本算例演示利用Fluent中的渦耗散模型計算柱形燃燒器中的甲烷與空氣的混合及燃燒過程。

1 問題描述

本算例中考慮的圓柱形燃燒器模型如下圖所示。所考慮的燃燒爲湍流擴散燃燒。

甲烷氣體從燃燒室中心的一個小噴嘴以速度80 m/s，溫度300 K注入。環境空氣以0.5 m/s的速度從環形區域進入計算區域。總體當量比爲0.76（約28%過量的空氣）。高速甲烷射流最初在外壁幾乎沒有干擾的情況下膨脹，並夾帶低速空氣混合。基於甲烷射流直徑的雷諾數近似爲

。

在本算例中，先使用渦耗散模型來分析甲烷-空氣燃燒過程。假設燃料完全轉化爲CO2和H2O，使用一步反應機理對燃燒進行模擬。反應方程式爲：

後續使用EDC模型並導入詳細化學反應機理進行計算，並且對兩種計算條件下的NOx模型進行計算。

2 使用ED模型進行燃燒計算

以

2D、Double Precision

方式啓動Fluent

選擇菜單

File Read Mesh…

讀取計算網格

gascomb.msh

2.1 General設置

進入面板，指定選項

Axisymmetric

採用軸對稱模型進行計算

進入對話框，將幾何模型縮放爲

mm

，如下圖所示

2.2 Model設置

激活能量方程

選擇

SST k-omega

湍流模型

如下圖所示設置組分輸運模型

進入對話框

激活選項

Species Transport

啓用組分輸運模型

激活選項

Volumetric

選擇混合物材料爲

methane-air

激活模型

Eddy-Dissipation

其他參數保持默認設置

注：ED模型利用湍流參數計算化學反應速率，適用於快速化學反應過程。ED模型也常常用於詳細化學反應模型的初始值計算。

”

2.3 Materials設置

檢查混合物

methane-air

的材料參數

檢查混合物組成，如下圖所示

檢查化學反應定義，如下圖所示

2.4 邊界條件設置

1、symmetry-5邊界

將邊界的類型修改爲

axis

，本算例採用的是軸對稱模型，必須確保計算區域中存在axis類型的邊界

2、velocity-inlet-8邊界

如下圖所示設置邊界參數

設置邊界的速度爲

0.5 m/s

指定湍流指定方法爲

Intensity and Hydraulic Diameter

指定爲

5%

指定爲

0.44

注：ED模型中利用湍流參數進行化學反應速率的計算，因此邊界上的湍流參數要仔細對待。

”

切換到標籤頁，指定溫度爲

300 K

切換到標籤頁，指定

O2

的質量分數爲

0.23

3、velocity-inlet-6邊界

設置邊界速度爲

80 m/s

，其他參數如下圖所示

溫度採用默認

300 K

進入標籤頁，指定

ch4

的質量分數爲

1

，表示從該邊界進入到計算區域中的組分全部爲甲烷

4、pressure-outlet-9邊界

指定該邊界的湍流參數，如下圖所示

指定邊界迴流組分爲空氣

5、wall-7邊界

指定邊界的溫度爲

300 K

2.5 初始化計算

採用

Hybrid Initialization

方法進行初始化

2.6 迭代計算

迭代計算

200

步，如下圖所示

2.7 計算結果

溫度分佈

注：ED模型常常會過高地預測計算域內的溫度。

”

甲烷質量分數

水蒸氣質量分數

3 ED模型的NOx計算

3.1 計算設置

打開對話框，如下圖所示設置

激活選項

Thermal NOx

及

Prompt NOx

，這裏不考慮燃料型NOx的生成

設置爲

CH4

指定的爲

partial-equilibrium

切換到 ，按下圖所示順序進行參數設置

切換到，指定爲

1

，指定爲

0.76

進入面板，點擊按鈕

Equations…

進入對話框，如下圖所示，取消所有方程求解，僅保留求解方程

Pollutant no及Temperature Variance

設置迭代計算

200

次，如下圖所示

3.2 計算結果

查看計算域內一氧化氮的質量分數

no的質量分數分佈如下圖所示

可以定義新變量no-ppm，以單位ppm顯示no的濃度

以ppm顯示的no濃度如下圖所示

4 詳細化學反應計算

這裏利用EDC模型，通過指定詳細的化學反應機理進行計算。

4.1 計算設置

進入對話框，點擊按鈕

Import CHEMKIN Mechanism…

打開機理導入對話框

如下圖所示導入機理文件

grimech30_50spec_mech.inp

順便導入熱力學文件及輸運屬性文件

grimech30_thermo.dat、grimech30_transport.dat

注：網絡上有很多現成的甲烷燃燒機理文件，很多是可以直接使用的。

”

選擇模型

Eddy-Dissipation Concept

採用EDC模型進行計算

採用進行初始化，指定初始溫度

2300 K

注：這裏也可以直接使用ED模型的計算結果作爲初始值。如果要重新初始化的話，則注意給一個較高的溫度以激活化學反應。或者也可以patch一個高溫局部區域。

”

設置迭代計算

1000 次

4.2 計算結果

溫度分佈

注：EDC模型計算得到的溫度略低於ED模型。

”

水真氣質量分數分佈

5 EDC模型的NOx計算

採用與前面NOx相同的設置，在EDC計算結果的基礎上進行計算。

no質量分數分佈

注：可以看到no的濃度也要低於ed模型計算的結果。主要原因在於no的生成依賴於溫度分佈。

”

ppm顯示的no濃度

本算例沒有考慮熱輻射的影響。有興趣的道友可自行嘗試DO輻射模型。

相關文件：

”