热量传递等多个环节。

传统的实验研究方法往往需要耗费大量的时间和资源，而且难以获得燃烧过程中详细的内部信息。

而数值模拟技术的出现为轮机燃烧过程的研究提供了一种高效、经济的手段。

数值模拟的基本原理是基于流体力学、热力学、化学反应动力学等基本理论，通过建立数学模型和数值求解方法，来模拟轮机燃烧室内的流场、温度场、浓度场等物理量的分布和变化规律。

常用的数值模拟方法包括有限体积法、有限差分法和有限元法等。

在轮机燃烧过程的数值模拟中，需要合理选择数学模型和计算方法，以准确地描述燃烧过程中的各种物理化学现象。

在进行轮机燃烧过程的数值模拟时，首先需要建立准确的几何模型和网格划分。

几何模型应尽可能地反映轮机燃烧室的实际结构，而网格的质量和密度则直接影响着计算的精度和效率。

通常，对于复杂的几何形状，需要采用自适应网格技术或混合网格技术来提高网格的质量和适应性。

燃料的喷射和雾化过程是轮机燃烧过程中的关键环节之一。

数值模拟中，常用的燃料喷射模型包括离散液滴模型、连续液膜模型和喷雾模型等。

这些模型可以模拟燃料的喷射速度、喷射角度、液滴粒径分布等参数对燃烧过程的影响。

同时，为了准确描述燃料的雾化过程，还需要考虑空气动力学、表面张力、粘性力等因素的作用。

燃烧化学反应模型的选择也是数值模拟中的一个重要问题。

常用的燃烧化学反应模型包括详细化学反应模型、简化化学反应模型和总包反应模型等。

详细化学反应模型能够准确地描述燃烧过程中的复杂化学反应机理，但计算量较大；简化化学反应模型和总包反应模型则在保证一定精度的前提下，大大提高了计算效率。

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。

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%。

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。