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 ε
ρ （1.1） ∑∑=N j j
w n
r 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。
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。
也是含碳量最小（含氢量最大）的烃，也是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。
它可用来作为燃料及制造氢气、炭黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料，属于可再生能源。
表1 甲烷气体物理性质
甲烷属于气体燃料，燃烧时较易与空气充分混合，因此燃烧的热效率较高，从而较少污染物排放。
2.甲烷燃烧仿真模型搭建
本文计算的案例如下图所示：
火焰石湍流扩散火焰，在进口处甲烷以80m/s的速度从喷嘴射入，周围空气以0.5m/s的速度射入燃烧器，过量空气系数为 1.28。
在甲烷与空气之间用一层外墙隔开。
甲烷的雷诺数为5700。
甲烷与空气的反应采用最常见的单步总包反应，而且认为反应是扩散控制的，因此使用涡耗散模型对其进行模拟。
0.005m 甲烷: 80m/s, 300k
1.8m
图1 二维湍流扩散燃烧器中的甲烷燃烧
运用fluent进行甲烷燃烧的二维仿真模拟，需要设置诸如求解器，边界条件等计算参数，详细设置如下：
2.1.选择求解模型
求解器是求解网格方程的方案。
FLUENT的求解器分为分离式和耦合式两种。
分离式求解器适用于不可压和微可压流动，耦合式求解器用于高速可压流动。
本研究涉及的喷射压力下，流体处于不可压和微可压状态，故选用分离式求解器。
该方法是顺序地、逐一地求解关于u、v、w、p等的方程。
即先在全部网格上逐个解出每个方程。
由于控制方程式是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在计算得到收敛结果之前要经过多轮迭代。
本文采用压力基求解器。
因为本例流动入口处雷诺数达到了5700，为湍流，又是简单的突扩流动，所以选用标准k-epsilon模型，避免函数法。
采用涡耗散模型组分运输和化学反应的模型。
2.2.定义材料
采用fluent自带数据库中的甲烷即可，但是根据模型的简化，需要选择不可压缩理想气体，并且设置比热为混合物平均，并且随温度变化而改变，各个组分的比热也要设置为随温度变化，
2.3.设置边界条件
边界条件是对网格边界的约束，并设定流体进入计算区域时的状态。
本文选择压力进出口边界。
压力边界条件用于定义流动入口的压力以及其它标量属性。
它即可以适用于可压缩流，也可以用于不可压缩流。
压力边界条件可用于压力已知但是流动速度和速率未知的情况。
这一情况可用于很多实际问题，比如浮力驱动的流动。
压力边界条件也可用来定义外部或无约束流的自由边界。
在有可能出现回流的情况下，使用压力出口边界条件来代替其他出口条件常常有更好的收敛速度。
在使用各种k-ε模型对湍流进行计算时，需要给定进口边界上k和ε的估算值。
目前没有理论上的精确计算这两个参数的公式，要么通过试验得到，要么通过近似公式来估算。
对于没有任何已知条件的情况，可根据湍动强度I和特征长度L，由下式粗略估计进口的k和ε分布：
上述各项式中为水力直径DH计算得到的Reynolds数，对于圆管，水力直径DH等于圆管直径；It为湍流强度；L为关联尺寸，对于充分发展的湍流，可取L等于水力直径；l为湍流长度尺度；为平均速度；k为湍动能；Cu为经验常数取0.09；ε为湍动能耗散率。
分别进行空气入口处、燃料入口处、压力出口处、壁面边界处边界条件的设定。
空气入口速度大小为0.5，湍流强度为0.1，水力直径为0.44，默认温度为300k，氧气浓度为0.23。
燃料入口速度大小为80，湍流强度为0.1，水力直径为0.01，默认温度为300k，甲烷浓度为1。
压力出口表压力为0，湍流强度为0.1，水力直径为0.45，默认温度为300k，氧气浓度为0.23。
壁面边界壁温恒定为300k。
2.4.设置求解控制参数
为了更好地控制求解过程，需要在求解器中进行某些设置。
主要包括离散格式、设置欠松弛因子和初始化场变量。
FLUENT为控制方程中的对流项提供了多种不同的离散格式，在默认情况下，当使用分离式求解器时，所有对流项均用一阶迎风格式离散；当使用耦合求解器时，流动方程采用二阶精度格式，其它方程采用一阶精度格式。
一般来讲，一阶精度格式下的计算容易收敛，但精度较差。
本文中因为选用的分离式求解器，所以采用一阶迎风格式。
欠松弛因子是分离式求解器所使用的一个加速收敛的参数，用于控制每个迭代步所计算的场变量更新，除耦合方程之外的所有方程，包括耦合隐式求解器中的非耦合方程（如湍流方程），均有与之相关的欠松弛因子。
如果开始计算后，残差曲线逐渐上升，趋向发散，则需要适当减小欠松弛因子，以保证计算的收敛性。
3.甲烷燃烧分析
根据设置的残差值在迭代362步之后结果收敛，如下图所示：
图2 残差随迭代收敛情况
温度云图如下图所示：
图3 温度等值线图
可以看到，随着燃烧的进行，燃烧器的温度不断上升，且在中间区域温度最高，达2310k。
在甲烷刚刚射入燃烧器时，由于没有充分扩散，温度升高的区域主要集中在燃烧器下部分，之后由于甲烷与空气的充分混合，使得燃烧器整体温度都上升了。
定压比热等值线图如下：
图4 定压比热等值线图
可以看到，混合物比热随着反映的进行呈现下降趋势，在甲烷射入入口处比热最高，随着反应的进行，温度不断升高，混合物比热也不断下降。
甲烷的质量分数等值线图如下图所示：
图5 甲烷质量分数等值线图
可以看到，甲烷射入燃烧器后便急速燃烧，由于气体燃料与空气混合充分迅速，因此燃烧快速完全，在燃烧器中部便全部燃烧。
氧气的质量分数等值线图如下图所示：
图6 氧气质量分数等值线图
可以看到，随着甲烷燃烧的消耗，氧气的质量分数随着反映的进行不断降低，并且在甲烷的射流区域氧气的质量分数为零，因为射流压力较大，氧气无法与甲烷充分混合，只能和接触的甲烷燃烧，因此也验证了扩散燃烧的本质。
4.结论
甲烷作为一种可再生气体料，具有很好的燃烧特性，能够实现很高的热效率，在燃烧过程中能够与空气实现快速充分的混合，从而达到燃烧快速，彻底的效果，是一种很好地燃料，不过由于技术等原因，目前只较多应用于天然气、工厂等地方，对于汽车工业还没有应用，不过甲烷燃料的优点可以给我们寻找新的替代燃料以启示。
5.参考文献
[1]于勇,张俊明,姜连田. Fluent入门与进阶教程[M]. 北京：北京理工大学出版社2008.9.
[2]唐家鹏. Fluent14.0超级学习手册[J].北京：人民邮电出版社,2013.4.
[3] 王凯楠,侯献军,闫少杰,余其旺,徐楠楠. 基于Fluent的天然气燃烧特性研究[J]. 汽车科技2011(3): 12-14.
[4] 孙石,李文姬. FLUENT在动力机械中的应用[J]. 长春工程学院学报：自然科学版,2010(4): 46-48.
6.致谢
谢谢我的导师吴志军教授。
