Fluent大作业

Fluent大作业——圆筒燃烧器内甲烷燃烧的数值模拟

引言：

根据公安部消防局的统计数据，2010年因火灾死亡的人数为1205人，其中多数人是因为火灾产生的有毒有害高温气体而死，因此研究火灾中有毒有害气体的分布有着重要意义。下面以一个简单的模型，对一个圆筒燃烧器内的甲烷和空气的混合物的流动与燃烧过程进行研究，模拟其中的温度场、有害气体的分布情况。

问题描述：

长为2m、直径为0.45m的圆筒燃烧器结构如下图所示，燃烧器壁上嵌有三块厚为0.005m，高0.05m的薄板，以利于甲烷与空气的混合。燃烧火焰为湍流扩散火焰。在燃烧器中心有一个直径为0.01m、长0.01m、壁厚为0.002m的小喷嘴，甲烷以60m/s的速度从小喷嘴注入燃烧器。空气从喷嘴周围以0.5m/s的速度进入燃烧器。总当量比约为0.76（甲烷含量超过空气约28%），甲烷气体在燃烧器中高速流动，并与低速流动的空气混合，基于甲烷喷口直径的雷诺数约为

3

5.7X10。

图1燃烧器结构

使用通用的finite-rate化学模型分析甲烷-空气混合与燃烧过程。同时假定燃料完全燃烧并转换为CO2和H2O。反应方程为

CH4+2O2→CO2+2H2O

反应过程是通过化学计量系数、形成焓和控制化学反应率的相应参数来定义的。

计算结果：

图2采用恒定的Cp值（1000J/kg·K）计算的温度分布

图3采用mixing-law计算的温度分布

从上面两图可以看出，当Cp值恒定为1000J/kg·K时，最高温度超过2900K。火焰温度的计算结果偏高，可以通过一个更真实的依赖于温度和组分热容模型来修正。比热对温度和组分的依赖性将对火焰温度的计算结果有着明显的影响。Mixing-law会得到基于全部组分质量分数加权平均的混合比热。在Fluent中，还有一个Fluent物性数据库随温度变化的Cp（T）多项式，可以启动组分比热随温度的变化特性。设置后的计算结果如图2，可以看出最高温度已经降低到大约2200K。通过Fluent，我们得到出口截面质量加权平均温度约为1506.3K。计算公式如下：

????? ??????

=?? ????? ????

出口截面处的面积平均速度约为2.66m/s。计算公式如下：

1

?? = ??????

??

图4甲烷的质量分数分布

图5二氧化碳质量分数分布

图6氧气质量分数分布

根据上面的各组分质量分数分布，我们可以了解燃烧器内部各个组分的分布情况，为模拟真实火灾场景打下基础。下面就NOX模型的应用作了比较。

图7 NO的质量分数等值线（快速型和热力型NOX）

图8NO的质量分数分布（快速型）

图9 NO的质量分数分布（热力型）

计算热力型和快速型NOX生成的平均出口NO质量分数为：0.0066753606，热力型的平均出口NO质量分数为：0.0066253605，快速型的平均出口NO质量分数为：0.00011186395。分别计算的热力型和快速型NO质量分数加起来不到两个模型同时作用的水平，这是因为可逆化学反应的参与。NO在一个反应中产生，而同时可能在另外的反应中被破坏。

下面利用常函数计算器计算NO的ppm浓度。公式如下：

NO mole fractionX106

NOppm= (?)

1?H2O mole fraction其中，混合物分子质量是

mixture MW=

1

mass fractionMW

(??)

其中，MW是每个组分的分子质量。绘制出的NO的ppm等值线如下：

图10 NO的ppm等值线—快速型NOX生成

总结：

本文中，使用Fluent对化学组分的传输、混合以及反应建立了模型。通过对Fluent数据库中混合物材料的使用和修改，定义了一个化学反应系统。燃烧的模拟过程也适用于其他的化学反应流动系统。通过模拟我们了解了该反应系统中各个组分的分布情况以及出口处的温度、速度分布情况，为今后进行大尺度的火灾数值模拟提供了参考。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j7pf.html