第15章预混燃烧模拟

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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

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。

其中 为反应进程变量；

c t Sc 为梯度湍流流量的施密特数；

Sc 为反应进程源项(s -1)

进程变量定义为：

其中，n 为产物数量；

i Y 为第i 种物质的质量分数；

ad i Y ,为经过绝热完全燃烧后第i 种物质的质量分数。

根据这一定义，混合物燃烧前0=c ；混合物燃烧后1=c 。

在所有的流动入口，将c 定义为边界条件，要么是0，要么是1；

方程15.2-1中的平均反应速率在[276]进行了建模：

其中，u ρ为未燃混合物密度；

t U 为湍流火焰速度。

存在其他反应速率模型[27]，并且可以指定用户定义的函数。参见UDF手册获取用户定义函数的详细资料。

15.2.2 湍流火焰速度

预混燃烧模型的关键是，即垂直于火焰表面的湍流火焰速度的预测，湍流火焰速度受以下因素影响：

t U 层流火焰速度，因此由燃料浓度、温度和分子扩散性质以及化学动力学的决定；

大涡引起的火焰前锋皱折和拉伸，小涡引起的火焰前锋加厚。

在FLUENT中，通过这样一个关于起皱和加厚了的火焰前锋的模型来计算湍流火焰速度[276]：

其中，——模型常数；

A u ′——均方速度(m/s)；

L U ——层流火焰速度(m/s)；

p c k ρα/=——未燃混合物的摩尔传热系数（热扩散）(m 2/s)；

t l ——湍流长度尺度；

u l t t ′=/τ——湍流时间尺度(s)；

2/l c U ατ=——化学反应时间尺度

湍流长度尺度t τ可以由下式计算：

其中ε为湍流耗散速率。

模型基于火焰团内小尺度湍流平衡假定，导致了一个只与大尺度湍流参数有关的湍流火焰速度表达式。文献[276]中推荐A 的缺省值为0.52，对于大多数预混火焰都是适合的。缺省的值为0.37，对于大多数预混火焰也是适合的。

D C 当流动中最小的湍流涡(Kolomogrov尺度)小于火焰厚度，并穿过火焰区时，这一模型确实是适用的，这称为反应区，燃烧区，并且可以用Karlovitz数Ka来数量化，Ka大于1，定义为：

其中，——火焰特征时间尺度； l t ηt ——最小（Kolomogrov 尺度）湍流时间尺度

()4/1εηv v =——Kolomogrov 速度

υ ——动力粘度

最后，模型对于火焰扫过的宽度随时间增加的预混系统是有效的，这一系统在常见于工

业燃烧器中。经过长时间传播后，火焰接近于不变的宽度，在这一模型中不能得到。 LES 的湍流火焰速度

对于使用LES 湍流模型的模拟，湍流火焰速度表达式(方程15.2-4)中的雷诺平均量用它们等价的亚网格量来替代。特别是大涡长度尺度的模型为：

t

l

其中为Smagorinsky 常数，为单元特征长度。

s C ?

方程15.2-4中的RMS速度用亚网格速度波动代替，按下式计算：

其中ags τ为亚网格尺度混合速率（时间尺度）

，由方程13.1-27给出。 火焰拉伸效应

由于工业上低排放的燃烧器常工作在接近稀薄吹熄极限附近，火焰拉伸将对平均湍流热释放强度具有重要的影响。为了将这种火焰拉伸考虑进去，进程变量的源项(方程15.2-1中的)乘上了一个拉伸因子[278]。这个拉伸因子表示了拉伸不会使火焰淬熄的可能性；如果没有拉伸（G =1），火焰不会淬熄的可能性为1。

c S G 拉伸因子可以通过积分湍流扩散速率ε的自然对数分布得到。

其中是补充误差函数，erfc σ和cr ε的定义如下：

σ为ε分布的标准差，

其中str μ为耗散脉动的拉伸因子系数，湍流积分长度尺度，L η为Kolmogorov 微尺度。文献[276]推荐的str μ的缺省值为0.26（在无反应流动中测得），对于大多数预混合火焰都适用。

cr ε为在应力处于临界变化率时的湍流耗散速率。

[276]

缺省时，设置为一个很大的值（），以不产生火焰拉伸。为了包含火焰拉伸效应，应力的临界变化速率需要根据燃烧器的实验数据进行调整。数值模型能推荐一个物理上合理值的范围[276]，或者通过实验数据确定一个适当的值。关于临界应力变化速率cr g 8

101×cr g cr g

的一个合理的模型如下：

其中B 为常数（典型值为0.5）

，α为热扩散系数。方程15.2-13可以通过使用适当的用户定义函数在FLUENT 中执行。参见UDF 手册了解有关用户定义函数的细节。

优先扩散

优先扩散是由于在湍流燃烧中燃料分子扩散系数的不同对放热强度的影响产生的。包含这一效应对于轻燃料（如氢）或重燃料（如蒸发的油）的燃烧模拟非常重要。优先扩散的模型基于文献[121]阐述的引导点的概念。文献[121]的作者根据燃料和氧化剂分子扩散系数和的差异得出了燃烧区内混合物组成变化的公式。这些公式在文献[278]中重写为：

fuel D ox

D

其中，

st C 为质量stoichiometric 系数；

0λ为未燃混合物组成的stoichiometric 比；

p 1λ为引导点混合物组成的stoichiometric

比。

通过在层流火焰速度或是传热系数l U α的公式中用p 1λ代替0λ，将引导点的概念用于FLUENT。这种简单的方法在没有使用附加经验参数的情况下，得到了与搅拌燃弹中质量燃烧速率测量结数据一致的结果[278]。

梯度扩散

火焰前锋的容积扩张可以导致反梯度方向扩散。这种效应在反应物的密度与产物的密度比值很大，且湍流强度很小时更加显著。它可以用比值()()I U l b u //ρρ数量化，其中u ρ、b ρ、和l U I 分别为未燃物密度、已燃物密度、层流火焰速度和湍流强度。这一比值比一大表明具有反梯度方向扩散的趋势，且预混燃烧模型可能是不适当的。最近有关湍流-火焰-速度模型在这一体制下的有效性问题的争论可以在Zimont 等人的文献中找到[277]。

15.2.3 FLUENT 中的预混燃烧模型公式

根据以上概述的理论，FLUENT 将求解关于反应进程变量（方程15.2-1）的输送方程，计算源项c c S ρ，

15.2.4 温度的计算

温度的计算依赖于模型是绝热还是非绝热。

绝热温度计算

对于绝热预混燃烧模型，温度假定为在未燃混合物的温度和绝热条件下燃烧产物的温度之间线性变化，

u T ad

T

非绝热温度计算

对于非绝热预混燃烧模型，FLUENT 求解能量输送方程以考虑系统中的所有损失或获得的热量。这些损失/获得可以包括在化学反应产生的热源，或是辐射产生的热损失中。对于完全预混的燃料（见方程11.2-3），以焓表示的能量方程如下：

h

rad h S ,表示由于辐射导致的热损失，表示由于化学反应得到的热量。

chem h S

,

其中，=归一化的平均产物形成速率(s c S -1)

comb H =1kg 燃料燃烧产生的热量（J/kg ）

fuel Y =未燃混合物中燃料质量分数

15.2.5 密度的计算

当使用预混燃烧模型时，FLUENT 用理想气体定律计算密度。对于绝热模型，忽略压力的变化，并且假定平均分子质量是常数，这样燃烧或的气体密度可以按以下关系计算：

其中下标u 代表未燃烧的冷混合物，下标b 表示燃烧或的热混合物。需要的输入有未燃

烧的密度（u ρ）

，未燃烧的温度（）和燃烧后的绝热火焰温度（）。 u T b T 对于非绝热模型，你可以选择在理想气体状态方程中包括或不包括压力的变化。如果你选择忽略压力波动，FLUENT 按下式计算密度：

其中T 从能量输送方程15.2-19计算得到。需要的输入包括未燃烧的密度（u ρ），未燃烧的温度（）。需要注意的是，根据不可压缩理想气体方程，表达式u T op u u p RT /ρ可以视为气体的有效分子质量，其中R 为气体常数，为工作压力。

op p 如果你希望对可压缩气体包括压力波动，你将需要输入气体的有效分子质量。密度可以从理想气体状态方程计算。

15.3 使用预混燃烧模型

以下将列出设置和求解预混燃烧模型的过程的纲要，然后详细叙述。记住只有与预混燃烧模拟有关的步骤才在这里列出。其它和预混燃烧模型一起使用的模型的输入需要参见这些模型的相应章节。

1．选定预混湍流燃烧模型并设置相关参数。

2．定义区域中未燃材料的物理属性。

3．设置在流动入口和出口的进程变量c

4．初始化进程变量的值

5．求解问题并进行后处理

！如果你对计算区域中单个物质的浓度感兴趣，你可以使用16章中介绍的部分预混模型。这样未燃和燃烧后混合物的组成将通过使用平衡或反应动力学计算得到的外部分析得到。

！见15.3.8节有关使用FLUENT5中使用预混燃烧例子文件的重要信息。

15.3.1 选定预混燃烧模型

为选定预混燃烧模型，你可以在Species Model 面板中的Model 里选择Premixed Combustion (图15.3.1)

图15.3.1 预混燃烧的Premixed Combustion面板

当你打开Premixed Combustion后，面板将扩展以显示相关输入。

15.3.2 选择一个绝热或非绝热模型

在Species Model面板的Premixed Combustion Model 下，选择Adiabatic（缺省）或Non-Adiabatic。选择将只影响确定温度的计算方法（方程15.2-18或15.2-19）。

15.3.3 修改预混燃烧模型的常数

通常，你不需要修改15.2节中给出方程中的常数。缺省值对于很宽广范围内的预混燃烧都是适用的。但如果你希望对模型常数做某些修改，你可以在Species Model面板中的Model Constants中找到它们。

你可以设置湍流长度尺度常数(Turbulence Length Scale Constant，方程15.2-6中的C D)，湍流火焰速度常数(Turbulence Flame Speed Constant ，方程15.2-4中的A)，拉伸因子系数

μ)和湍流施密特数（Turbulent Schmidt (Stretch Factor Coefficient ，方程15.2-11中的

str

S

Number，方程15.2-1中的）。

ct

对于非绝热预混燃烧模型，注意你指定的湍流Schmidt数也将被用为能量的Prandtl数。（因此能量Prandtl数将不会在非预混燃烧燃烧模型的粘性模型面板中出现）。这些参数控制进程参数和能量扩散的水平。由于进程参数与能量密切相关（因为火焰过程产生放热），输送方程采用相同的扩散水平非常重要。

15.3.4 定义未燃混合物的物理属性

域中的流体材料将被分配未燃混合物的属性，包括摩尔传热系数(方程15.2-4中的α)，

kρ/，以及标准状态时的值，这些值可以在燃烧手它常也被称为热扩散系数，α定义为p c

册中找到（如[120]），

对于绝热和非绝热模型，你都需要指定层流火焰速度（方程15.2-4中的）做为材料属性。如果你希望在你的模型中包括火焰拉伸效应，你将还需要指定临界应力速率（方程15.2-12中的）。如15.2.2节中所讨论的，缺省时设定为一个很大的值（），因而没有火焰拉伸出现。为了包括火焰拉伸效应，你需要根据燃烧器的实验数据调整临界应力速率。由于火焰拉伸和火焰熄灭能影响湍流火焰速度（如15.2.2节中所讨论的），精确的预测需要一个临界应力速率的理想值。对于甲烷稀薄预混燃烧，典型的值的范围从3000到8000[276]。注意你可以指定常数值或用户定义函数来定义层流火焰速度和临界应力速率。参见单独的UDF 手册了解更多有关用户定义函数的细节。

l U cr g cr g 8101×1?s ！见15.3.8节获取有关在FLUENT5使用预混燃烧case 文件的重要信息。

对于绝热模型，你还需要指定燃烧产物的绝热温度Adiabatic Temperature of Burnt

Products （方程15.2-18中的）

，即在绝热条件小燃烧产物的温度。这一温度将被用于在绝热预混燃烧计算中确定温度的先行变化。你可以指定一个常数或是用户定义函数。

ad T 对于非绝热模型，你需要指定单位质量燃料的燃烧热Heat of Combustion 和未燃燃料分数Unburnt Fuel Mass Fraction(方程15.2-20中的和。FLUENT 将使用这些值计算热损失或燃烧产热，，并将这些损失/获得包括在计算温度的能量方程中。燃烧热Heat of Combustion 只能指定为常数，但未燃燃料分数Unburnt Fuel Mass Fraction 可以指定为常数或函数。

comb H fuel Y 为指定预混燃烧模型中的密度，在密度Density 下拉表中选择预混燃烧，并设置未燃反应物的密度Density of Unburnt Reaction 和未燃反应物的温度Temperature of Unburnt Reaction （方程15.2-21中的和u T u ρ）。对于绝热预混模型，你在未燃反应物的温度Temperature of Unburnt Reaction 中的输入还将用于方程15.2-18以计算温度。

其它未燃混合物的指定属性有粘度、比热、热导率以及其它与和预混燃烧模型联合使用的模型有关的参数。

15.3.5 设置进程变量的边界条件

对于预混燃烧模型，你将需要在流动入口和出口设置附加的边界条件：进程变量c ，有效的进程变量输入如下：

c=0：未燃混合物

c=1:燃烧后的混合物

15.3.6 初始化进程变量

通常，将进程变量处处初始化设置为1(燃烧后)，并允许未燃混合物()从入口进入燃烧域将火焰吹回稳定器，已经足够。另一种更好的初始化方法是在火焰保持器的上游插入一个初始值0(未燃)，在下游区域插入一个值1（已燃）（已经在求解初始化Solution Initialization 面板中初始化了流动场）。

c 0=

c

见22.13.2节有关在求解变量中插入值的详细内容。

15.3.7 预混燃烧计算的后处理

FLUENT 提供了几个预混燃烧计算的附加报告选项。你可以产生以下项的图形或文字/数字报告：

进程变量

Damkohler 数

拉伸因子

湍流火焰速度

静态温度

产物形成速率

层流火焰速度

临界应力速率

未燃燃料质量分数

绝热火焰温度

这些变量包含在预混燃烧Premixed Combustion…中，即后处理面板中出现的变量选择下拉列表栏。流动变量的完整列表、流场函数和它们的定义见27章。25章和26章解释怎样产生图形和数据报告。

注意静态温度和绝热火焰温度只有在绝热预混燃烧计算时才在预混燃烧Premixed Combustion…栏中出现；对于非绝热计算，静态温度将出现在温度Temperature…栏中。未燃燃料质量分数Unburnt Fuel Mass Fraction 将只在非绝热模型中出现。

计算物质浓度

如果你知道模型中未燃和已燃混合物的组成（例如，如果你使用了单步化学动力学计算或是第三方一维燃烧程序的外部分析），你可以用用户场函数计算燃烧域中的物质浓度：

为确定未燃混合物中某种物质的浓度，定义用户函数()c Y u ?1，其中为这种物质在未燃混合物（由你指定）中的质量分数，为进程变量的值（由FLUENT 计算）。

u Y c 为确定已燃混合物中某种物质的浓度，定义用户函数，其中为这种物质在已燃混合物（由你指定）中的质量分数，为进程变量的值（由FLUENT 计算）。

c Y b b Y c 见27.5节有关定义和使用用户场函数的详细内容。

15.3.8 从一个FLUENT5预混燃烧实例文件开始

如果你在使用FLUENT5中创建的预混燃烧实例文件，你将需要重新输入几个已经移入材料Materials 面板中属性Properties 列表的参数值：

绝热模型

-未燃反应物的密度（以前是Unburnt Mixture Density 面板中的未燃混合物密度

Density of Unburnt Mixture）

-未燃反应物的温度（以前是Unburnt Mixture Density 面板中的未燃混合物温度

Temperature of Unburnt Mixture）

-燃烧产物的绝热温度（以前是Species Model 面板中的绝热产物温度

Temperature of Unburnt Mixture）

-层流火焰速度（以前是Species Model 面板中的层流火焰速度Laminar Flame

Velocity ）

-临界应力速率（以前在Species Model面板中）

非绝热模型

-未燃反应物密度

-未燃反应物温度

-燃烧热（以前在Species Model面板中）

-未燃燃料质量分数（以前是Species Model面板中的Fuel Mass Fraction） -层流火焰速度

-临界应力速率

-

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

预混燃烧

一、预混燃烧的基本介绍 1.贫燃预混燃烧的介绍 贫燃预混燃烧是在保证燃料充分燃烧的情况下，增大空气的供给量，从而降低燃烧 室的温度，满足较低的污染物排放标准（可以做到低NOx的排放）。但是与常规的扩散燃烧技术相比，贫燃预混燃烧是在偏离正常化学当量比下进行的，这就会产生燃烧的不稳定性（主要包括回火以及振荡燃烧），严重阻碍了贫燃预混燃烧技术的发展。 维持贫燃预混燃烧室内的正常燃烧，其关键就在于避免火焰的吹熄与振荡燃烧。 火焰吹熄现象是因为燃烧室内当量比被控制在接近贫燃熄火极限，以便尽量降低火焰温度以及的排放，而在这种燃烧状况下，火焰传播速度很低，在相对高速的火焰流场中，会导致火焰的熄灭现象，这种现象发生的时间很短，被称为静态不稳定。 因此要避免火焰吹熄，维持预混火焰的稳定燃烧，关键就在于保持火焰燃烧速度与流场速度的平衡，可从以下两种方法着手：①提高燃烧速度；②降低燃气供给速度。提高燃烧速度可使用端流产生器提高火焰瑞流强度，而降低燃气平均速度可以通过减少燃气供给做到，但是燃机的总效率也会下降，通常采用在燃烧室内安装钝体稳焰器或在燃烧室避免加工凹槽形成局部低速区域，使火焰燃烧速率与流场速率均衡，以便维持火焰的燃烧。另外除上述方法外，旋流因为其特殊的流动特性，也常用于稳定湍流火焰。 预混燃烧的不稳定受燃料种类、进气温度、燃料一空气过量空气系数、燃烧室几何参数、燃烧室温度以及压力等众多参数的影响。 按压力振荡频率可将燃烧不稳定分为：低频振荡、中频振荡、高频振荡。按照压力振荡涉及的燃烧系统部件可以将其定义为三类：燃烧系统不稳定、燃烧室腔体不稳定以及固有燃烧不稳定。根据燃烧系统内不同扰动间的相互关系，可将燃烧不稳定分为受迫燃烧不稳 定和自激燃烧不稳定，也可称为受迫振荡和自激振荡。 二、国内外研究现状及进展 Lieuwen等人对预混燃烧室内的燃烧不稳定性进行了理论和实验研宄，将预混燃烧室分为进口区域、燃烧区域以及燃烧产物区域三个部分，用“完全撞拌反应器”模型（WSR）对当量比波动引起燃烧热释放波动的机理进行了描述和分析。 Hirsch等人对旋流预混燃烧进行了研究并建立了火焰模型，流场模型结果如图1所示，将涡方程加入到火焰模型中，提出了一种新的预混旋流火焰的火焰传递函数描述方法，可以描述不同类型旋流燃烧室传热规律，并解释了热释放脉动与速度脉动间的关系。 Russ等人对预混旋流燃烧的火焰模型进行了研究，分析了燃气温度、燃气混合当量比波动以及燃烧室压力脉动等因素与燃烧热释放脉动之间的关系，提出了稳定燃烧的范围。Cohen和Anderson以贫燃预混燃烧室为对象进行了实验研究。研究发现：预混气体当量比

燃气燃烧方法——部分预混式燃烧实用版

YF-ED-J8353 可按资料类型定义编号 燃气燃烧方法——部分预混式燃烧实用版 Management Of Personal, Equipment And Product Safety In Daily Work, So The Labor Process Can Be Carried Out Under Material Conditions And Work Order That Meet Safety Requirements. （示范文稿） 二零XX年XX月XX日

燃气燃烧方法——部分预混式燃 烧实用版 提示：该安全管理文档适合使用于日常工作中人身安全、设备和产品安全，以及交通运输安全等方面的管理，使劳动过程在符合安全要求的物质条件和工作秩序下进行，防止伤亡事故、设备事故及各种灾害的发生。下载后可以对文件进行定制修改，请根据实际需要调整使用。 燃气燃烧时，一次空气过剩系数α′在0～ 1之间，预先混入了一部分燃烧所需空气，这种 燃烧方法称为部分预混式燃烧或大气式燃烧。 一、部分预混层流火焰 产生部分预混层流火焰的典型装置就是本 生灯。如图3—4—6，燃气从本生灯下部小口喷 出，井引射入一次空气，在管内预先混合，预 混后的气体自灯口喷出燃烧，产生圆锥形的火

焰，周围大气亦供给部分空气，称为二次空气，通过扩散与一次空气未燃尽的燃气混合燃烧。 这样，在正常燃烧时形成两个稳定的火焰面：内火焰面，即由燃气与一次空气预混合后燃烧而产生。为圆锥形，呈蓝绿色，强而有力，温度亦商，为部分预混火焰，也称为蓝色锥体；外火焰面，是二次空气与一次空气未燃尽的燃气进行的扩散混合燃烧，其形状也近似圆锥形，呈黄色，软弱无力，温度较低，这是扩散火焰。 蓝色的预混火焰锥体出现是有条件的。若燃气／空气混合物的浓度大于着火浓度上限，火焰就不可能向中心传播，蓝色锥体就不会出现，而成为扩散式燃烧。若混合物中燃气的浓

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

【CN210267213U】一种带隔舱低氮燃烧器的全预混燃烧头【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920634893.3 (22)申请日 2019.05.06 (73)专利权人 森诺科技有限公司 地址 257000 山东省东营市东营区黄河路 721号森诺胜利大厦 专利权人 森诺技术有限公司 (72)发明人 姜传胜　张霞　耿建辉　周志刚　 尤晓卉　王艳宁　黄靖　王春岚　 王琦　 (74)专利代理机构 青岛高晓专利事务所(普通 合伙) 37104 代理人 张清东 (51)Int.Cl. F23D 14/04(2006.01) F23D 14/46(2006.01) F23D 14/58(2006.01)F23D 14/68(2006.01) (54)实用新型名称一种带隔舱低氮燃烧器的全预混燃烧头(57)摘要一种带隔舱低氮燃烧器的全预混燃烧头，包括燃烧头壳体，燃烧头壳体与混合气整流器连通，混合气整流器通过螺栓与变频风机出风口连接，在混合气整流器和变频风机连接端均设置有连接法兰，变频风机的进风管连接有文丘里混合阀，文丘里混合阀的另一端连接有空气过滤器，在文丘里混合阀的一侧还通过管道连接有燃气控制阀，燃气头壳体为圆形结构，在燃气头壳体内设置有与燃气头壳体同轴安装的隔板，隔板与混合气整流器上的固定板连接，隔板圆周均匀设置在燃烧头壳体内部将燃烧头内腔均匀隔开，该燃烧器的前端燃烧头内部分开设置的多个燃烧仓，实现燃烧器内部燃气混合后不出现旋流现象，燃烧均匀充分，避免了由于燃烧不均匀造成 的燃烧器的损坏。权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 210267213 U 2020.04.07 C N 210267213 U

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/5c7176512.html,

全预混空气燃烧方法的技术条件

全预混空气燃烧方法的技术条件 杨波120121605 摘要以全预混空气燃烧为研究对象，采用实验研究的方法，得出实验结论，研究结果表明全预混空气燃烧方法的技术条件为三个,天然气是一种公认的清洁、高效、优质能源，在化工、电力、城市燃气等工业和民用领域正得到广泛的应用。随着西气东输全面实施，我国的天然气工业将进入一个快速发展阶段。然而天然气燃烧热之高，污染排放物少，但是在正常的燃烧条件下仍排放大量的NO X、CO以及SO2.研究表明，天然气催化燃烧技术不仅可以提高燃烧率，而且可以有望从根本上改善天然气燃烧的污染物排放问题。 关键词全预混空气大气式燃烧 0引言 我国经济快速增长,各项建设取得巨大成就,但也付出了巨大的资源和环境代价,经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐,环境污染问题反应强烈。节能减排势在必行。建设资源节约型和环境友好型社会的主体,应从多方面着手,积极主动开展工作,全面完成各项节能减排任务,促进能源与环保协调发展,走可持续发展的新型工业化道路，因此必须采用清洁能源。 1燃气燃烧方法发展趋势 人们是从扩散燃烧现象发现气体燃料(天然气)的。开始人们还以为是神火而顶礼膜拜，形成所谓“拜火教”。我国是世界公认的利用天然气最早的国家。早在公元前250 年我们的祖先在四川就知道用天然气的扩散燃烧方法煮盐。后来过了2000多年，被称为“燃气工业之父”的苏格兰工程师默克多才用焦炉气的扩散火焰来照明。当时在181 3年新年除夕之夜，在英国的惠斯顿大桥上两排燃气灯一起照明，结束了靠蜡烛、油灯照明的日子。这也是当时科技界辉煌的成就。燃气灯照明的好景并不常，当爱笛生发明了电白炽灯后，燃气灯几经全力与电竞争照明市场。结果无论在技术上，还是在经济上都竞争不过电白炽灯。在市场经济规律的驱使下，燃气灯不得不让出绝大部分的照明市场。后来还是大气式燃烧的本生火焰为燃气指出了向热能方向发展的道路。由于大气式燃烧方法使燃气燃烧比较完全，易点火，污染少，使用简单，来源充足，价格便宜，运送方便，结果逐步代替了煤，成为城市三大能源之一。随着技术的发展与人们对环境的要求越来越高，人们发现大气式燃烧方法有许多不可避免的缺点，国内外燃气工作者开始进一步研究全一次空气预混燃烧方法及适应这种燃烧方法的燃具。本文目的在介绍各种燃烧方法的特点的基础上，重点论述全预混空气燃烧方法主要特点及这种燃烧设备所需的技术条件。2 扩散式燃烧方法 这是一种最简单的燃烧方法。在燃烧以前，燃气与空气不混合，燃气自火孔流出后，靠扩散与空气混合燃烧。这种燃烧方法有简单，容易点火，不会回火，燃烧稳定，燃具结构简单等优点。但是对于需要空气多的高热值燃气(天然气、液化石油气)，靠层流扩散是达不到完全燃烧的要求的，具体的缺点是烟气中CO含量比较高，燃具的体积比较大。为此所有的民用燃具大部分淘汰了扩散式燃烧方法。但是，层流扩散式燃烧方法也有其不可忽视的优点。例如这种燃烧方法的稳定性比较高，没有回火，不容易离焰。由于在燃烧过程中温度不高，氧气浓度低，所以没有产生NOx的条件，其燃烧产物中几乎没有NOx。相反在这种条件下，CO却容易产生。为此在采用这种燃烧方法时必须充分考虑有足够的燃烧空间。目前我国还有不少使用低热值人工燃气的地区，如果采用大气式燃烧方法火焰达不到稳定时，可以考虑采用扩散式燃烧方法。 强制鼓风扩散燃烧方法多用于工业炉上的工业燃烧器。采用这种燃烧方法需要合理地组织空气与燃气混合，避免产生大量的NOx与CO。 3 部分预混空气(大气式)燃烧方法 预先混入部分空气的大气式燃烧方法与扩散式燃烧方法相比有燃烧完全、火焰短、热强度大的优点。但是这种燃烧方法有回火的可能，也会离焰与

第16章 部分预混燃烧的模拟gg

16.部分预混燃烧的模拟 FLUENT提供了一个模拟部分预混燃烧的模型，它是基于14章讲述的非预混燃烧模型和15张讲述的预混燃烧模型的。关于部分预混燃烧模型按以下章节介绍： 16.1概述和局限 16.2理论 16.3使用部分预混模型 16.1概述和局限 16.1.1概述 部分预混燃烧系统，是带有不均匀燃料——氧化剂的混合物的预混燃烧火焰。这种部分预混火焰的情形如，预混的混合物喷射到静止的大气中，带有扩散引导火焰或者冷却气喷嘴的贫油预混燃烧，以及不完整的混合进口的贫油预混燃烧室。 FLUENT提供的部分预混模型是非预混模型（14章）和预混模型（15章）的简单结合。预混反应进度变量c，决定火焰前锋的位置。在焰锋后（c＝1），混合物是燃尽的，所以采用平衡或者…..的求解方案；在焰锋（c＝0）前，组份质量分数、温度、密度通过未燃烧混合物计算。火焰内部（0

各种全预混燃烧冷凝热水锅炉特点对比表 (1)

各种全预混燃烧冷凝热水锅炉特点对比表 市场上全预混冷凝热水锅炉较多，其燃烧方式均采用全预混式燃烧，产品的主要区别主要是锅炉本体材质和结构上的不同，分类如下： （1）【硅铝镁合金材质】铸造、组合、吸热椎逆流式冷凝结构；代表产品：卡吉斯.康丹森\CGCB崇光\蒂洛普等 （2）【不锈钢材质】焊接式、直管或盘管或回程式冷凝结构；代表产品：威博特\玛斯特\欧科\依奇等 （3）【不锈钢和铝合金负荷管材质】焊接式、直管式冷凝结构；代表产品：皓欧等 （4）【铜翅片管材质】焊接式、直流式结构；代表产品：史密斯\裂骑\康玛斯等 比较项目全预混、硅铝镁合金全预混、不锈钢全运混、钢铝复合管全预混、铜翅片 1.材质强度硅铝镁合金 强度高不锈钢 强度高 钢铝复合 强度高 铜翅片 强度一般 2.导热性好 纯铝：236/M.℃ 铝合金：162/M.℃ 一般 纯铁：81.1/M.℃ 碳钢：49.8/M.℃ 一般 纯铁：81.1/M.℃ 碳钢：49.8/M.℃、铝合金：162/M.℃ 较好 纯铜：398W/M.℃ 黄铜：109M.℃ 3.耐腐蚀性耐腐蚀耐腐蚀耐腐蚀不耐腐蚀 4.冷凝结构铸造一体组合 导热椎、逆流换热 焊接 直管或盘管或回程结构 复合、焊接 直管或回程结构 挤压翅片、焊接 直流式结构 5.冷凝效果好 （全冷凝型） 一般 （全冷凝型和近冷凝型） 一般 （全冷凝和近冷凝型） 一般 （近冷凝型为主） 6.本体尺寸最小 （材质导热性好） 较大 （材质导热性差） 较大 （材质导热性一般） 较大 （材质导热性好） 7.焊口开裂或符合管开裂现象无经常开裂 导热性差，受热面热聚集、钢材 形变加大、反复冲击焊口 开裂现象 钢铝复合管，导热系数和膨胀系数差 异，复合管分层开裂。 无 但有烧塌现象 8.水流平衡较好 （单体功率大，组合少） 较差 （单体小，组合巨大） 较好 （单体功率大，组合少） 较好 （单体功率大，组合少） 综合结论/建议最佳/首选——————

全预混燃气燃烧技术

全预混燃气燃烧技术 一、技术名称：全预混燃气燃烧技术 二、适用范围：通用于工业燃烧加热工序 三、与该节能技术相关生产环节的能耗现状： 素烧窑流量改造前天然气平均流量为2516 m3/h。 四、技术内容： 1.技术原理 燃烧效率取决于可燃物与助燃物的混合状态。当前，燃烧装置普遍采用各种调节阀或装置控制燃料与空气达成一定比例的供量，然后在燃烧室进行混合及燃烧，这种方式受到空间（扩散混合需要足够空间）及时间（燃烧速度与扩散速度匹配）的限制。而预混式技术是将燃料与空气在进入燃烧室喷嘴前进行完全混合，经过预混腔将气体分子充分搅散混合，使得混合更完整，从而使燃烧速度不再受限于气体扩散速度等物理条件，燃烧速度更快、效率更高。 2.关键技术 自动化预混控制技术，保证混合比例精确，同时保证工作安全，不会产生回火现象。 3.工艺流程 以调节阀控制燃气流量作为火力调节，同时考虑实际使用状况的压力波动，在气路配置压力传感器，综合流量、压力讯号后自动

匹配调整变频风机送风量，保证进气比例精确。燃气及空气进入预混腔体进行预混，有效提升混合效果，同时将燃气及空气的压力、流速经预混腔达成一致，避免出口速度不等的情况发生。经分流火孔喷出后燃烧，由于已完成精确比例混合，燃烧完全，燃烧速度快，火焰温度高。 原理图和工艺流程见图1、图2。 图2 预混式燃烧工艺流程图 五、主要技术指标： 1）排烟温度为167～172℃，比国外同类产品低27％； 2）排烟处过剩氧容积百分比可达2％～2.7％，是国外技术的

26％（国外为9.2％～9.4％）； 3）热效率为88.1％（国外为83.5％），可节气6％。 六、技术应用情况： 2005 年通过江苏省节能技术中心检测和苏州市科学技术成果鉴定，达到国内先进水平，节能效果明显。2006 年纳入江苏省火炬计划项目。目前该技术已应用于多条陶瓷窑炉、熔铝炉、固碱炉等燃烧加热设备。 七、典型用户及投资效益： 典型用户：广东佛山新明珠集团、元泰有色金属(苏州)有限公司广东佛山新明珠集团。建设规模：7 万吨/年大锅法固体烧碱。主要改造内容：将后混式烧嘴改造更换为预混式燃烧器。节能技改投资额500 万元，建设期2 年。年节能2100tce，取得节能经济效益252 万元，投资回收期2 年。 八、推广前景和节能潜力： 预混燃烧技术相较于传统扩散式或大气式等后混燃烧方式而言，燃烧速度快、效率高、燃烧完全、废弃物少。全预混式燃气燃烧技术应用在有色金属熔化工艺，可节能17.6％，效率提升27.2％；应用在陶瓷烧制工艺，可节能26.82％；应用在化工固碱提 炼工艺，可节能11.38％，效率提升14.26％，产量增加17.44％。相比于工程浩大的余热回收系统、隔热保温系统等，利用预混燃烧系统进行改造，项目投资较小，节能效益更显著。预计到2015 年可在化工烧碱行业推广至50％，形成节能能力约6 万tce/a。

燃气燃烧方法——部分预混式燃烧(正式版)

文件编号：TP-AR-L5207 In Terms Of Organization Management, It Is Necessary To Form A Certain Guiding And Planning Executable Plan, So As To Help Decision-Makers To Carry Out Better Production And Management From Multiple Perspectives. （示范文本） 编订：_______________ 审核：_______________ 单位：_______________ 燃气燃烧方法——部分 预混式燃烧(正式版)

燃气燃烧方法——部分预混式燃烧 (正式版) 使用注意：该安全管理资料可用在组织/机构/单位管理上，形成一定的具有指导性，规划性的可执行计划，从而实现多角度地帮助决策人员进行更好的生产与管理。材料内容可根据实际情况作相应修改，请在使用时认真阅读。 燃气燃烧时，一次空气过剩系数α′在0～1之 间，预先混入了一部分燃烧所需空气，这种燃烧方法 称为部分预混式燃烧或大气式燃烧。 一、部分预混层流火焰 产生部分预混层流火焰的典型装置就是本生灯。 如图3—4—6，燃气从本生灯下部小口喷出，井引射 入一次空气，在管内预先混合，预混后的气体自灯口 喷出燃烧，产生圆锥形的火焰，周围大气亦供给部分

空气，称为二次空气，通过扩散与一次空气未燃尽的燃气混合燃烧。 这样，在正常燃烧时形成两个稳定的火焰面：内火焰面，即由燃气与一次空气预混合后燃烧而产生。为圆锥形，呈蓝绿色，强而有力，温度亦商，为部分预混火焰，也称为蓝色锥体；外火焰面，是二次空气与一次空气未燃尽的燃气进行的扩散混合燃烧，其形状也近似圆锥形，呈黄色，软弱无力，温度较低，这是扩散火焰。 蓝色的预混火焰锥体出现是有条件的。若燃气／空气混合物的浓度大于着火浓度上限，火焰就不可能向中心传播，蓝色锥体就不会出现，而成为扩散式燃烧。若混合物中燃气的浓度低于着火浓度下限，则该混合气根本不可能燃烧。氢气燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围相当大，而甲烷和其它碳氢化合

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

燃气燃烧方法部分预混式燃烧

燃气燃烧方法——部分预混式燃烧燃气燃烧时，一次空气过剩系数α′在0～1之间，预先混入了一 部分燃烧所需空气，这种燃烧方法称为部分预混式燃烧或大气式燃烧。 一、部分预混层流火焰 产生部分预混层流火焰的典型装置就是本生灯。如图3—4—6，燃气从本生灯下部小口喷出，井引射入一次空气，在管内预先混合，预混后的气体自灯口喷出燃烧，产生圆锥形的火焰，周围大气亦供 给部分空气，称为二次空气，通过扩散与一次空气未燃尽的燃气混 合燃烧。 这样，在正常燃烧时形成两个稳定的火焰面：内火焰面，即由 燃气与一次空气预混合后燃烧而产生。为圆锥形，呈蓝绿色，强而 有力，温度亦商，为部分预混火焰，也称为蓝色锥体；外火焰面，

是二次空气与一次空气未燃尽的燃气进行的扩散混合燃烧，其形状也近似圆锥形，呈黄色，软弱无力，温度较低，这是扩散火焰。 蓝色的预混火焰锥体出现是有条件的。若燃气／空气混合物的浓度大于着火浓度上限，火焰就不可能向中心传播，蓝色锥体就不会出现，而成为扩散式燃烧。若混合物中燃气的浓度低于着火浓度下限，则该混合气根本不可能燃烧。氢气燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围相当大，而甲烷和其它碳氢化合物的燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围则相当窄。 蓝色锥体的实际形状，如图3—5—5，可用管道中气流速度的分布和火焰传播速度的变化来解释。 层流时，沿管道截面上气体的流速按抛物线分布，喷口中心气流速度最大，至管壁处降为零。 静止的蓝色锥体焰面说明了锥面上各点的正常火焰传播速度 sn(其方向指向锥体内部)与该点气流的法向分速度vn相平衡，也即对于预混火焰锥面上的每一点都存在以下关系式，通常称为米赫尔松余弦定律：

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

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

14、全预混燃气燃烧技术

全预混燃气燃烧技术 技术名称： ：全预混燃气燃烧技术 一、技术名称 ：通用于工业燃烧加热工序 适用范围： 二、适用范围 ： 三、与该节能技术相关生产环节的能耗现状 与该节能技术相关生产环节的能耗现状： 素烧窑流量改造前天然气平均流量为2516 m3/h。 ： 技术内容： 四、技术内容 1.技术原理 燃烧效率取决于可燃物与助燃物的混合状态。当前，燃烧装置普遍采用各种调节阀或装置控制燃料与空气达成一定比例的供量，然后在燃烧室进行混合及燃烧，这种方式受到空间（扩散混合需要足够空间）及时间（燃烧速度与扩散速度匹配）的限制。 而预混式技术是将燃料与空气在进入燃烧室喷嘴前进行完全混合，经过预混腔将气体分子充分搅散混合，使得混合更完整，从而使燃烧速度不再受限于气体扩散速度等物理条件，燃烧速度更快、效率更高。 2.关键技术 自动化预混控制技术，保证混合比例精确，同时保证工作安全，不会产生回火现象。 3.工艺流程 以调节阀控制燃气流量作为火力调节，同时考虑实际使用状况的压力波动，在气路配置压力传感器，综合流量、压力讯号后自动匹配调整变频风机送风量，保证进气比例精确。 燃气及空气进入预混腔体进行预混，有效提升混合效果，同时将燃气及空气的压力、流速经预混腔达成一致，避免出口速度不等的情况发生。 经分流火孔喷出后燃烧，由于已完成精确比例混合，燃烧完全，燃烧速度快，火焰温度高。 原理图和工艺流程见图1、图2。 图1 预混式燃烧原理图

图2 预混式燃烧工艺流程图 ： 主要技术指标： 五、主要技术指标 1）排烟温度为167～172℃，比国外同类产品低27％； 2）排烟处过剩氧容积百分比可达2％～2.7％，是国外技术的26％（国外为9.2％～9.4％）； 3）热效率为88.1％（国外为83.5％），可节气6％。 技术应用情况： ： 六、技术应用情况 2005年通过江苏省节能技术中心检测和苏州市科学技术成果鉴定，达到国内先进水平，节能效果明显。2006年纳入江苏省火炬计划项目。目前该技术已应用于多条陶瓷窑炉、熔铝炉、固碱炉等燃烧加热设备。 ： 七、典型用户及投资效益 典型用户及投资效益： 典型用户：广东佛山新明珠集团、元泰有色金属(苏州)有限公司 广东佛山新明珠集团。建设规模：7万吨/年大锅法固体烧碱。主要改造内容：将后混式烧嘴改造更换为预混式燃烧器。节能技改投资额500万元，建设期2年。年节能2100tc e，取得节能经济效益 252万元，投资回收期2年。 推广前景和节能潜力： ： 八、推广前景和节能潜力 预混燃烧技术相较于传统扩散式或大气式等后混燃烧方式而言，燃烧速度快、效率高、燃烧完全、废弃物少。全预混式燃气燃烧技术应用在有色金属熔化工艺，可节能17.6％，效率提升27.2％；应用在陶瓷烧制工艺，可节能26.82％；应用在化工固碱提炼工艺，可节能11.38％，效率提升14.26％，产量增加17.44％。 相比于工程浩大的余热回收系统、隔热保温系统等，利用预混燃烧系统进行改造，项目投资较小，节能效益更显著。预计到2015年可在化工烧碱行业推广至50％，形成节能能力约6万tc e/a。