FLUENT系列资料6之组分传输与气体燃烧问题

组分传输与气体燃烧问题

问题描述：

燃烧器模型如图所示，燃料甲烷在底部平面中央通过喷嘴射入空间，喷口为圆形，直径为0.3m，质量流量为13.1g/s,温度为1000K；空气入口距底部0.1m处，入口大小为2m×0.12m，燃烧产物以稳定流量95.1g/s通过W方向平面方形口（边长为0.65m)排出（距底部3.6m处）。

本题涉及到：

一、利用GAMBIT建立燃烧器计算模型 （1） 在GAMBIT中画出燃烧器的图形； （2） 对各条边定义网格节点的分布； （3） 在面内创建网格； （4） 定义边界类型；

（5） 为FLUENT5/6输出网格文件。 二、利用FLUENT-3D求解器进行求解 （1） 读入网格文件； （2） 确定长度单位：MM； （3） 确定流体材料及其物理属性； （4） 确定边界类型；

（5） 计算初始化并设置监视器； （6） 使用非耦合、隐式求解器求解；

（7） 利用图形显示方法观察流场、压力场与温度场。

一、利用GAMBIT建立燃烧器计算模型

第一步：启动GAMBIT并选定求解器FLUENT 5/6 第二步：创建燃烧器主体

操作：GEOMETRY→VOLUME→CREATE VOLUME

弹出＂Ｇreate Real Brick"设置对话框如图１所示． （１）在width(x)右侧填入6; （２）在Depth(y)右侧填入4; （３）在Height(z)右侧填入4.5;

（４）保留Coordinate Sys.（坐标系统）的默认设置； （５）在Direction项，选择＋X+Y+Z;

（６）点击Apply,点击FIT TO WINDOW．所创建的立方体如图2所示．

图1 立方体设置对话框 图2 燃烧器主体

第三步：创建进口和出口部分

1. 创建燃料甲烷的进口

操作：GEOMETRY→VOLUME→CREATE VOLUME

Ｒ

在“Greate Real Cylinder”设置对话框3中进行如下设置

（１）在Height (进口管长度）右侧填入0.3； （２）在Radius1(半径）右侧填入0.15； （３）在Radius2 (半径）右侧保留为空白；

（５）保留Coordinate Sys.（坐标系统）的默认设置；

（６）在Axis Location (进口管的中心轴）项，选择Positive Z（沿Z轴正向）； （７）点击Apply．

图3 创建燃料进口设置对话框

2. 创建空气的进口

操作：GEOMETRY→FACE→CREATE REAL RECTANGGER FACE

（１）在Width (宽度）右侧填入0.12； （２）在Height(高度）右侧填入2；

（3）保留Coordinate Sys.（坐标系统）的默认设置； （4）在Direction选择+Z+X（沿+Z+X轴）； （5）点击Apply．

图4 创建空气进口设置对话框

3. 创建方形出口

操作：GEOMETRY→VOLUME→CREATE VOLUME

弹出＂Ｇreate Real Brick"设置对话框如图１所示． （１）在width(x)右侧填入0.65; （２）在Depth(y)右侧填入0.65; （３）在Height(z)右侧填入0.65;

（４）保留Coordinate Sys.（坐标系统）的默认设置； （５）在Direction项，选择＋X+Y+Z; （６）点击

Apply,

图5 创建出口设置对话框

第四步：移动进出口各部分到相应位置

1.移动进口圆柱

操作：GEOMETRY→VOLUME

→MOVE/COPY/ALIGN→ VOLUMES

打开“Move/Copy Volumes”设置对话框如图6所示．

图6 移动/复制对话框 图7 移动/复制对话框 图8 移动/复制对话框

2.移动空气进口面：

操作：GEOMETRY→FACE→MOVE/COPY/ALIGN→VOLUMES，

打开“Move/Copy Volumes”设置对话框如图7所示．

3.移动方形出口

操作：GEOMETRY→VOLUME

→MOVE/COPY/ALIGN→VOLUMES

打开“Move/Copy Volumes”设置对话框如图8所示．

第五步：将进口圆柱,出口方形、空气进口面与燃烧器主体联结为一体

1. 进口圆柱和出口方形与燃烧器主体联结为一体：

操作：

GEOMETRY

→VOLUME→BOOLEAN

OPERATIONS

打开“Unite Real Volumes”对话框9所示．

图9 合并体积选择对话框

2. 方形进口面与燃烧器主体联结为一体：

操作：GEOMETRY→VOLUME→SPLIT VOLUME

打开“Unite Real Volumes”对话框10所示．

图10 合并面积选择对话框 图 11 燃烧器主体

第六步：划分面网格和体网格

1.划分面网格

操作：Mesh→Face

→Mesh Faces

打开“Mesh Faces”对话框如图12所示．

图12 面网格划分设置对话框 图13 面网格划分示意图 进口面和壁面，出口面和壁面的网格划分方法相同。 2.划分体网格

操作：Mesh→VOLUME→Mesh VOLUMEs

打开“Mesh VOLUMES”设置对话框如图14所示．

图14 体网格设置对话框 图15 网格划分图

第七步：设置边界类型

操作：ZONES →SPECIFY BOUNDARY TYPES

打开边界类型设置对话框如图16所示．

图16 边界条件对话框

第八步：输出3D网格

操作：File→Export→Mesh．．．．．． 输出3D网格，完成Gambit前处理。

图 17 保存网格文件

二、利用FLUENT_3D求解器进行模拟计算

第一步：与网格相关的操作

1．读入网格文件

操作：File→Read→Case．．． 25355 nodes.

14062 mixed wall faces, zone 3. 169 mixed outflow faces, zone 4. 80 mixed velocity-inlet faces, zone 5. 40 mixed mass-flow-inlet faces, zone 6. 247423 mixed interior faces, zone 8. 127028 mixed cells, zone 2. 2．检查网格

操作：Grid→Check 3．显示网格

操作：Display→Grid．．．

图18 显示网格的设置 图19 燃烧器模型的网格

第二步：设置求解模型

1．定义计算域为3D，且保持缺省的求解器 操作：Define→Models→Solver．．． 打开“Solver”对话框如图20所示．

2．选用k-ε模型湍流模型

操作：Define→Models→Viscous．．． 打开“Viscous Mode”对话框如图21所示．

图20 求解器对话框 图21 黏性模型对话框 3．激活能量方程以启动传热计算 操作：Define→Models→Energy．．．

图22 能量方程对话框

4．启动化学组分传输和反应 操作：Define→Models→Species．．． （１）在Model下选择Species Transport； （２）在Reactions下选择Volumetric；

（３）在Mixture Material下拉列表中选择甲烷－空气；

( 4 ) 在Turbulence-Chemistry Interaction中选择Eddy-Dissipation；

图23 化学组分模型对话框

（５）点击OK；

图24 信息对话框

( 6 ) 点击OK继续．

第三步：流体材料设置

操作：Define→Materials．．．

如图25所示，“Materials”面板中显示出在“Species Model”面板中已启动的混合材料，甲烷－空气．此混合物的物性已从FLUENT数据库拷贝出来，也可以在这里修正这些数据．

图25 材料对话框

（１）在Density下拉列表中选择 incompressible-ideal-gas；

（２）点击Mixture Species右边的Edit．．．按钮，打开“Species”面板；如图26所示． （３）点击Cancel关闭该面板，不作任何改变；

（４）在“Material”面板中，点击Reactions下拉列表右边的Edit．．．，打开“Reactions”面板．如图27所示；

（５）点击OK接受Mixing Rate常数的缺省设置；

（６）使用滚动条检查其余的物性．点击Change/Create接受材料物性的设置并关闭此面板。

图26 材料组分对话框

图27 材料化学反应对话框

第四步：边界条件设置

燃烧产物出口outlet：类型OUTFLOW,保留缺省设置。

1．打开边界条件面板

操作：Define→Boundary Conditions．．． 打开“Boundary Conditions”对话框如图28所示． 计算：空气入口air-inlet：类型VELOCITY_INLET、温度300K、流速0.4m/s。 由公式k＝1.5*(u*L) ^2 ,得k＝8.2e―5

由公式epsilon＝0.09^0.75*k^1.5/L, 得epsilon＝4.3e－

6

图28 边界条件对话框 图29 边界条件对话框

2．设定燃料进口fuelinlet的边界条件

如图30所示，赋予如“Velocity Inlet”面板所示的进口边界条件． 燃料CH4入口inlet2：类型MASS_FLOW_INLET、流量0.0131g/s。 由公式k＝1.5*(u*L) ^2 ,u＝0.28m/s，得k＝5.2e－5 由公式epsilon＝0.09^0.75*k^1.5/L, 得epsilon＝2.9e－

6

图30 燃料速度进口边界条件

3．设定出口outlet的边界条件．

图31 出口边界条件

第五步：使用常比热容的初始化并求解

1．设定初场

操作：Sovle→Initialize→Initialize．．． 见图31所示．

图31 求解初始化

（１）在Computer From下拉列表中选择all-zones． （２）调整ch4 Mass Fraction到0.2．

（３）点击Init设定变量初值，然后关闭面板． 2．设定松弛因子

FLUENT中缺省的松弛参数设置为高值．对于燃烧模型来说，减少松弛因子来稳定求解是必要的．本例中组分的松弛因子减少到0.8．

操作：Solve→Controls→Solution．．．

使用Under-Relaxation Factors列表旁滚动条，找出每个组分并设定它们松弛因子为0.8．

图32 求解控制对话框

3．在计算期间打开残差的图形监视图

操作：Solve→Monitors→Residual．．． 见图33所示．

图33 残差监视对话框

(1) 在Options下．选择Plot；

(2) 调整energy残差收敛标准为1e-05； (3) 点击OK． 4．保存case文件

操作：File→Write→Case．．．

(1) 保持Write Binary Files键打开，以生成一个较小的未格式化的二进制文件； (2) 在Case File文本框中，键入文件名字； (3) 点击OK．

5．进行1000次迭代计算

操作：Solve→Iterate．．． 见图34所示．

图34 迭代对话框

6．保存case和date文件

操作：File→Write→Case&Date．．． 查看温度的等高线来检查当前解的情况． 操作：Display→Contours．．． 见图35所示．

图35 等高线对话框

(1) 在Contours Of下拉列表中选择Temperature．．．和Static Temperature；

(2) 按Display．

三．后处理：

1．温度等高线

操作：Display—Contours 温度等高线显示下图所示：

图五：温度等高线图

由图可知：燃料进口的温度最高，空气进口处温度变化不大，出口处的温度超过100 o C。容器前右下角的温度较高，原因是空气入口的位置与燃料入口的位置使空气和甲烷在此处充分混合燃烧。

2．显示速度矢量 操作：Display—Vectors

在“Vectors”面板中，重新设定Scale到0.02，Skip设定为5. 速度矢量图如下：

图六：速度矢量图

由图可知：燃料进口处速度最大，空气入口的速度是给定的。由于出口截面较大，又位于右方，二氧化碳的密度比空气大，故出口速度较小。

3．等压线图如下

图七：等压线图

由图可知：燃料进口处的压力最大，容器内的压力次之，空气进口和燃料入口周围的压力相当，燃烧产物出口的压力最小。

4．确定平均出口温度和速度 操作：Report—Surface Integrals 得到的结果如下所示：

Mass-Weighted Average

Static Temperature (k) -------------------------------- --------------------

outlet 396.02614

Mass-Weighted Average

Velocity Magnitude (m/s) -------------------------------- --------------------

outlet 0.31234813

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/eyt4.html