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
模型允许预测中间（基本）组分、溶解效应和严格的紊流化学耦合。因为不需要解大量的组分输运方程，该方法在计算上很有效。当潜在的假设有效时，非预混方法要优先于有限率公式。
非预混方法的局限（Limitations of the Non-Premixed Approach ）：
如14.1.2节，非预混方法仅能用于当反应流动系统满足几个要求时。第一、流动是湍流。第二、反应系统包括一个燃料流、一个氧化剂流，并且随意包括一个次要流（另外一个燃料或氧化剂，或者一个非反应流）。最后、化学动力学必须迅速以使流动接近化学平衡。这些点详见14.1.2和14.1.3节。
！注意：非预混模型仅能与分离求解器使用，不能与耦合求解器使用。
14.1.2 非预混方法细节（Details of the Non-Premixed Approach ）
定义混合分数（Definition of the Mixture Fraction ）
非预混模拟方法的基础为在一定系列简化假设下，流体的瞬时热化学状态与一个守恒量，即混合分数f 相关。混合分数可根据原子质量分数［213］写为：
ox i fuel i ox
i i Z Z Z Z f ,,,??= (14.1-1)
式中：Z i ——元素i 的元素质量分数。下标ox 表示氧化剂流入口处的值，fuel 表示燃料流入口处的值。如果所有组分的扩散系数相等，式14.1-1对所有元素都是相同且混合分数定义是唯一的。因此，混合分数就是由来源于燃料流的元素质量分数。注：这个质量分数包括所有来自燃料流的元素，包括惰性组分，N 2，也包括与燃料混合的氧化性组分，如O 2。
如果包括次要流（另一种燃料或氧化剂，或一种非反应流），燃料和次要流混合分数简化为燃料和次要流的质量分数。系统中这三种质量分数的和总是等于1：
1sec =++OX fuel f f f （14.1－2）
这表明在混合分数空间中只有在平面ABC （见图14.1.1）上的点有效。因此，这两个混合分数，f fue l 和f sec 不能独立变化；他们的值仅在如果他们位于图14.1.2所示三角形OBC 里面时才有效。
图14.1.1：f fuel ，f sec 和f ox 的关系
Figure 14.1.1: Relationship of f fuel, f sec, and f ox
FLUENT 离散三角形OBC 如图14.1.2所示。特别地，对于单一混合分数情形，
原始混合分数f fuel 允许在0到1值见变化，当次要混合分数位于线上时，用下列方程：
)1(sec sec fuel f p f ?×= （14.1－3）
式中：p sec ——标准次要混合分数，为直线与次要混合分数轴交叉点处的值。
图14.1.2 f fuel , f sec , and p sec 之间的关系
Figure 14.1.2: Relationship of f fuel , f sec , and p sec
注：不像f sec ，p sec 限制在0到1之间，与f fuel 的值无关。
标准次要质量分数p sec 的一个重要特征就是假设其与燃料质量分数f fuel 统计独立性。注：不像f sec ，p sec 是一守恒的标量。除了根据f sec 为一个次燃料流定义富限时，第二个标量变量的标准混合分数定义可用与任何地方。
混合分数的输运方程（Transport Equations for the Mixture Fraction ）：
在相同扩散率的假设下，组分方程可被减少为一个单一的关于混合组分f 的方程。由于删去了组分方程中的反应源项，因此f 是一个守恒量。由于相同扩散率的假设对层流流动来说还存在疑问，因此对于紊态对流超过分子扩散的湍流通常是可接受的。平均（时间平均）混合分数方程为：
user m t
t S S f f v f t ++???????????=??+??σμρρ)()( （14.1-4） 源项S m 仅指质量由液体燃料滴或反应颗粒（如煤）传入气相中。S user 为任何用户定义源项。
除了解平均混合分数，FLUENT 也解一个关于平均混合分数均方值的守恒方程2f ′［105］：
()()()
user d t g t t S f k C f C f f v f t +′??+????????′???=′??+′??22222ερμσμρρ （14.1-5） 式中：f f f ?=′。常数t σ、C g 和C d 分别取0.85，2.86和2.0，S user 为用户定义源项。
混合分数均方值用在描述紊流－化学反应的封闭模型中（见下面）。 对于一个二混合分数问题，用fuel f 和2fuel
f ′分别代替方程14.1-4和14.1-5中的f 和2f ′，得到fuel f 和2fuel
f ′。在方程14.1-4中，用sec f 代替f 则得到sec f 。因此用方程14.1-3可计算sec p ，用sec p 代替f ，解方程14.1-5可得到2sec
p ′。根据次流的总量与总质量流率相比相对要小这一事实，用2sec
p ′而不是2sec f ′解方程证明是对的。对一个一阶近似值，在sec p 和sec f 间的差异对fuel f 相对敏感，因此，2sec
p ′基本上和2sec
f ′相同。
大涡模拟（LES ）非预混模型 （The Non-Premixed Model for LES ）
对大涡模拟（LES ），解一个关于平均混合分数的方程，该方程除了t μ为次网格尺度粘度以外，形式上与方程14.1-4相同。
不解混合分数方差的输运方程。取而代之，混合分数均方值模拟如下：
2
2var 2f L C f sgs ?=′ （14.1-6） 式中：C var ＝用户可调节常数；L sgs ＝次网格尺度。
混合分数对等价比 （Mixture Fraction vs. Equivalence Ratio ）
混合分数可理解为关于反应系统的公约数。考虑一个简单的燃烧系统，包括一种燃料流（F ），一种氧化剂流（O ）和一种产物流（P ），在化学当量比条件下，用符号表示为：
P r rO F )1(+→+ （14.1-7）
式中r 为质量基础上的空气燃料比。将平衡比表示为φ，式中
化学当量实际
（空气／燃料）（空气／燃料）=φ （14.1-8）
方程14.1-7中的反应，在多数普通混合条件下，可被写成：
P r rO F )(+→+φφ （14.1-9）
观察方程的左边，系统作为一个整体的混合分数可被推得为：
r f +=φφ
（14.1-10）
方程14.1-10是一个非常重要的结果，允许在化学当量条件下（1=φ）或者在富燃料条件下（例如2>φ）计算混合分数。
f 与组分质量分数、密度及温度之间的关系 （Relationship of f to Species Mass Fraction, Density, and Temperature ）：
混合分数模拟方法有利之处是将化学反应减少为一或二个守恒的混合分数。所有热化学标量（组分质量分率，密度和温度）均唯一与混合分数有关。给定反应系统化学性质与化学反应，系统其他的特定限制（见14.1.3），流场中任一点的瞬时守恒分数值可被用于计算每个组分摩尔分数、密度和温度值。
另外，如果反应系统是绝热的，对于一个单一的燃料－氧化剂系统，质量分数、密度和温度的瞬时值仅依赖于瞬时混合分数f ：
)(f i i φφ= （14.1-11）
如果包括一个次要流，瞬时值将依赖于瞬时燃料混合分数f fuel 和次要部分分数p sec ：
),(sec p f fuel i i φφ= （14.1-12）
在方程14.1-11和14.1-12中，i φ代表瞬时组分质量分数、密度或温度。在非绝热系统的情况下，对于单一混合分数系统，这种关系概括为：
),(*H f i i φφ= （14.1-13）
式中H *为瞬时焓（与方程11.2-7定义的H 相一致）：
∑∫∑??????+==j T T j ref j j p j j j j j ref T h dT c m H m H ,)(,0,*
（14.1-14） 如果包括次要流，
),,(*sec H p f fuel i i φφ= （14.1-15）
非绝热系统的例子包括有辐射、通过墙的传热、到或来自于分散相颗粒或小滴的传热以及不同温度下的多入口系统。14-18页提供这样非绝热系统的混合分数方法的其他细节。
i φ（组分质量分数，密度和温度）与混合分数（方程14.1-11到14.1-15）的函数关系细节依赖于系统化学反应的描述。可以选择用火焰面（混和的即为燃烧的mixed －is －burned ）、平衡化学反应或者非平衡化学反应（小火焰）模型来描述这种关系。
描述系统化学反应的模型 （Models Describing the System Chemistry ）
当使用非预混模拟方法时，FLUENT 提供三种用于描述系统化学反应的选项。三个选项为：
?火焰面近似值the flame sheet approximation （混合的就是燃烧的，mixed －is －burned ）：最简单的反应类型是火焰面近似值或mixed －is －burned 近似值。这种方法假设化学反应无限快，不可逆，燃料和氧化剂组分在空间中永远不共存，并且一步完全转化为最终产物。这种描述允许组分质量分数用给定的反应化学当量直接确定，而不需要反应率或者化学平衡信息。这种简单的系统描述的组分质
量分数和混合分数之间服从直线关系，如图14.1.3所示。
由于不需要反应率或者平衡计算，火焰面近似值可以很容易地并且快速的计算出。然而，火焰面近似值模型受限于一步反应的预测，不能预测中间组分形成或离解效应。这经常会导致严重过高预测火焰峰值温度，特别是那些涉及高温的系统（例如，预热或者富氧）。
?平衡假设Equilibrium Assumption：平衡模型假设对化学平衡来说，为使其总存在分子水平上，化学反应足够迅速。根据最小吉布斯自由能［120］法则，可用来由f计算组分摩尔分数。图14.1.4显示对在甲烷在空气中的燃烧中一个包括10种组分的反应系统的摩尔分数。
由于其能预测中间组份的生成以及不需要详细的化学动力学比率数据的知识，因此平衡模型很有效。取代定义一个专门多级反应机制（见13章），可以简单的定义系统中会出现的重要的化学组分。FLUENT会根据化学平衡预测每一种组分的摩尔分数。
FLUENT允许对那些瞬时混合分数低于指定富限f rich以下的情况限制完全平衡计算。在富燃料区域（如，等价比大于1.5），当瞬时混合分数超过f rich，FLUENT 就假定燃烧反应熄灭，未燃燃料与已反应物质共存。在富燃料区域，根据已知化学当量，对混合分数给定值的混合物由限制混合（f=f rich）和燃料入口流（f=1）组成计算。化学当量即可人为给出，也可由在富限（f=f rich）处的化学平衡自动确定。本方法，如部分平衡法，允许在富火焰区域绕过复杂的平衡计算。后者计算耗时且可能不代表真正的燃烧过程。当需要完全平衡法时，可以简单定义富限为f rich＝1.0。
14.3节为选择平衡计算中包括那些组分提供指导。包括的组分必须存在于prePDF访问的化学数据库中。注：化学平衡计算中包含的组分应该可能不含NO x 组分，因为NO x反应率慢，不应用平衡假设对待。最为代替，应用并入了有限率化学动力学的FLUENT NO x后处理器可以最精确地预测NO x浓度。
?非平衡化学反应Non-Equilibrium Chemistry (小火焰模型(Flamelet Model))：在非平衡效应的非常重要的燃烧模型中，假定局部化学平衡会导致不真实的结果。平衡假设被打破的典型例子是模拟碳氢化合物火焰的富边，预测控制NO x生成的中间组分以及模拟射流火焰的lift-off和blow-off现象。
在一个接一个的例子基础上，有几种方法对克服这些模拟困难有用；在FLUENT中，部分平衡／富限近似值（上面讲的）能被用来模拟碳氢化合物火焰的富燃料边。小火焰模型已被提出作为一个对调整非平衡火焰化学反应问题的更为一般的解决方法。FLUENT中关于层流小火焰的详细资料见14.4节。
湍流－化学反应相互作用的PDF模拟(PDF Modeling of Turbulence-Chemistry Interaction)
方程14.1-11到14.1-15描述了通过平衡、小火焰或mixed is burned化学反应模型给出的混合分数与组分质量分数、密度和温度之间的瞬时关系。然而，FLUENT 对预测紊态反应流动关心的是预测这些脉动量的时间平均值。这些时间平均值与依赖于湍流－化学反应相互作用模型的瞬时值是如何相关的呢？当应用非平衡模拟方法时，FLUENT应用假设分布几率密度函数法（PDF）作为封闭模型。本节将描述PDF封闭模型。
图14.1.3：应用火焰面近似值得到的组分质量分数和焓
Figure 14.1.3: Species Mass Fractions and Enthalpy Derived Using the Flame Sheet Approximation
图14.1.4：根据化学平衡计算的组分摩尔分数
Figure 14.1.4: Species Mole Fractions Computed Based on Chemical Equilibrium
几率密度函数描述 （Description of the Probability Density Function ）
几率密度函数，写作p (f )，可被考虑为流动花在状态f 的时间分数。图14.1.5阐明了这一概念。f 的脉动值绘在图的右边，依赖于一定范围f ?的一些时间分数。p (f )，绘在图左边，表现出在f ?这段范围内曲线下面积值，与f 在这段范围内的时间分数相等。写成数学型式，
∑∞→=?i
i T T f f p τ1lim )( （14.1-16） 式中：T ——时间尺度，i τ——f 花在f ?段内的时间总量。函数p (f )的分布依赖于
f 中湍流脉动的本质。实际上，p (f )被表示为一个数学函数，近似为试验中观察到的PDF 形状。
图14.1.5 几率密度函数p (f )的图形描述
Figure 14.1.5: Graphical Description of the Probability Density Function, p (f )
从瞬时混合分数推导平均标量值（Derivation of Mean Scalar Values from the Instantaneous Mixture Fraction ）
几率密度函数p (f )，描述了湍流中f 的瞬时脉动值，拥有非常有益的属性，即他可被用于计算依赖于f 的变量的时间平均值。对一个单一混合分数系统，组分摩尔分数和温度的时间平均值可被计算为（在绝热系统中）
∫=1
0)()(df f f p i i φφ （14.1-17）。 当存在次要流时，平均值计算为
∫∫=101
0sec sec sec 21),()()(dp df p f p p f p fuel fuel i fuel i φφ （14.1-18）
式中：p 1为f fue l 的PDF ，p 2为p sec 的PDF 。这里，假定f fue l 和p se c 具有统计独立性，那么p (f fuel ,p se c )=p 1(f fuel )p 2(p sec )。 类似地，对单一混合分数系统，真时间平均密度，，可被计算为
∫=10)
()(1
df f f p ρρ
（14.1-19）。 当存在次要流时，为
∫∫=101
0sec sec sec 21),()()(1p df p f p p f p fuel fuel fuel ρρ （14.1-20）。
)(f ρ或),(sec p f fuel ρ为用气体定律方程中瞬时组分摩尔分数和温度得到的瞬时密度。方程14.1-19和14.1-20提供了比应用用时间平均组分和温度的气体定律替代方法对时间平均密度更为精确的描述。
应用方程14.1-17和14.7-19（或方程14.1-18和14.1-20），其仅保留指定函数p (f )（或者p 1(f fuel )和p 2(p sec )）的分布以便确定流场中所有点上的流体局部时间平均状
PDF 形状（The PDF Shape ）
FLUENT 中假定PDF 的形状，p (f )，由两个数学函数中的一个来描述： ?双δ函数
?β函数
双δ函数是最容易计算的，而β函数最接近实验观察到的PDF 。这些函数产生的分布仅依赖于平均混合分数f 及其变化量2f ′。选择这些函数（包括其他，如截尾正态分布）拥有其在浓度脉动实验测量方面的基础［17，105］。下面详细介绍每一个函数。
双δ函数PDF （The Double Delta Function PDF ）
双δ函数用接近f =1和f =0的适合的边界给定
???
????′+=′?==其他,0,5.0,5.0)(22f f f f f f f p （14.1-21）
。 14.1.6介绍了一个双δ函数的例子。如上提到，双δ函数PDF 非常容易计算，但是精度总是比β函数PDF 低。据此，双δ函数PDF 仅能用在特殊环境中。
图14.1.6：双δ函数PDF 形状例子
Figure 14.1.6: Example of the Double Delta Function PDF Shape β函数PDF （The β-Function PDF ）
β函数PDF 形状通过关于f 和2f ′的下述函数给定：
∫??????=df
f f f f f p 111
1)1()1()(βαβα （14.1-22）
???
??????′?=1)1(2f f f f α （14.1-23） ???
??????′??=1)1()1(2f f f f β （14.1-24）图14.1.7和图14.1.8显示由f 和2f ′两个条件形成的β函数。
图14.1.7：3.0=f 和005.02=′f 时，β函数PDF 形状
Figure 14.1.7: β-Function PDF Shapes for 3.0=f and 005.02=′f
图14.1.8：1.0=f 和01.02=′f 时，β函数PDF 形状
Figure 14.1.8: β-Function PDF Shapes for 3.0=f and 005.02=′f 重要的是，可根据其最初两个因素，即f 和2f ′，计算出流动中在所有点上
的PDF 形状p (f )。因此，给定流场中每一点上的f 和2f ′的FLUENT 预测值（方程14.1-4和14.1-5），可以计算出已知的PDF 形状并作为额外的方程结合用方程14.1-17和14.1-19（或者对包括次要流的系统，为方程14.1-18和14.1-20）来确定组分质量分数、密度和温度的时间平均值。图14.1.9描述了单一混合分数的逻辑依赖关系。（包括次要流时，PDF 形状将为燃料混合分数f fuel 和次要部分分数p sec 进行计算，计算不同也顺序，见图14.2.2）。
14.1.9：关于f 和2f ′的平均标量i φ以及化学反应模型
的逻辑依赖关系（绝热，单一混合分数系统） Figure 14.1.9: Logical Dependence of Averaged Scalars i φon f ，2f ′and
the Chemistry Model (Adiabatic, Single-Mixture-Fraction Systems)
非预混模型的非绝热拓展 （Non-Adiabatic Extensions of the Non-Premixed Model ）
许多反应系统包括通过对流和辐射换热对墙壁、小滴或者颗粒的传热。在这样的流动中，局部热化学状态不再仅与f 有关，还与焓H ＊有关。系统焓影响着化学平衡计算和反应后流动的温度。因此，当由混合分数计算标量时，必须考虑由于热损失引起的焓的变化。因而，标量依赖关系变为
),(*H f i i φφ= （14.1-25）
式中：H *由方程14.1-14给定。在这样的非绝热系统中，应当利用一个联合几率密度函数 p (f ,H *)来考虑紊动脉动。然而，对多数工程应用来说，p (f ,H *)的计算不可行。通过假定焓的脉动独立于焓的水平（例如，热损失不会严重地影响紊动焓脉动）可对问题可进行重要的简化。在这样的假设条件下，可再次得到p =p (f )及
df f p H f i i )(),(1
0*∫=φφ （14.1-26） 因此在非绝热系统中i 的确定需要解时间平均焓的模拟输运方程：
h p i S H c k H v H t +???
????????=??+??***)()(υρ （14.1-27） 式中源项S h 考虑了对墙边界的辐射、传热以及与第二相之间的热交换。图14.1.10描述了关于FLUENT 中对非绝热单一混合分数系统里的f ， 2f ′以及*H 预测的平均标量值（组分质量分数，密度和温度）的逻辑依赖关系。
当系统包括次要流时，标量依赖关系变为
),,(*sec H p f fuel i i φφ= （14.1-28）
平均值由下面式计算：
图14.1.10：关于f ， 2f ′和*H 的平均标量i φ与化学反应模型
的逻辑依赖关系（非绝热，单一混合分数系统） Figure 14.1.10: Logical Dependence of Averaged Scalars i φon and f ,2f ′,*H
and the Chemistry Model (Non-Adiabatic, Single-Mixture-Fraction Systems)
sec sec 21101
0*sec )()(),,(dp df p p f p H p f fuel fuel fuel i i ∫∫
=φ （14.1-29） 如上所述，包括对墙的传热以及辐射的系统需用PDF 模型的非绝热扩展部分。另外，拥有不同入口温度的多燃料和氧化剂入口或者包括废气循环的系统需用非绝热模型。最后，在载有粒子的流动中（例如，液体燃料系统或煤燃烧系统）需用非绝热模型，因为载有粒子的流动含有对分散相的传热。图14.1.11阐明了几种必须包括PDF 模型的非绝热形式的系统。注：即使系统是非绝热的，也可以进行更简单一点的绝热计算作为初始练习。这将允许你应用一种有效的方式来限制非绝热分析，如14.3节所述。
(a) 到主边界的传热和／或辐射传热
(a) Heat Transfer to Domain Boundaries and/or Radiation Heat Transfer
（b）不同温度的多燃料和氧化剂入口
(b) Multiple Fuel or Oxidant Inlets at Different Temperatures
（c）分散相传热传质（如，液体燃料或煤燃烧）
(c) Dispersed Phase Heat or Mass Transfer (e.g., Liquid Fuel or Coal Combustion)
图14.1.11：需要非绝热非预混模型方法的反应系统
Figure 14.1.11: Reacting Systems Requiring Non-Adiabatic Non-Premixed Model 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）
混合分数法的限制（Restrictions on the Mixture Fraction Approach）φ（组分质量分数、密度或温度）对f的唯一依赖关系（方程14.1-11或14.1-13）i
需要反应系统满足下列条件：
?化学反应系统必须是有分离的燃料和氧化剂入口的扩散类型（喷雾（喷射）燃烧和粉碎燃料火焰也可属此类）。
?刘易斯（Lewis）数需统一。（这表示所有组分和焓的扩散系数相等，是对湍流的良好的近似）。
?当使用单一混合分数时，必须满足下列条件：
－仅含一种类型的燃料。燃料可由反应组分（例如，90％的CH4和10％的CO）的一种燃烧混合物组成，可包括多燃料入口。然而，多燃料
入口必须有同样的成分。不允许有两个以上的有不同燃料成分的燃料
入口（如，一个入口为CH4，一个入口为CO）。类似的，在喷雾燃烧
系统或包含反应粒子的系统中，仅允许有一种废气。
－仅含一种氧化剂。氧化剂可包括一种组分混合物（如，21％O2，79％N2），可以有多个氧化剂入口。然而，多氧化剂入口必须包含相同
的成分。不允许有两个及以上有不同成分的氧化剂入口（如，一个入
口为空气，第二而入口为纯氧气入口）。
?当使用两个混合分数时，系统中可包含三个流。下面是有效的系统：－有两个不同组成的燃料流和一个氧化剂流。每一个燃料流可由一种反应组分混合物组成（例如，90％的CH4和10％的CO）。可包括每一种
燃料流的多入口，但是每一个燃料流入口必须有两种定义的成分中的
一种（如，一个入口为CH4，一个入口为CO）。
－包括气－液，气－煤，或者液－煤燃料混合物和一种氧化剂的混合燃料系统。在拥有气－煤或液－煤燃料混合物的系统中，煤挥发分和焦
炭作为一种单一成分燃料流来对待。
－分别跟踪含有挥发分和焦炭的煤燃烧。
－含有不同成分的两种氧化剂流和一种燃料流。每一氧化剂流可由一种
多组份的混合物组成（例如，21％O2，79％N2）。每一种氧化剂可以
有多入口，但是，每一个氧化剂入口必须含有两种定义成分中的一种
（例如，一个入口为空气，第二个入口为纯氧气）。
－一个燃料流，一个氧化剂流和一种非反应次要流。
?必须为湍流。
强调对直接模拟预混燃烧来说这些限制消除了使用非预混的方法非常重要。这是因为未燃预混流远离化学平衡。注：然而，16章中描述了一种扩展的混合分数公式，其可被用在预混和部分预混火焰中。
图14.1.12和14.1.13为FLUENT中能用非预混模型处理的典型反应系统结构。图14.1.14为不能用非预混模型模拟的预混结构。
（a） 简单燃料／氧化剂扩散火焰
(a) Simple Fuel/Oxidant Diffusion Flame
（b） 用多氧化剂入口的扩散系统
(b) Diffusion System Using Multiple Oxidant Inlets
（c） 用多燃料入口的系统
(c) System Using Multiple Fuel Inlets
14.1.12：能用单一混合分数模拟的化学反应系统
Figure 14.1.12: Chemical Systems That Can Be Modeled Using a Single Mixture Fraction
（a） 包含两个不同燃料入口系统
(a) System Containing Two Dissimilar Fuel Inlets
（b）包含两种不同氧化剂入口的系统
(b) System Containing Two Dissimilar Oxidant Inlets
图14.1.13：能用两个混合分数模拟的化学反应系统结构
Figure 14.1.13: Chemical System Con_gurations That Can Be Modeled Using Two Mixture
Fractions
图14.1.14：不能用非预混模型模拟的预混系统
Figure 14.1.14: Premixed Systems CANNOT Be Modeled Using the Non-Premixed Model
液体燃料或煤燃烧非预混模型 （Using the Non-Premixed Model for Liquid Fuel or Coal combustion ）
如果在模拟中包括小液滴和／或煤颗粒，可以应用非预混模型。在这种情况下，燃料以通过蒸发、液化作用和焦炭燃烧定律控制的分散相确定的比率进入计算域中的气相中。在为煤的情况下，挥发分和焦炭产物可被定义为两种不同的燃料类型（用两个混合分数）或这定义为单一废气成分（用一个混合分数），14.3.5节有所描述。
带有废气循环的非预混模型 （Using the Non-Premixed Model with Flue Gas Recycle ）
由于用非预混模型解决的多数问题将包含既含有纯氧化剂有含有纯燃料（f =0或f =1）的入口，因此可包括有一个混合分数中间值（0 exit recyc ox fuel exit recyc fuel f m m m f m m )(&&&&&++=+ （14.1-30） 或 ox fuel fuel exit m m m f &&&+= （14.1-31） 式中：f exit 为出口混合分数（和废气循环入口处的混合分数），ox m &为氧化剂入口的质量流量速率，fuel m &为燃料入口的质量流量速率，recyc m &为循环入口的质量流量速率。 如果包括次要流，则为 ox fuel fuel exit fuel m m m m f &&&&++=sec , (14.1-32) ox m m m p &&&+=sec sec sec (14.1-33) 图14.1.15：带有废气循环的非预混模拟 Figure 14.1.15: Using the Non-Premixed Model with Flue Gas Recycle 14.2 非预混平衡化学反应的模拟方法 Modeling Approaches for Non-Premixed Equilibrium Chemistry FLUENT 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i φ（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(25.02 2 f 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，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 Between FLUENT 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。对用二混合分数的绝热情况，查询表包含作为燃料混合分数和次要流部分分数函数的ρ，T 以及i Y 。对二混合分数的非绝热情况，三维查询表中包含作为燃料混合分数，次要流部分分数和瞬时焓函数的物理属性。 燃料混合分数和次要流部分分数的几率密度函数p 1和p 2分别由解出的混合分数及它们的变化量来在FLUENT 中进行计算。计算属性平均值的PDF 积分也在FLUENT 完成（用方程14.1-18或14.1-29，与14.1-20或它的非绝热等价方程）。积分中需要的瞬时值从查询表中获得。 ！注：对二混合分数情况，其在FLUENT 中的计算时间要比单一混合分数问题长很多，因为PDF 积分在FLUENT 进行，而不是在prePDF 中。选择二混合分数模型前应当仔细考虑这种代价。作为权宜之计，通常从收敛的单一混合分数解开始二混合分数模拟。 图14.2.2解释了对二混合分数情况prePDF 和FLUENT 之间的分工。 14.2.3 查询表概念 （The Look-Up Table Concept ） 绝热系统查询表 （Look-Up Tables for Adiabatic Systems ） 图14.2.3解释了对单一混合分数系统prePDF 产生的查询表概念。给定在流域中一点上f 和2f ′的FLUENT 预测值，由表中可获得该点处的时间平均质量分数，时间平均密度和时间平均温度（i φ） 。FLUENT 首先用方程14.2-1计算比例化的混合分数变化量2s f ′，因为单一混合分数查询表中包括作为f 和2s f ′函数的属性数据，而不是作为f 和2f ′函数的属性数据。 图14.2.2：对二混合分数情况FLUENT 和prePDF 间的计算任务分割 Figure 14.2.2: Separation of Computational Tasks Between FLUENT and prePDF for a Two-Mixture-Fraction Case 图14.2.3中的表是方程14.1-17积分的数学结果。对关心的每一个标量（组 分质量分数，密度，温度），只有一个这种类型的查询表。在瞬时焓只是瞬时混合分数的函数的绝热系统中，像图14.2.3那样，需要一个二维查询表。 图14.2.3：绝热单一混合分数系统中作为f 和2f ′函数的标量i φ的查询表的可视化表示 Figure 14.2.3: Visual Representation of a Look-Up Table for the Scalar i φ as a Function of f and 2f ′in Adiabatic Single-Mixture-Fraction Systems 对于一个二混合分数系统，将为作为燃料混合分数fuel f 和次要流部分分数sec p （方程14.1-12）函数的标量属性i φ建立一个查询表，见图14.2.4。 表14.2.1总结了查询表结构。 非绝热系统三维查询表 （3D Look-Up Tables for Non-Adiabatic Systems ） 在非绝热系统中，焓与混合分数不成线性关系，但是也依赖于墙的传热和／或辐射，需要为每一个系统中可能的焓值建立查询表。结果是建成三维的查询表，如图14.2.5所示，图由二维表层组成，每一层都相应正常的热损或增热。第一层或片相应于系统的最大热损失，在那里查询表中所有的点为问题建立中定义的最低温度。最大片相应于当所有点已经达到定义的最高温度发生时的增热。零热损／增热片相应于绝热运算。插入绝热和最高片之间的片相应于增热，插入绝热和最低片之间的片相应于热损。 三维查询表允许FLUENT 从f ，2f ′和*H 的计算值中确定每一个质量分数，密度和温度的值。三维表是方程14.1-26积分的可视化表现。 对二混合分数问题，三维查询表允许FLUENT 为对来源于f fuel ，p se c 和H ＊瞬时值的标量属性确定瞬时值。三位表是方程14.1-28的可视化表现。这些瞬时值用来完成方程14.1-29的积分。 表14.2.1为查询表结构总结。 f′函数 图14.2.5：在非绝热单一混合分数系统中，作为f and2 φ的查询表的可视化表现 的标量 i φas a Function of Figure 14.2.5: Visual Representation of a Look-Up Table for the Scalar i f and2 f′and Normalized Heat Loss/Gain in Non-Adiabatic Single-Mixture-Fraction Systems 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 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 (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 《数值计算与工程仿真》专刊—FLUENT HELP 算例精选中文版（二） 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 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。 译者:wyxpuma 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 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 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。 12.2.1通用有限速度模型 该方法基于组分质量分数的输运方程解，采用你所定义的化学反应机制，对化学反应进行模拟。反应速度在这种方法中是以源项的形式出现在组分输运方程中的，计算反应速度有几种方法：从Arrhenius速度表达式计算，从Magnussen 和Hjertager [149]的漩涡耗散模型计算或者从EDC模型[148]计算。这些模型的应用范围是非常广泛的，其中包括预混和，部分预混和和非预混和燃烧，详细内容请参阅第13章。 12.2.2 非预混和燃烧模型 在这种方法中，并不是解每一个组分输运方程，而是解一个或两个守恒标量（混和分数）的输运方程，然后从预测的混合分数分布推导出每一个组分的浓度。该方法主要用于模拟湍流扩散火焰。对于有限速度公式来说，这种方法有很多优点。在守恒标量方法中，通过概率密度函数或者PDF来考虑湍流的影响。反映机理并不是由我们来确定的，而是使用flame sheet（mixed-is-burned）方法或者化学平衡计算来处理反应系统。具体请参阅第十四章。 层流flamelet模型是非预混和燃烧模型的扩展，它考虑到了从化学平衡状态形成的空气动力学的应力诱导分离，具体请参阅14.4节。 12.2.3 预混和燃烧模型 这一方法主要用于完全预混合的燃烧系统。在这些问题中，完全的混合反应物和燃烧产物被火焰前缘分开。我们解出反应发展变量来预测前缘的位置。湍流的影响是通过考虑湍流火焰速度来计算得出的。具体请参阅第15章。 12.2.4部分预混和燃烧模型 顾名思义，部分预混和燃烧模型就是用于描述非预混和燃烧和完全预混和燃烧结合的系统。在这种方法中，我们解出混合分数方程和反应发展变量来分别确定组分浓度和火焰前缘位置。具体请参阅第十六章。 12.3 反应模型的选择 解决包括组分输运和反应流动的任何问题，首先都要确定什么模型合适。模型选取的大致方针如下： 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。 二、分散相燃烧模型 除了可以模拟各种气相燃烧问题以外,FLUENT5还提供了模拟分散相燃烧问题(液体燃料燃烧、喷射燃烧、固体颗粒燃烧等的燃烧模型:在拉格朗日坐标下,模拟分散相(包括固体颗粒/油滴/气泡等在瞬态和稳态下的运动轨迹 多种球形和非球形粒子的曳力规律 线性分布或Rosin-Rammler方程的粒子大小分布 连续相的湍流效应对粒子传播的影响 分散相的加热/冷却 液滴的汽化和蒸发 燃烧粒子,包括油滴的挥发过程和焦碳的燃烧 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 非预混火焰中的流动及燃烧不稳定性的直接数值模拟研究 鉴于全球环境质量的不断下降以及当今以化石燃料为主的能源结构的局限性,使得清洁能源的利用问题越来越受到人们的关注。这其中,氢能由于其高效、清洁等优点而格外引人注目。 然而到目前为止,由于对氢气燃烧机理和燃烧行为的认识尚未完善,这很大程度上限制了人们对氢能的安全开发和利用。基于此,本文利用高精度直接数值模拟的方法对非预混火焰在流动和燃烧过程中的不稳定性行为和燃烧的内在机理做了详细研究。 在研究中利用768个处理器核进行了大规模的高效并行计算。而且,为了能得到更精细的流场结构,在计算中考虑了实际燃烧中的详细化学反应过程。 本研究包括四方面的内容,分别为：(1)探讨了氢气非预混火焰在流动和燃烧过程中固有的流体动力学不稳定性。(2)研究了由于氢气自身的快速扩散的属性诱发的热扩散不稳定性对非预混火焰结构的影响。 (3)探讨了燃烧室中非预混火焰因火焰、压力波及燃烧等因素的相互作用诱导的声学响应和热声耦合不稳定性的形成。(4)建立于三维大规模的直接数值模拟中提供的海量数据的基础上,开展了对非预混燃烧中的输运模型的检验和发展的研究。 在流动和燃烧过程中自身存在的流体动力学不稳定性方面,分别开展了二维和三维直接数值模拟的研究,探讨了氢气射流撞击火焰在近场区域的不稳定性。研究中发现,浮力驱动下的流动不稳定性对火焰外部涡旋结构的形成至关重要。 而且,捕捉到了由剪切效应引起的开尔文-亥姆霍兹不稳定性和相应的小尺度涡旋结构的形成,并且探讨了扰动对这两种不稳定性的响应。通过比较二维和 三维的模拟结果,发现二维模拟结果有一定的局限性,但它可以节省大量的计算资源,而三维结果的预测更为准确和精细。 通过大规模高精度的三维直接数值模拟,进一步研究了氢气非预混火焰中的热扩散不稳定性。这种不稳定性是由氢气自身的快速扩散的性质诱导的。 研究发现,流场中固有的流体动力学不稳定性会引发非预混火焰的不稳定,而由优势扩散引起的热扩散不稳定性在一定程度上却能够减弱这种不稳定性的影响。不仅如此,优势扩散的作用也会影响非预混火焰的组成结构。 并且由于组分H2和自由基H的快速扩散的输运性质,导致流场中高温区的产生和局部高反应物浓度的分布特征。本文还考虑了实际动力推进系统的燃烧设备里经常会发生的燃烧不稳定性即热声耦合不稳定性。 分别通过实验观测、直接数值模拟、以及理论解析三种方法研究,并将三者得到的结果进行对比分析,发现了非预混火焰中的热声耦合不稳定性的形成,而且这种燃烧不稳定性诱发了火焰面周期性撕裂的行为。并且,非预混火焰对外界扰动的响应呈现低通特性。 在论文的最后,通过对上述的三维大规模的直接数值模拟中得到的各个瞬态数据的统计,研究了湍流的统计特性和输运特性,并预测了湍流脉动标量的逆梯度输运的现象。研究发现,不论是均一扩散还是优势扩散的条件下,对于非守恒量和守恒量而言,非预混火焰中的湍流脉动标量的输运行为都并未完全遵循经典的梯度模型中所描述的梯度输运,即梯度输运模型具有一定的局限性,它并不能准确地描述非预混火焰中的湍流输运行为。 而逆梯度扩散现象的发生是由于剧烈的化学反应热释放引起的压力梯度的变化,进而影响湍流的扩散和输运过程。最终,湍流标量输运呈现出梯度扩散和逆fluent燃烧简介
第六章 FLUENT中的燃烧模拟
第15章 预混燃烧模拟
【CN210267213U】一种带隔舱低氮燃烧器的全预混燃烧头【专利】
使用非预混燃烧模型
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/6211233712.html,第16章 部分预混燃烧的模拟gg
全预混燃气燃烧技术
fluent tutorial file 之 prePDF 模拟煤粉燃烧
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14章 非预混燃烧模拟
第六章,FLUENT中的燃烧模拟
fluent中燃烧模型分类
ffluent燃烧(预混、非预混)
Fluent软件的燃烧模型介绍(精)
第15章 预混燃烧模拟
非预混火焰中的流动及燃烧不稳定性的直接数值模拟研究