非预混层流火焰模型

fluent燃烧简介

FLUENT燃烧简介 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。 1.1 FLUENT燃烧模拟方法概要 燃烧模型是FLUENT软件优于其它CFD软件的最主要的特征之一。FLUENT可以模拟宽广范围内的燃烧问题。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在模拟燃烧中的应用可如下图所示： 图 1 FLUENT模拟过程中所需的物理模型 1.1.1 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(单或二组分混合分数) 层流火焰面模型(Laminar flamelet model) Zimount 模型 1.1.2 离散相模型 煤燃烧与喷雾燃烧 1.1.3 热辐射模型 DTRM，P-1，Rosseland 和Discrete Ordinates 模型 1.1.4 污染物模型 NOx模型，烟(Smoot)模型 2.1气相燃烧模型 ·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 2.2.1 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。 求解积分的输运方程，得到每种组分的时均质量分数值，如下： -----(1) 其中组分j的反应源项为所有反应K个反应中，组分j的净生成速率： -----(2) -----(3) 计算所需参数包括：1、组分及其热力学参数值；2、反应及其速率常数值。 有限速率模型的有缺点： 优点：适用于预混、部分预混和扩散燃烧，简单直观； 缺点：当混合时间尺度和反应时间尺度相当时缺乏真实性，难以解决化学反应与湍流的耦合问题，难以预测反应的中间组分，模型常数具有不确定性。 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。 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。 2.2.2守恒标量的PDF模型 守恒标量的PDF模型仅适用于扩散(非预混)燃烧问题，该方法假定了反应是受混合速率所控制，即反应已经达到化学平衡状态，每个单元内的组分及其性质是由燃料和氧化剂的湍流混合强度所控制，其中涉及的化学反应体系由化学平衡计算来处理(利用FLUENT的组件程序PrePDF)。 该方法通过求解混合物分数及其方差的输运方程获得组分和温度场，而不是直接求解组分和能量的输运方程。 -----(4) -----(5) 其中-----(6) 混合分数定义-----(7)

第六章 FLUENT中的燃烧模拟

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。在混合（mixing ）速率方法中，混合速率和涡的时间尺度, k /ε.有关，其物理意义为化学反应受限于湍流导致的组分和热量的混合速率。J i 表达如下： 6－3 ● 计算所需参数包括：（i ）组分及其热力学参数值；（ii ）反应及其速率常数值。其中，FLUENT 提供了一个混合物组分的数据库可供查找选用，另外也提供了一个化学反应机理以及组分热力学性质的数据库可供查找选用。 ● 有限速率模型的优缺点： 优点：适用于预混、部分预混和扩散燃烧；简单直观 缺点：当混合时间尺度和反应时间尺度相当时（即Da>>1）缺乏真实性；难以解决化学 反应与湍流的耦合问题；难以预测反应的中间组分；模型常数具有不确定性 6.3.3 守恒标量的PDF 模型 ∑=k jk j R R

第15章 预混燃烧模拟

第十五章预混燃烧模拟FLUENT有一个预混湍流燃烧模型，基于反应过程参数方法。有关这一模型的内容按以下节次给出： ●15.1 概述和限制 ●15.2 预混燃烧模型 ●15.3 使用预混燃烧模型 15.1 概述和限制 15.1.1 概述 在预混燃烧中，燃料和氧化剂在点火之前进行分子级别的混合。火焰前锋传入未燃烧的反应物产生燃烧。预混燃烧的例子有吸气式内燃机，稀薄燃气轮机的燃烧器，气体泄露爆炸。 预混燃烧比非预混燃烧更难以模拟。原因在于（亚音速）预混燃烧通常做为薄层火焰产生，并被湍流拉伸和扭曲。火焰传播的整体速率受层流火焰速度和湍流涡旋控制。层流火焰速度由物质和热量逆流扩散到反应物并燃烧的速率决定。为得到层流火焰速度，需要确定内部火焰结构以及详细的化学动力学和分子扩散过程。由于实际的层流火焰厚度只有微米量级或更小，求解所需要的开销是不可承受的。 湍流的影响是使传播中的层流火焰层皱折、拉伸，增加了薄层的面积，并因此提高了火焰速度。大的湍流涡使火焰层皱折，而小的湍流涡，如果它们比层流火焰的厚度还小，将会穿过火焰层并改变层流火焰结构。 与之相比，非预混燃烧可以极大地简化为一个混合问题（例如，14.1节中介绍的混合物组分方法）。预混燃烧模拟的要点在于捕获湍流火焰速度，它受层流火焰速度和湍流的影响。 在预混火焰中，燃料和氧化剂在进入燃烧设备之前已经紧密混合。反应在燃烧区发生，这一区域将未燃烧的反应物和燃烧产物隔开。部分预混火焰具有预混和扩散火焰两方面的性质。它们发生在有额外的氧化剂或燃料气流进入预混系统，或是当扩散火焰离开燃烧器以在燃烧前产生某些预混的情况。 预混和部分预混火焰FLUENT的有限速率公式(见13章)模拟。还可以参阅16章了解更多有关FLUENT部分预混燃烧模型方面的信息。如果火焰是完全预混合的，则只有一股具有单一混合比的气流进入燃烧器，可以使用预混燃烧模型。 15.1.2 限制 在使用预混燃烧模型时有以下限制： ●必须使用非耦合求解器。预混燃烧模型在两种耦合求解器中都不能得到。 ●预混燃烧模型只对湍流、亚音速模型有效。这一类型的火焰成为爆燃。在爆炸中， 可燃混合物被冲击波后面的热量点燃，这一类型的燃烧可以使用非耦合和耦合求解 器用有限速率模型模拟。有关限速率模型见13章。 ●预混燃烧模型不能和污染物（如碳烟和NOx）模型一起使用。但完全预混系统可以 用部分预混模型（见16章）模拟。 ●不能用预混燃烧模型模拟反应的离散相粒子。只有惰性粒子可以使用预混燃烧模 型。 15.2 预混燃烧理论 湍流预混燃烧模型基于Zimont等人的工作[275，276，278]，涉及求解一个关于反应过

使用非预混燃烧模型

《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
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https://www.wendangku.net/doc/0a13738165.html,

湍流燃烧模型-PDF

PDF 模型 概率密度函数PDF方法以随机的观点来对待湍流问题，对解决湍流化学反应流的问题具有很强的优势。在湍流燃烧中存在一些非输运量( 如反应速率, 密度, 温度及气相体积分数等) 的湍流封闭问题。尽管这些量没有输运方程, 但它们常常是输运变量的已知函数。平均或者过滤高度非线性的化学反应源项会引起方程的封闭问题。因此，用PDF的方法来解决这些非输运量的湍流封闭问题显然是一个既简单又直接的途径。 PDF方法是一种较为流行的湍流燃烧模型，能够较为精确的模拟任何详细的化学动力学过程, 适用于预混、非预混和部分预混的任何燃烧问题。目前, 确定输运变量脉动概率密度函数的方法有输运方程和简化假定两种, 分别称之为输运方程的PDF和简化的PDF。前者建立输运变量脉动的概率密度输运方程，通过求解该方程来获得输运变量脉动的概率分布。后者假定输运变量脉动的概率密度函数的具体形式, 通过确定其中的一些待定参数来获得输运变量脉动的概率分布。湍流燃烧中, 后者应用最为普遍和广泛。在简化的PDF 中, 输运变量脉动的概率密度函数常常采用双 D 分布、截尾高斯分布和B 函数分布等形式。 PDF在理论上可以精确考虑任意详细的化学反应机理，但是其具体求解时需借助其它的模型和算法，而且计算量相对较大。PDF的方程是由N-S方程推导而来，其中的化学反应源项是封闭的，但压力脉动梯度项以及分子粘性和分子扩散引起的PDF的分子输运项是不封闭的，需要引入模型加以封闭。例如，在速度- 标量-湍流频率PDF中，必须采用小尺度混合模型、随机速度模型和湍流频率模型加以封闭。 模化后的输运方程难以用有限容积、有限差分和有限元等方法来求解，比较可行的一种方法是蒙特卡洛(MonteCarlo)方法,在该方法中输运方程被转化为拉格朗日(Lagrangian)方程,流体由大量遵循Lagrang ian方程的随机粒子的系统来描述, 最后对粒子作统计平均得到流场物理量和各阶统计矩。另有与有限容积法相结合的蒙特卡洛法。 PDF 模型的发展 1969年Lungdren首先推导、计算了速度的联合PDF运输方程，避免了对梯度扩散模型进行模拟，对很简单的流动过程得到了简析解[1]。

层流预混火焰稳定浓度界限测定

层流预混火焰浓度稳定界限的测定 实验成员：徐俊卿 郑仁春 韩超 一、实验的理论基础 现代工业要求尽可能高效地利用燃料，这就要求在稳定燃烧条件下，使燃料与空气以适当的比例混合燃烧。因此对燃料燃烧特性及流体力学和热力学方面需要有详细了解。 预混可燃气燃烧时，如果预混气体的速度在火焰锋面上的法向分量大于火焰传播速度，火焰将向下游移动，最后完全熄灭，称为吹脱或吹熄。反之，如果预混气的法向速度小于火焰传播速度，火焰将逆流向上游移动，进入燃烧器内部，即出现回火现象。 在燃烧过程中，出现回火和熄灭都是不允许的。回火会引起爆炸。熄灭使动力机械停止工作，并向周围扩散有毒气体，有中毒和爆炸的危险。 回火现象只能出现在预混燃烧过程中。在扩散燃烧中，燃料和空气是分别送入燃烧室的，在燃烧器内两者并不接触，因此没有回火现象。熄灭或吹脱现象在预混燃烧和扩散燃 煤气 甲烷 （l/min ） 图1-1 甲烷/空气 煤气/空气 稳定曲线 要维持正常的稳定燃烧，就需要避免出现回火或熄灭现象，因而要求知道燃料的稳定燃烧范围。这一稳定界限与燃料/空气比和环境的温度和压力有关。图1—1是甲烷/空气煤气/空气在常温常压下预混燃烧的火焰稳定范围。图中下部是富油燃烧区，稳定范围宽，不易回火和吹脱。但火眼呈黄色，发光。下面一根曲线为火焰尖顶出现黄色的界限。图中上方为火焰吹脱熄灭界限。当预混气处于该曲线上方时，火焰被吹脱。 左边回火界限呈斜山立形，预混气的状态处于山丘内时出现回火现象。回火界限与预混气的空气气/燃气比有关。当空气/燃气比接近化学计量值时，火焰传播速度快，稳定范围小，容易出现回火。但这时燃烧效率最高。 二、实验原理 本实验用一套预混火焰装置（本生灯）进行实验，既可以定性观察预混火焰的各种现象，又可以定量地测定火焰浓度稳定的界限，火焰传播速度等各种燃烧特性。 ～220V 图1-2实验系统图示意图 图1—2为实验装置系统图，小型压气机供给压缩空气，通过一个稳压减压阀保持气压

fluent tutorial file 之 prePDF 模拟煤粉燃烧

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 Summary
Introduction 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

第六章 预混层流火焰

第六章 层流预混火焰传播 §6-1 火焰速度和火焰结构 一维层流火焰在预混燃料-氧化剂混合物中传播是最简单的燃烧现象之一，在此火焰 中，化学动力学以及能量和组分扩散输运起重要作用。通过守恒方程和状态方程可以导出Rankine-Hugoniot 曲线。该曲线把在一维层流预混火焰中未燃气和已燃气状态联系起来。已燃气体位于Rankine-Hugoniot 曲线下分支（缓燃），并相应于未燃气体状态Rayleigh 线与具有适当反应热的Rankine-Hugoniot 曲线交点L ，如图6.1-6.2中所示。 图6.1 层流预混火焰坐标系 图6.2 一维燃烧波的Rankine-Hugoniot 曲线和Rayleigh 线 Rayleigh 线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度，即层流火焰速度有关。 22)()/(/u u u A m dv dP ρ?=?=& ==)(u u S u 层流火焰速度=)/()/1(dv dP u ρ? 由于缓燃Rayleigh 线斜率比爆震Rayleigh 线斜率小得多，所以缓燃速度比爆震速度小 得多。 虽然守恒方程和状态方程提供了缓燃的未燃气体和已燃状态之间的关系，但不能唯一确定层流火焰速度u S 。为了确定u S ，必须将守恒方程通过缓燃波积分。由于在第5章中推

导的方程是非线性耦合微分方程，其准确解只有通过数值积分才能获得。它需要很大的计算资源。为了考察层流火焰的某些特征（如火焰速度和厚度）以及这些特征与燃烧参数如燃料类型、化学配比、压力及未燃气体的温度的关系，对方程组进行了简化，以便能分析求解。要得到简化的模型，需要引入一系列的假设。我们从考察参考系建立在火焰上的层流火焰结构的某些方面入手。如前所述，这些计算是针对等压过程进行的。但是对一维缓燃的Rankine-Hugoniot 曲线，如图6.2所示，已燃气的压力小于未燃气的压力。现在我们需要考察压力减少的数值是否小到可以忽略的程度。如果能假设压力近似不变，则可以减少一个需要求解的方程数，动量方程将减少到P=常数。 对于稳态一维燃烧波，质量守恒方程变成： 常数=?=u dx u d ρρ0/)( 忽略粘性影响和体积力（浮力），动量方程可写成： 0)/(/=+dx du u dx dP ρ 应用以上两个方程估算通过火焰的压力降， [][] 1)/(1)/()()/(22 ?=??≈Δ?=Δ=ΔΔΔ?≈Δb u u u u b u u u b u u u u u u u u P u u u u u x x u u P ρρρρρρρ 由理想气体状态方程， )/(~)/)(/)(/(/u b u b u b b u b u T T T T R R P P =ρρ 由于反应物与产物的分子量近似相同，预期穿过火焰的压力降与温度增加相比是很小的，因此 []1)/(2 ??=Δu b u u T T u P ρ 碳氢燃料与空气混合物在大气条件下的层流火焰速度典型值在15-40cm/s 范围内。 u b T T /的典型值在5-7范围内，u ρ的典型值等于33/101cm g ?×。因此P Δ的典型值为： 2650.1~1/(10~10)P N m atm ???Δ= 因此，忽略通过火焰的压力降是很合理的。 §6-2 一维层流预混火焰模型 描述一维预混火焰的方程组是：压力为常数的条件下的质量守衡（=u ρ常数），能量守恒（H=常数），组分守恒以及理想气体状态方程。如附录G 中公式（G-40），（G-41）所示， 若利用Le=1近似，可以假设能量方程和组分方程为同一种形式： []RR dx dx d D u d =?/)/(ηρηρ 式中： [] )(/)()] /[('ref R sebsible T i i i i T H T h Y Δ?=?=ηυυη 只要求解能量方程和组分方程中的一个，加上适当的边界条件，就可以完全决定火焰的结构和速度。

第章预混燃烧模拟

第十五章预混燃烧模拟 FLUENT 有一个预混湍流燃烧模型，基于反应过程参数方法。有关这一模型的内容按以下节次给出： 15.1概述和限制 15.2 预混燃烧模型 15.3 使用预混燃烧模型 15.1 概述和限制 15.1.1概述在预混燃烧中，燃料和氧化剂在点火之前进行分子级别的混合。火焰前锋传入未燃烧的反应物产生燃烧。预混燃烧的例子有吸气式内燃机，稀薄燃气轮机的燃烧器，气体泄露爆炸。 预混燃烧比非预混燃烧更难以模拟。原因在于（亚音速）预混燃烧通常做为薄层火焰产生，并被湍流拉伸和扭曲。火焰传播的整体速率受层流火焰速度和湍流涡旋控制。层流火焰速度由物质和热量逆流扩散到反应物并燃烧的速率决定。为得到层流火焰速度，需要确定内部火焰结构以及详细的化学动力学和分子扩散过程。由于实际的层流火焰厚度只有微M 量级或更小，求解所需要的开销是不可承受的。 湍流的影响是使传播中的层流火焰层皱折、拉伸，增加了薄层的面积，并因此提高了火焰速度。大的湍流涡使火焰层皱折，而小的湍流涡，如果它们比层流火焰的厚度还小，将会穿过火焰层并改变层流火焰结构。 与之相比，非预混燃烧可以极大地简化为一个混合问题（例如，14.1节中介绍的混 合物组分方法）。预混燃烧模拟的要点在于捕获湍流火焰速度，它受层流火焰速度和湍流的影响。 在预混火焰中，燃料和氧化剂在进入燃烧设备之前已经紧密混合。反应在燃烧区发生，这一区域将未燃烧的反应物和燃烧产物隔开。部分预混火焰具有预混和扩散火焰两方面的性质。它们发生在有额外的氧化剂或燃料气流进入预混系统，或是当扩散火焰离开燃烧器以在燃烧前产生某些预混的情况。 预混和部分预混火焰FLUENT的有限速率公式（见13章濮拟。还可以参阅16章了解更多有关FLUENT部分预混燃烧模型方面的信息。如果火焰是完全预混合的，则只有一股具有单一混合比的气流进入燃烧器，可以使用预混燃烧模型。 15.1.2限制 在使用预混燃烧模型时有以下限制：必须使用非耦合求解器。预混燃烧模型在两种耦合求解器中都不能得到。预混燃烧模型只对湍流、亚音速模型有效。这一类型的火焰成为爆燃。在爆炸中，可燃混合物被冲击波后面的热量点燃，这一类型的燃烧可以使用非耦合和耦合求解器用有限速率模型模拟。有关限速率模型见13章。预混燃烧模型不能和污染物（如碳烟和 NOx ）模型一起使用。但完全预混系统可以用部分预混模型（见16 章）模拟。 不能用预混燃烧模型模拟反应的离散相粒子。只有惰性粒子可以使用预混燃烧模型。 15.2预混燃烧理论 湍流预混燃烧模型基于Zimont 等人的工作[275，276，278]，涉及求解一个关于反应过程变量的输运方程。这一方程的封闭基于湍流火焰速度的定义。 15.2.1 火焰前锋的传播 在许多工业预混系统中，燃烧发生在一个非常薄的火焰层中。当火焰前锋移动时，未燃的反应物燃烧，变为燃烧产物。因此预混燃烧模型用火焰层将反应的流场分为已燃物区和未燃物区。反应的传播等同于火焰前锋的传播。 火焰前锋传播的模拟通过求借一个关于标量c的输送方程，c为(Favre平均)反应进 程变量。

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。 保证你所使用的物理模型要适合你所研究的问题 下图所示： 气相燃烧模型 一般的有限速率形式（Mag nu ssen 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 NOx 模型，烟（Soot ）模型 第六章，FLUENT 中的燃烧模拟 然而，需要注意的是： 你必须 FLUENT 在燃烧模拟中的应用可如

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： 有限速率燃烧模型一一 > 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） 烧 反应进度方法（Zimont 模型）一一 >预混燃烧 混合物分数和反应进度方法的结合一一 >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： 鲁的）+ ▽■阿 ）=-v-Ji+fli+Si 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: R j R jk k 6 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 break up ”速率的方法求解。在混合（ mixi ng ）速率方法中，混合速率和涡的时间尺度 / 5.有关，其 物理意义为化学反应受限于湍流导致的组分和热量的混合速率。 1-（叫+紛 计算所需参数包括：（i ）组分及其热力学参数值； FLUENT 提供了一个混合物组分的数据库可供查找选用, 理 以及组分热力学性质的数据库可供查找选用。 有限速率模型的优缺点： 优点：适用于预 混、部分预混和扩 散燃烧；简单直观 缺点：当混合时间尺度和反应时间尺度相当时 （即 6.3.3守恒标量的PDF 模型 >扩散燃 —2 “eddy ,k J i 表达如下： （ii ）反应及其速率常数值。其中, 另外也提供了一个化学反应机 Da>>1）缺乏真实性；难以解决化学 反应 与湍流的耦合问题；难以预测反应的中间组分；模型常数具有不确定性

湍流燃烧及其数值模拟

湍流燃烧及其数值模拟研究 1. 湍流燃烧 1.1湍流燃烧基本概念 当流动雷诺数数较小时，由于流体粘性的作用，流体呈层流流态。当流动的特征雷诺数超过相应的临界值，流动从层流转捩到湍流。湍流燃烧是指湍流流动中可燃气的燃烧，在能源、动力、航空和航天等工程领域,经常遇到的实际燃烧过程几乎全部都是湍流燃烧过程。湍流燃烧实质是湍流，化学反应和传热传质等过程相耦合的结果。湍流对燃烧的影响与湍流强度和湍流涡旋尺度有关。小尺度湍流通过湍流扩散使火焰区内的输运效应增加，从而使化学反应速率增加。但气流脉动不会火焰面产生皱褶，只能把火焰变成波纹状。大尺度湍流对火焰内部结构没有影响，但使火焰阵面出现皱褶，增加其燃烧面积，造成火焰表现传播速度增加。当湍流强度及湍流尺度均较大时，火焰前沿不再连续而分裂成四分五裂。 燃烧对湍流的影响主要表现在燃烧释放的热流流团膨胀，影响气体的密度和运动速度，从而影响当地的涡旋，湍流强度和湍流结构。 1.2湍流燃烧分类 湍流燃烧按其燃料和氧化剂的初始混合状态可以分类为：湍流非预混燃烧、预混燃烧和部分预混燃烧。在湍流非预混燃烧燃料和氧化剂事先是分离的，燃料和氧化剂一边混合一边燃烧，燃烧速率主要受湍流混合过程控制，而在湍流预混燃烧中，燃料和氧化剂在进入核心燃烧区以前已经充分混合，化学反应的速率由火焰前缘从炽热的燃烧区向冷态无反应区的传播所控制。上面两种燃烧方式是湍流燃烧的两个极限情形，很多情况下两种燃烧模式是并存的，称为部分预混燃烧。部分预混燃烧可出现在下列情形中叫：(1)在一个完全以非预混燃烧为配置的燃烧装置发牛了局部熄火；(2)当预混火焰前缘穿过非均匀的混气时；(3)射流非预混火焰发生抬举，其根部是一个典型的部分预混火焰。这三种部分预混燃烧情形涉及了经常受到关注的燃烧研究话题如局部熄火、火焰稳定等，它们对研究湍流燃烧过程的机理有很大意义。 在湍流燃烧中,湍流流动过程和化学反应过程有强烈的相互关联和相互影响.湍流通过强化混合而影响着时平均化学反应速率,同时化学反应放热过程又影响着湍流,如何定量地来描述和确定这种相互作用是湍流燃烧研究的一个重要内容. 湍流是非常复杂的，它包括湍流问题，湍流与燃烧的相互作用，流动参数与化学动力参数之间的耦合机理等问题。因此湍流燃烧是工程科学中最复杂的领域之一。 湍流燃烧的研究已进行多年，研究的方法有试验研究，理论分析和数值模拟等。计算流体力学和计算机技术的发展，数值模拟由于它的廉价性和可操作性在国际上受到越来越多的重视，得到了广泛的应用。 2.湍流燃烧数值模拟 2.1湍流燃烧数值模拟简介 湍流燃烧数值模拟(Numerical Simulation of Turbulent Combustion)是指应用计算机为工

第14章 非预混燃烧模拟

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 for Non-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。热化学计算在prePDF中进行，并列成表以便于在FLUENT中查询。紊流和化学的相互作用考虑为一个概率（几率）密度函数（PDF）。 关于非预混混合分数／PDF模型的信息在以下分节中讲述： 14.1.1：非预混方法的优点和局限（Benefits and Limitations of the Non-Premixed Approach）； 14.1.2：非预混方法的细节（Details of the Non-Premixed Approach）； 14.1.3：非预混模拟的限制和特有案例（Restrictions and Special Cases for Non-Premixed Modeling）； 见14.2：模拟和解决顺序的回顾，以及14.3；应用模型指导。 14.1.1非预混方法的优点和局限 非预混方法的优点（Advantages of the Non-Premixed Approach）：非预混模拟方法已被明确用于模拟进行快速化学反应的紊态扩散火焰的研究。对这样的系统，该方法有许多点优于第十三章中描述的有限率公式。非预混

层流预混火焰传播速度测定

层流预混火焰传播速度的测定 实验成员：徐俊卿 郑仁春 韩超 一、实验的理论基础 许多工业设备都应用预混气燃烧作为热和能量的生成方式。如火花点火发动机（汽油机），煤气炉内的燃烧，灾害性的火灾和爆炸都涉及到预混气的燃烧和火焰传播问题。 研究预混气燃烧的最重要参数是层流火焰传播速度。火焰速度是预混气的基本特性，是研究火焰稳定性以及湍流预混气燃烧的基础。 层流火焰速度定义为给定可燃预混气的一维平面预混火焰在没有热损失时相对于未燃气的移动速度。用S 0表示。该定义给出的火焰速度是预混气的单一的固有特性，而与外界流动条件无关，在某些精心设计的实验设备，如相向流火焰设备上，采用激光多普勒速度仪，可以精确测定S 0。普通的预混火焰设备很难完成满足上述定义中的所有条件。如采用本生灯测定火焰速度，由于火焰面呈锥形，不是一维火焰，顶端和底部火焰有弯曲。不可避免地有热损失。因此测到的是被测点当地的火焰速度或称局部火焰速度，用S 表示。S 除与可燃预混气的气/油比有关外，还受热损失，火焰拉伸等动力学因素影响。用其它的实验方法，如平面火焰法，火焰推进法，肥皂泡法，球弹法和圆管法都是只能测定局部火焰速度。 层流火焰理论指出，预混火焰的稳定位置总是位于预混气在火焰面的法向速度分量与火焰速度（总与火焰面垂直）大小相等，方向相反的地方。当这两个速度不相等时，火焰面就要移动，而扩散火焰总是驻定在燃料与氧化剂为化学计量值的位置上。在这一位置，燃料与氧化剂混合最均匀，反应率最快。偏离这一位置，不可能组织起燃烧，扩散火焰没有火焰传播速度的概念，这是预混火焰和扩散火焰最主要的区别之一。 二、实验原理 实验采用本生灯测定（局部）火焰传播速度，实验设备与实验二相同。 设计良好的本生灯火焰呈锥形，除顶端和底部火焰弯曲外，中间有较长一段的平直火焰，假定预混气速度沿出口截面分布均匀，火焰前沿各处的气流法向速度相等，把驻定在管口的火焰面简化为正锥形，如图3-1所示。预混气的速度为u 0，火焰面平直的上点P 的火焰速度为S 。S 在数值上等于u 0在P 点垂直于火焰面的法向分量，即 S u =0sin α （1） α为火焰锥的半顶角。可用测高仪测出火焰高度和底部直径后算得，也可用量角器直接量出。 u 0由浮子流量计测定流量后，根据出口直径计算（d 0为管口内径）： Q u A d u == 004 02 0π （2） S ∠ 图2-1本生火焰 三、实验设备 预混火焰装置 五、数据数据及处理

fluent中燃烧模型分类

FLUENT燃烧模型 化学反应 模拟方法 方法描述计算反应的选择 有限速率模型需要求解组分质量分数的 输运方程，化学反应机理 由用户自己定义。反应速 率在组分输运方程中作为 源项，并由阿累尼乌斯公 式计算。应用范围最广泛。 应用：模拟化学组分混合、 输运和反应的问题；壁面 或粒子表面反应问题 层流有限 速率模型 使用Arrhenius公式计算化学源项，忽略湍流脉动的影响。对于化学动力学控制的燃烧（如层流燃 烧），或化学反应相对缓慢的湍流燃烧是准确的。但对一般湍流火焰中Arrhenius化学动力学的高度 非线性一般不精确；对于化学反应相对缓慢、湍流脉动较小的燃烧（如超音速火焰）可能可以接受。 漩涡破碎模型 Eddy Dissipation 大部分燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流混合控制。复杂且常是未知的化学反应动力学速率可以 完全的被忽略掉。化学反应速率由大尺度涡混合时间尺度k/ε控制。只要k/ε（湍流）出现，燃烧 即可进行，不需要点火源来启动燃烧。（缺点：未能考虑分子输运和化学动力学因素的影响） 适用条件：高雷诺数湍流预混燃烧过程。 EBU-Arrehenius 模型 EDC模型 假定化学反应都发生在小涡中（精细涡），反应时间由小涡生存时间和化学反应本身需要的时间共 同控制。EDC模型能够在湍流反应中考虑详细的化学反应机理。但是他们的数值积分计算开销很大。 使用条件：只有在快速化学反应假定无效的情况下才能使用这一模型（如快速熄灭火焰中缓慢的 CO烧尽、选择性非催化还原中的NO转化问题）。 非预混燃烧模型不求解每个组分的质量分数输运方程，求解混合分数输运方程和一个或两个守恒标量的方程，然后从预测的混合分数公布推导出每一个组分的浓度。通过概率密度函数或PDF来考虑湍流的影响。 应用：主要用于模拟湍流扩散火焰的反应系统。这个系统要求接近化学平衡，氧化物和燃料以两个或者三个进口进入计算域。 预混燃烧模型主要用于单一、完全预先混合好的燃烧系统。反应物和燃烧产物被火焰前沿分开。求解出反应发展变量来预测前沿的位置。湍流的影响通过湍流火焰速度计算。 部分预混燃烧模型描述非预混燃烧完全预混燃烧相结合的系统。结合混合分数方程和反应物发展变量来分别确定组分浓度和火焰前沿位置。适用于计算域内具有变化等值比率的预混火焰情况。通过求解混合分数方程和反应过程参数来确定火焰峰面的位置。 PDF输运方程模型结合CHEMKIN可以考虑详细的化学反应机理，高度的非线性化学反应项是精确模拟，无须封闭模型，可以合理的模拟湍流和详细化学反应动力学之间的相互作用，是模拟湍流燃烧的精确模拟方法。但计算量特别大。 优点：可以计算中间组分；考虑分裂影响；考虑湍流-化学反应之间的作用；无需求解组分输运方程 缺点：系统须满足（靠近）局部平衡；不能用于可压缩或非湍流流动；不能用于预混燃烧。

实验一 层流预混火焰稳定浓度界限测定

实验一层流预混火焰浓度稳定界限的测定 一、实验的理论基础 现代工业要求尽可能高效地利用燃料，这就要求在稳定燃烧条件下，使燃料与空气以适当的比例混合燃烧。因此对燃料燃烧特性及流体力学和热力学方面需要有详细了解。 预混可燃气燃烧时，如果预混气体的速度在火焰锋面上的法向分量大于火焰传播速度，火焰将向下游移动，最后完全熄灭，称为吹脱或吹熄。反之，如果预混气的法向速度小于火焰传播速度，火焰将逆流向上游移动，进入燃烧器内部，即出现回火现象。 在燃烧过程中，出现回火和熄灭都是不允许的。回火会引起爆炸。熄灭使动力机械停止工作，并向周围扩散有毒气体，有中毒和爆炸的危险。 回火现象只能出现在预混燃烧过程中。在扩散燃烧中，燃料和空气是分别送入燃烧室的，在燃烧器内两者并不接触，因此没有回火现象。熄灭或吹脱现象在预混燃烧和扩散燃烧中均有可能出现。 回火煤气 8吹脱甲烷 4回火 黄尖 2 10203040V F （l/min 图 1-1甲烷/空气煤气/空气稳定曲线 要维持正常的稳定燃烧，就需要避免出现回火或熄灭现象，因而要求知道燃料的稳定燃烧范围。这一稳定界限与燃料/空气比和环境的温度和压力有关。图1—1是甲烷/空气煤气/空气在常温常压下预混燃烧的火焰稳定范围。图中下部是富油燃烧区，稳定范围宽，不易回火和吹脱。但火眼呈黄色，发光。下面一根曲线为火焰尖顶出现黄色的界限。图中上方为火焰吹脱熄灭界限。当预混气处于该曲线上方时，火焰被吹脱。 左边回火界限呈斜山立形，预混气的状态处于山丘内时出现回火现象。回火界限与预混气的空气气/燃气比有关。当空气/燃气比接近化学计量值时，火焰传播速度快，稳定范围小，容易出现回火。但这时燃烧效率最高。 二、实验原理 本实验用一套预混火焰装置（本生灯）进行实验，既可以定性观察预混火焰的各种现象，又可以定量地测定火焰浓度稳定的界限，火焰传播速度等各种燃烧特性。 图1-2实验系统图示意图 图1—2为实验装置系统图，小型压气机供给压缩空气，通过一个稳压减压阀保持气压稳定。流量由浮子流量计读数。燃料可用丁烷气、城市煤气或石油液化气等。由浮子流量计控制燃料流量。空气和燃料分别送入混合块进行混合。为保证燃料空气充分混合，并保持实验

第15章 预混燃烧模拟

第十五章预混燃烧模拟 FLUENT有一个预混湍流燃烧模型，基于反应过程参数方法。有关这一模型的内容按以下节次给出： 15.1 概述和限制 15.2 预混燃烧模型 15.3 使用预混燃烧模型 15.1 概述和限制 15.1.1 概述 在预混燃烧中，燃料和氧化剂在点火之前进行分子级别的混合。火焰前锋传入未燃烧的反应物产生燃烧。预混燃烧的例子有吸气式内燃机，稀薄燃气轮机的燃烧器，气体泄露爆炸。 预混燃烧比非预混燃烧更难以模拟。原因在于（亚音速）预混燃烧通常做为薄层火焰产生，并被湍流拉伸和扭曲。火焰传播的整体速率受层流火焰速度和湍流涡旋控制。层流火焰速度由物质和热量逆流扩散到反应物并燃烧的速率决定。为得到层流火焰速度，需要确定内部火焰结构以及详细的化学动力学和分子扩散过程。由于实际的层流火焰厚度只有微米量级或更小，求解所需要的开销是不可承受的。 湍流的影响是使传播中的层流火焰层皱折、拉伸，增加了薄层的面积，并因此提高了火焰速度。大的湍流涡使火焰层皱折，而小的湍流涡，如果它们比层流火焰的厚度还小，将会穿过火焰层并改变层流火焰结构。 与之相比，非预混燃烧可以极大地简化为一个混合问题（例如，14.1节中介绍的混合物组分方法）。预混燃烧模拟的要点在于捕获湍流火焰速度，它受层流火焰速度和湍流的影响。 在预混火焰中，燃料和氧化剂在进入燃烧设备之前已经紧密混合。反应在燃烧区发生，这一区域将未燃烧的反应物和燃烧产物隔开。部分预混火焰具有预混和扩散火焰两方面的性质。它们发生在有额外的氧化剂或燃料气流进入预混系统，或是当扩散火焰离开燃烧器以在燃烧前产生某些预混的情况。 预混和部分预混火焰FLUENT的有限速率公式(见13章)模拟。还可以参阅16章了解更多有关FLUENT部分预混燃烧模型方面的信息。如果火焰是完全预混合的，则只有一股具有单一混合比的气流进入燃烧器，可以使用预混燃烧模型。 15.1.2 限制 在使用预混燃烧模型时有以下限制： 必须使用非耦合求解器。预混燃烧模型在两种耦合求解器中都不能得到。 预混燃烧模型只对湍流、亚音速模型有效。这一类型的火焰成为爆燃。在爆炸中，可燃混合物被冲击波后面的热量点燃，这一类型的燃烧可以使用非耦合和耦合求解 器用有限速率模型模拟。有关限速率模型见13章。 预混燃烧模型不能和污染物（如碳烟和NOx）模型一起使用。但完全预混系统可以用部分预混模型（见16章）模拟。 不能用预混燃烧模型模拟反应的离散相粒子。只有惰性粒子可以使用预混燃烧模型。 15.2 预混燃烧理论 湍流预混燃烧模型基于Zimont等人的工作[275，276，278]，涉及求解一个关于反应过