第14章 非预混燃烧模拟75

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：

f?Zi?Zi,oxZi,fuel?Zi,ox (14.1-1)

式中：Zi——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，N2，也包括与燃料混合的氧化性组分，如O2。

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：

ffuel?fsec?fOX?1 （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，ffuel和fsec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：ffuel，fsec和fox的关系

Figure 14.1.1: Relationship of ffuel, fsec, and fox

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ffuel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：

fsec?psec?(1?ffuel) （14.1－3）

式中：psec——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 ffuel, fsec, and psec之间的关系 Figure 14.1.2: Relationship of ffuel, fsec, and psec

注：不像fsec，psec限制在0到1之间，与ffuel的值无关。

标准次要质量分数psec的一个重要特征就是假设其与燃料质量分数ffuel统计独立性。注：不像fsec，psec是一守恒的标量。除了根据fsec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：

??t??? (?f)???(?vf)?????f?Sm?Suser （14.1-4）???t??t?源项Sm仅指质量由液体燃料滴或反应颗粒（如煤）传入气相中。Suser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f?2［105］：

??t??22?2?? ?f?2????vf?2?????f?C??f?C?f??Suser （14.1-5）gtd????tk?t???????式中：f??f?f。常数?t、Cg和Cd分别取0.85，2.86和2.0，Suser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）。

?2分别代替方程14.1-4和14.1-5中的对于一个二混合分数问题，用ffuel和ffuel?2。在方程14.1-4中，用fsec代替f则得到fsec。因此用f和f?2，得到ffuel和ffuel?2。根据次流的总方程14.1-3可计算psec，用psec代替f，解方程14.1-5可得到psec?2解方程证明是对的。?2而不是fsec量与总质量流率相比相对要小这一事实，用psec?2基本上对一个一阶近似值，在psec和fsec间的差异对ffuel相对敏感，因此，psec?2相同。 和fsec

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：

（14.1-6） f?2?CvarL2sgs?f式中：Cvar＝用户可调节常数；Lsgs＝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：

F?rO?(1?r)P （14.1-7）

2式中r为质量基础上的空气燃料比。将平衡比表示为?，式中

??（空气／燃料）实际（空气／燃料）化学当量 （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：

?F?rO?(??r)P （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：

f????r （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）或者在富燃料条件下（例如??2）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：

?i??i(f) （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ffuel和次要部分分数

psec：

?i??i(ffuel,psec) （14.1-12）

在方程14.1-11和14.1-12中，?i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：

?i??i(f,H*) （14.1-13）

式中H*为瞬时焓（与方程11.2-7定义的H相一致）：

T? H??mjHj??mj?cp,jdT?h0(Tref,j)? （14.1-14）j??Tref,j??jj*如果包括次要流，

?i??i(ffuel,psec,H*) （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（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frich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frich，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=frich）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=frich）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frich＝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NOx组分，因为NOx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 NOx后处理器可以最精确地预测NOx浓度。

在? 非平衡化学反应Non-Equilibrium Chemistry (小火焰模型(Flamelet Model))：

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NOx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，

p(f)?f?lim1?i （14.1-16） ?T??Ti式中：T——时间尺度，?i——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）

。 ?i??p(f)?i(f)df （14.1-17）

01当存在次要流时，平均值计算为

?i??1100? p1(ffuel)p2(psec)?i(ffuel,psec)dffueldpsec （14.1-18）

式中：p1为ffuel的PDF，p2为psec的PDF。这里，假定ffuel和psec具有统计独立性，那

么p(ffuel,psec)=p1(ffuel)p2(psec)。

类似地，对单一混合分数系统，真时间平均密度，?，可被计算为

1??1?当存在次要流时，为

0p(f)df （14.1-19）。 ?(f)1???1100?p1(ffuel)p2(psec)?(ffuel,psec)。 dffuelpsec （14.1-20）

?(f)或?(ffuel,psec)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p1(ffuel)和p2(psec)）的分布以便确定流场中所有点上的流体局部时间平均状态。

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?函数

??函数

双?函数是最容易计算的，而?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f?2。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?函数PDF（The Double Delta Function PDF）

双?函数用接近f=1和f=0的适合的边界给定

?0.5,f?f?f?2??p(f)??0.5,f?f?f?2 （14.1-21）。

?0,其他??14.1.6介绍了一个双?函数的例子。如上提到，双?函数PDF非常容易计算，但

是精度总是比?函数PDF低。据此，双?函数PDF仅能用在特殊环境中。

图14.1.6：双?函数PDF形状例子

Figure 14.1.6: Example of the Double Delta Function PDF Shape

?函数PDF （The?-Function PDF）

?函数PDF形状通过关于f和f?2的下述函数给定：

p(f)?f??1(1?f)??1?f??1(1?f)??1df （14.1-22）

式中：

?f(1?f)? ??f??1? （14.1-23）

2???f???f(1?f)???(1?f)??1? （14.1-24）

2???f??图14.1.7和图14.1.8显示由f和f?2两个条件形成的?函数。

图14.1.7：f?0.3和f?2?0.005时，?函数PDF形状 Figure 14.1.7: ?-Function PDF Shapes for f?0.3and f?2?0.005

图14.1.8：f?0.1和f?2?0.01时，?函数PDF形状

Figure 14.1.8: ?-Function PDF Shapes for f?0.3and f?2?0.005

重要的是，可根据其最初两个因素，即f和f?2，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f?2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ffuel和次要部分分数psec进行计算，计算不同也顺序，见图14.2.2）。

14.1.9：关于f和f?2的平均标量?i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

?ion f，f?2and

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

?i??i(f,H*) （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

?i???i(f,H*)p(f)df （14.1-26）

01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：

?ki??***??(?H)???(?vH)????H?Sh （14.1-27） ?c??t?p?式中源项Sh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， f?2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

?i??i(ffuel,psec,H*) （14.1-28）

平均值由下面式计算：

图14.1.10：关于f， f?2和H的平均标量?i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

*?ion and f,f?2,H*

and the Chemistry Model (Non-Adiabatic, Single-Mixture-Fraction Systems)

?i????i(ffuel,psec,H*)p1(ffuel)p2(psec)dffueldpsec （14.1-29）

0011 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）

密度或温度）对f的唯一依赖关系（方程14.1-11或14.1-13）?（组分质量分数、i需要反应系统满足下列条件：

（喷雾（喷射）? 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

燃烧和粉碎燃料火焰也可属此类）。

（这表示所有组分和焓的扩散系数相等，是对? 刘易斯（Lewis）数需统一。

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

?fuel?m?recycfexit?(m?fuel?m?ox?m?recyc)fexit （14.1-30） m或

fexit??fuelm?fuel?m?oxm （14.1-31）

?ox为氧化剂入口式中：fexit为出口混合分数（和废气循环入口处的混合分数），m?fuel为燃料入口的质量流量速率，m?recyc为循环入口的质量流的质量流量速率，m量速率。

如果包括次要流，则为

ffuel,exit??fuelm?fuel?m?sec?m?oxm (14.1-32)

psec?secm (14.1-33) ??sec?m?oxm

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（温度，密度和组分质量分数）与f，

fs?2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fs?2定义为

f?2fs?? （14.2-1）

0.25f(1?f)2FLUENT中解方程14.1-4，14.1-5和14.1-27（非绝热系统）得到f，fs?2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

?，T以及Yi 。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p1和p2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f?2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）。FLUENT首先用方程14.2-1计算比例化的混合分数变化量fs?2，因为单一混合分数查询表中包括作为f和fs?2函数的属性数据，而不是作为f和f?2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f?2函数的标量?i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

as a Function of fandf?2in 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ffuel和次要流部分分数

psec（方程14.1-12）函数的标量属性?i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，f?2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ffuel，psec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。

图14.2.5：在非绝热单一混合分数系统中，作为fandf?2函数

的标量?i的查询表的可视化表现

Figure 14.2.5: Visual Representation of a Look-Up Table for the Scalar

?ias a Function of

fandf?2and Normalized Heat Loss/Gain in Non-Adiabatic Single-Mixture-Fraction Systems

图14.2.6：在非绝热二混合分数系统中，作为ffuel, psec函数的

标量?i的查询表和正常热损／增热的可视化表现

Figure 14.2.6: Visual Representation of a Look-Up Table for the Scalar

?ias a Function of ffuel,

psec, and Normalized Heat Loss/Gain in Non-Adiabatic Two-Mixture-Fraction Systems

查询表格式总结 （Summary of Look-Up Table Formats） 表14.2.1 为不同类型非预混模型的查询表格式总结

表14.2.1：查询表格式

Table 14.2.1: Look-Up Table Formats

模型类型 单一混合分数 二混合分数

绝热 非绝热 f,fs?2 ffuel,psec f,fs?2,H* ffuel,psec,H* 14.3 非预混平衡模型的用户输入 （User Inputs for the Non-Premixed Equilibrium Model ）

非预混平衡模型的用户输入（prePDF和FLUENT中）包括下列几节：

?14.3.1：prePDF中问题的定义顺序 Problem Definition Procedure in prePDF

?14.3.2：prePDF报告的情报信息和错误 Informational Messages and Errors Reported by prePDF

?14.3.3：FLUENT中非预混模型输入和解决顺序 Non-Premixed Model Input and Solution Procedures in FLUENT

?14.3.4：模拟液体燃料燃烧 Modeling Liquid Fuel Combustion ?14.3.5：模拟煤燃烧 Modeling Coal Combustion

14.3.1 prePDF中问题的定义顺序 （Problem Definition Procedure in prePDF）

如图14.2.1和图14.2.2所示，用非预混平衡法解化学反应流动从prePDF中问题定义开始。

对单一混合分数问题，将在prePDf中执行下列步骤：

1、定义反应系统模型中考虑的化学组分并选择系统的化学描述。应该总是用默认的平衡化学选项。如果模拟一个没有反应的混合问题，或者用平衡选项没有得到解并且替换组分成分不可接受时，可以用无限快化学反应选项。

2、指明问题是否是绝热的。

3、选择用来描述混合分数中紊动脉动的PDF（几率密度函数）分布。默认为?－PDF，除非有特殊原因时才可选双?－PDF。

4、计算查询表，包括作为平均混合分数、混合分数变化量和焓的函数的组分质量分数、密度和温度的平均（时间平均）值。这个查询表的内容将反映描述

紊流反应系统的上述输入。

查询表为prePDF的计算结果。它储存这方程14.1-14（或14.1-26）和14.1-19积分的结果。查询表将被FLUENT用来根据混合分数值（f）、混合分数变化量值（f?2）和焓值（H*）来确定在FLUENT计算反应流动过程中被计算的平均组分质量分数，密度和温度。见14.2节和图14.2.3和14.2.5。

对一个包括次要流的问题（而且因此包括一个次要混合分数），将先执行上面为 混合分数法的前三步，接着应用方程14.1-12或14.1-15准备一个瞬时属性的查询表。

下面一步步的顺序将通过问题定义顺序解释如和使用prePDF以及解释如何使用输入。

第一步：启动prePDF （Start prePDF）

在UNIX系统和Windows系统下，启动prePDF的方式不同。安装过程（计算机类型单独安装指导书中描述的）设计为当你遵循适当的指导时确保prePDF程序启动。如果不行，咨询计算机系统经理或FLUENT支持工程师。

在UNIX系统上启动prePDF

在UNIX机器上，在命令提示符下键入 prepdf

在Windows系统上启动prePDF

对一个Windows系统，启动prePDF有两种方式：

“开始”按钮，选择“程序”菜单，选择Fluent.Inc菜单，紧接着选prePDF?点击

程序项。（注：如果当安装prePDF时默认的Fluent.Inc程序组名改了，会发现prePDF菜单项用新名被安排在程序组中，而不是在Fluent.Inc程序组中。）

?在MS-DOS命令提示符窗口中提示符后键入“prepdf”启动。然而，作这些工作前，必须首先调整用户环境以便MS-DOS命令应用程序发现prepdf。可以通过选择程序项中的“Set Environment”作这些工作。“Set Environment”也可在Fluent.Inc程序组中找到。这个程序将添加Fluent.Inc目录到命令提示路径。

热动力学数据库 （The Thermodynamic Database）

prePDF使用热动力学数据库［112］而且必须能访问数据库文件，

THERMO.DB。这个文件必须放在运行prePDF的目录上，或者必须通过环境变量THERMODB访问它。THERMODB指定文件的位置。在多数的安装中，将应用Fluent.Inc提供的使用顺序运行prePDF，并且这些顺序会为你设置环境变量。

第二步：分配内存 （Allocate Memory）

prePDF使用的内存总量一旦被分配后，不重新启动应用程序，是不能改变的。因此，必须分配足够的内存给PDF表中的点数最大值，组分最大值以及计划使用的小火焰最大值。

调整内存分配的参数如下：

“Maximum Number of Species”为PDF表中组分的最大值。默认值为20，这个参数可最大升至65。

“Maximum Number of f-mean Points”为PDF表中混合分数点数的最大值。默认值

为45，参数最大可升至100。

“Maximum Number of f-var Points”为PDF表中混合分数变化量点数的最大值。默认值为22，最大可升至30。

“Maximum Number of Enthalpy Points”为PDF表中焓的点数的最大值。默认值为45，最大可升至100。

“Maximum Number of Scalar Dissipation Points in Adiabatic Flamelet PDF Table ”绝热小火焰PDF表中最大标量扩散点数默认值为45，最大可升至100。

“Maximum Number of Flamelets”为小火焰模型中小火焰数的最大值。默认值为20，最大可升至30。

可以在内存分配面板（Memory Allocation panel）中设置这些参数（图14.3.1）。 Setup→Memory Allocation?

图14.3.1：prePDF中内存分配面板

Figure 14.3.1: The Memory Allocation Panel in prePDF

单击“Apply”，将为这些参数分配内存。如果需要在安装过程中晚些分配内存，则需要保存一个输入文件，退出prePDF并重起。然后，分配合适的内存数量，将输入文件读入prePDF，继续问题的建立。

注：如果读一个输入文件或PDF文件而没有首先分配内存，prePDF将根据文件中指定的组分数和点数分配内存。如果这个数比默认分配小，将会分配默认内存。如果大于，将会为文件中的组分和点的数分配适当的内存。

第三步：初始化问题定义 （Initialize the Problem Definition）

一旦分配好内存，在prePDF中的第一个任务是定义想要使用的反应系统和反应模型的类型。这一任务包括下面几个选项：

?添加次要流 （Addition of a secondary stream）。

（Partially premixed model option） ?部分预混模型选项（见16章）

（Adiabatic or non-adiabatic modeling ?绝热或非绝热模拟选项（见14.1.2节）

options）。

?平衡化学模型或化学当量反应（mixed-is-burned）模型（见14.1.2节）（Equilibrium chemistry model or stoichiometric reaction (mixed-is-burned) model ）。

！ 设置小火焰PDF模型的顺序在14.1.6节描述。

（Beta PDF or Double-Delta PDF）。 ??－PDF或双?－PDF（见14.1.2节）

?经验定义燃料和／或次要流组成（Empirically de_ned fuel and/or secondary stream composition）。

你后来的输入及prePDF希望来自你的输入依赖于这些选择。

可以用“Define Case”面板对这些模型进行选择（图14.3.2）。 Setup→Case?

下面详细介绍每一个模拟选择。完成输入后确定单击“Apply”。 如果模拟一个有单一燃料和单一氧化剂流组成的系统，则不需要在PDF计算中启动次要流。如14.1.2节所讨论，如果PDF反应模型中将包括下列情形之一，则要启动次要流：

图14.3.2：prePDF中Define Case面板

Figure 14.3.2: The Define Case Panel in prePDF

?两种不相似的气体燃料流：在这些模拟中，燃料流定义为燃料中的一种，次要流定义为第二种燃料。

?不相似气体和液体燃料的混合燃料系统：在这些模拟中，燃料流定义

为气体燃料，次要流定义为液体燃料（或者，反之亦然）。

?不相似气体燃料和煤燃料的混合燃料系统：在这些模拟中，燃料流必须定义为煤，次要流必须定义为气体燃料。见14.3.5节，用非预混燃烧模型模拟煤燃烧。

在这些模拟中，燃料流必须定义为煤，?煤和液体燃料的混合燃料系统：

次要流必须定义为液体燃料。见14.3.5，用非预混燃烧模型模拟煤燃烧。 ?煤燃烧：使用次要流可以更精确地模拟煤燃烧。燃料流必须定义为焦炭，次要流必须定义为煤的挥发分。见14.3.5，用非预混燃烧模型模拟煤燃烧。

?单一燃料和两个不相似的氧化剂流：在这些模拟中，燃料流定义为燃料，氧化剂流定义为氧化剂中的一种，次要流定义为第二种氧化剂。

！ 使用次要流会大大增加模拟的计算时间，因为在运行时间上FLUENT中要执行多维PDF积分。

选择绝热或非绝热（Choosing Adiabatic or Non-Adiabatic Options）

如果FLUENT里的问题定义中包含下列情况一个或一个以上，应该使用非绝热模拟：

?辐射或墙传热

?拥有不同温度的多燃料流入口 ?拥有不同温度的多氧化剂入口 ?废气循环

?液体燃料，煤颗粒，和／或对惰性粒子的传热

注：绝热模型是一个包含二维查询表的简单模型，在查询表中，标量仅依赖于f和f?2（或依赖于ffuel和psec。如果模型定义为绝热，将需要在FLUENT中解焓方程，系统温度将直接通过混合分数和燃料温度和氧化剂入口温度确定。非绝热情况将更复杂一些，在计算上更费时，需要在prePDF小红产生三维查询表。然而，非绝热模型选项允许包括上面所描述反应系统的类型。

在“Define Case” 面板中的“Heat transfer options”下选择绝热“Adiabatic”或非绝热“Non-adiabatic”。

使用绝热计算来决定非绝热模型的输入 （Using the Adiabatic Calculation to Determine Inputs to the Non-AdiabaticModel）

即使FLUENT模型将最终需要包括非绝热效应，也会受益于在prePDF中用非绝热计算开始分析。这种简单的计算可被用来调整非绝热模型的输入，确定非绝热情况中需要考虑的峰温和确定那种组分重要、那种组分需要考虑。因此，绝热prePDF计算提供一种对系统能帮助开发一种有效的非绝热模型的理解。

选择化学模型 （Choosing the Chemistry Model）

通常，平衡化学模型比化学当量模型更值得推荐。在这种方法中，感兴趣的组分浓度用化学平衡的假设由混合分数来确定（见14.1.2节）。使用这种模型，能包括中间组分和离解反应效应，在燃烧模型中产生更真实的火焰温度预测。相反，化学当量反应（mixed-is-burned）模拟选项提供精确度低一点的系统化学反应的单步描述。当选择平衡化学反应选项时，将有机会使用部分平衡模型“partial equilibrium”，在第8步里。

在“Define Case”面板中的化学模型“Chemistry models”下选择平衡化学模型“ Equilibrium Chemistry”或化学当量反应“Select or Stoichiometric Reaction”。

！如果想模拟非平衡化学反应，应该用小火焰模拟方法，见14.4节。使用这种模型的顺序见14.4.6节。

为非反应系统选择化学模型（Choosing the Chemistry Model for Non-Reacting Systems）

如果使用非预混燃烧模型来考虑非反应系统，在“Define Case”面板中选择“Stoichiometric Reaction”选项。当准备为每一个组分输入化学当量计算系数时（下面

的第七步），简单地为所有组分输入0。

选择PDF分布（Choosing the PDF Shape）

选择的PDF分布将最获得的结果产生一些影响。一般上，默认的?函数PDF分布对f脉动的实验观察比双?函数匹配得更好，应该第一使用。另一方面，在计算上，双?函数在prePDF里查询表产生过程中更有效。由于查询表产生是与处理的步骤，双?函数应该紧用在特殊环境中。当包括次要流时，在prePDF中不选PDF类型。这一步将被取代在FLUENT中发生。

在“Define Case” 面板中的“PDF models”下选择“Delta PDF”或“Beta PDF”。

燃料流的经验定义（Empirical Definition of the Fuel Stream(s)）

经验定义选项为定义燃料或次要流的成分提供了一种替代方法。当不选此项时，将定义在每个流中哪个化学组分是存在的，并定义每一组分的质量或摩尔分数，如下面第五步所述。当用经验定义燃料或次要流时，为流确定化学成分的顺序将有所不同：

1、用“Define Species”面板定义流中存在的化学组分列表（按照下面的建议，第四步）。通过使用经验定义选项，组分选择不变，除了必须包括被用于计算燃料的更低加热值的元素（C，H，N，S和O）和燃烧产物（CO2和H2O）。

2、在“Composition”面板（下面第五步）中，不要为每一种组分输入质量或摩尔分数。代替它的是，输入流的原子成分（C,H,N,S和O的原子摩尔分数），它的更低加热值及其平均比热。平热PDF将计算来自这些输入的每一组分的摩尔分数。

一个经验燃料流形成的热由加热值和原子成分来计算。燃料入口温度和燃料比热用于计算显焓（sensible enthalpy）。PrePDF用原子成分和焓完成平衡计算，并返回平衡摩尔组分成分和燃料温度。

注：经验定义选项经和完全化学模型一起用时才可用。不能和化学当量或部分平衡模型一起使用，因为对确定燃料成分，需要平衡计算。如果经验定义燃料是气体燃料，应该意识到与完全平衡系统中与气相燃料入口温度有关的模拟问题（下面第8步）。

对煤燃烧模拟（见14.3.5）或包括气体复杂碳氢混合物的模拟来说，定义经验燃料流尤其有用。因为经验燃料使用完全平衡模型，这将影响到在气相燃料入口处的流体边界条件，因此对气相燃料来说，一般不推荐使用经验定义选项。

在“Define Case”面板中的“Empirically Defined Streams”下打开“Fuel stream”或“Secondary stream”来定义一个经验燃料或次要流。

第四步：定义考虑的化学组分 （Define the Chemical Species to be Considered） 最重要的模拟输入之一就是选择反应系统描述中包括的组分。包括的所有组分必须在化学数据库中存在，必须以数据库里使用的同样的格式输入组分名。当使用非预混模型时，可包括一个组分数的最大值（在“Memory Allocation”面板中输入，见上面第二步）。（注：当有经验定义燃料流时，下面将对定义组分提及其他要求。）

使用“Define Species”面板输入组分数和组分名（图14.3.3）。 Setup→Species→Define?

定义组分步骤如下：

1、在“Species field”中的“Maximum#”中指定要定义的组分数。（可在任何时侯通过增加计数器来改变最大组分数。）

2、在“Database Species”下拉列表中选择定义第一个组分。这个列表包含数据库中组分的完整列表。组分名将出现在“DefinedSpecies”列表中。

3、增加“Species＃field”（既可用计数箭头又可打入新值然后按），然后从“Database Species”列表中选择下一个组分。以同样的方式继续直到想要包括的所有组分显示在“Defined Species”列表中。

图14.3.3：prePDF中“Define Species”面板 Figure 14.3.3: The Define Species Panel in prePDF

4、当对选择感到满意时，单击“Apply”，关闭面板。

如果需要改变组分选择，在“Defined Species”列表中单击组分名，然后从“Database Species”下拉列表中选择一个新的组分。

为经验定义流选择组分 （Choosing Species for Empirically Defined Streams）

对一个经验定义燃料或次要流，除了组成化学系统的组分以外，必须选择组元。允许的元素是C,H,N,S和O。组分CO2和H2O也必须被选上，因为对计算燃料的更低发热（加热）值来说，它们是燃烧产物。如果考虑S（硫），也需要在组分列表中增加SO2。

包括固体和液体组分 （Including Solid and Liquid Species）

和气体一样，固体和液体组分能被包括在热动力学计算中。他们在组分名后的圆括号中用L或S表示。如果选了固体或液体组分，必须在浓缩组份密度“Condensed Species Densities”面板中定义组分密度（图14.3.4）。

Setup→Species→Density?

图14.3.4：prePDF中“Condensed Species Densities”面板 Figure 14.3.4: The Condensed Species Densities Panel in prePDF

在面板中，在“Defined Species”列表中选择每一种固体或液体组分然后输入其密度“Density”。注：这个密度应该为浓缩相组分的密度，而不是像FLUENT中定义的粒子的表观密度。例如，在煤燃烧中，应该输入C（s）的密度而不是煤的表观密度。为所有的固体和液体燃料设置完密度时，单击“Apply”并关闭面板。

选择组分到Include 指南 （Guidelines on Choosing the Species to Include）

在简单的烃燃烧中，许多组分和基已经被确认。原则上，尽管能定义包括大量组分的平衡系统，还是应该限定这些最重要组分的系统描述。下列建议可能会在定义化学反应系统中有所帮助：

?在包括像H，O和OH这样的基的高温火焰（例如，T>2000K）中。这些基在高温离解反应中产生，会对火焰峰温度值产生重大的影响。

（如，燃料油），作为高温分解和气化反应的结果，较轻烃（如，?对重烃燃料

CH4，C2H4）将在富混合物中形成。

?对煤燃烧，挥发分可能表现为CH4（或一种重烃）和CO的混合物。煤中的焦炭应该以C(s) 表示。跟着这里概括的其他一般指南确定燃烧系统中应该包括的其他组分。

?如果对碳黑（soot）形成感兴趣，C(s)可被包括在燃料流定义中。然而，应该注意：平衡模型将不代表通常与碳黑形成有联系的复杂有限率化学反应。

！ 应该小心区分原子碳，C，和固体碳，C(s)。只要正在使用经验定义输入方法，就应该选择原子碳。

?燃烧产物应该总是包括CO2和H2O。另外，也可能会想包括CO和H2。注：当H2在水－气转移反应中产生时，不应该单独包括H2，CO?H2O?CO2?H2。 ，使用经验定义流选项?如果燃料成分在经验上是已知的（如，C0.9H3O0.2）（见第三步）。

?对烃燃烧系统，推荐包括C(s)和H2O(l)。

?如果希望包括烃燃料中可能存在的硫，注意这会干扰平衡求解器的收敛，尤其是如果硫的浓度小时。因此，仅在如果它以可考虑的量存在时，才推荐在计算中包括硫。

模拟硫最简单的方式是把它表示为SO2和S(l)，其中，SO2将在富氧混合物

中形成，而S(l)将在富燃料混合物中形成。对一个含硫燃料－氧化剂系统

的更为精细的的描述可能包括SO2，H2S，COS，S(l)，CS2和S2。 组分选择提供了一种系统化学反应的可感觉描述这一点相当重要。如果不是这种情况，平衡计算会收敛失败或者产生不正确的结果。

平衡计算中包含的组分可能应该不包括NOx组分，因为NOx的反应率缓慢，不应该用平衡假设来处理。取而代之，用FLUENT NOx后处理器预测NOx浓度更精确，在后处理器中包括有有限率动力学。（见17.1节）。注：燃烧模拟包括NOx并不重要，因为NOx组分存在浓度低，对燃烧过程几乎没什么影响。

调整数据库 （Modifying the Database）

如果想要在反应系统中包括一种化学数据库中不可用的新组分，可以将其添加到数据库文件THERMO.DB（prePDF）和thermodb.scm（FLUENT使用）中。THERMO.DB的格式在［112］中有详细记录。可以用File/Write/Thermodb?菜单项在prePDF中产生themodb.scm文件。 File→Write→Thermodb?

如果thermodb.scm文件在FLUENT启动目录中，FLUENT将认识这个新组分。为在标准数据库中永久储存该新组分，从产生的thermodb.scm文件中复制该新组分数据到默认的thermodb.scm文件中，如14.5节所述。如果选择了调整标准数据库文件，应该创建原始文件的复制版。

第五步：定义燃料和氧化剂（和次要流）成分 （Step 5: De_ne the Fuel and Oxidizer (and Secondary-Stream) Compositions）

定义完反应系统中考虑的组分后，如果只有一种存在，必须定义燃料和氧化剂入口和次要流入口处组分的摩尔或质量分数。（如果根据经验选择定义燃料或次要流成分，将代替输入该步末尾所描述的参数。）例如，对图14.1.12c的例子，燃料入口有60％CH4，20％CO，10％CO2和10％C3H8组成。这些信息用成分面板“Composition”输入（图14.3.5）。

Setup→Species→Composition? 定义摩尔或质量分数的顺序如下：

1、在“Stream”下，选“Fuel,Oxideser”或“Secondary”项。

2、在“Specify Compostion In?”下，指明是想输入“Mole Fractions” 还是“Mass Fractions”。

3、从“Defined Species”列表中选择一个组分，然在通过在“Species Fraction”域中选择的流（燃料，氧化剂或次要）里键入其摩尔或质量分数。在“Defined Species”列表中对所有组分重复上述过程，直到已经为选择的流设置了所有的摩尔或质量分数。

图14.3.5：prePDF中“Composition”面板 Figure 14.3.5: The Composition Panel in prePDF

4、通过选择合适的选项为其他每一个流输入摩尔或质量分数（也就是在第一步中没选的的一个），然后重复第三步。

5、当对所有的设置满意时，单击“Apply”按钮，关闭面板。

可以通过在“Defined Species”列表中选择流和组分名来检查个别流组分的当前设置。

非标准化摩尔或质量分数输入 （Un-Normalized Mole or Mass Fraction Inputs）

如果在定义成分时，输入了非标准化摩尔或质量分数，prePDF将换算输入以便它们统一，并通知（用信息对话框）摩尔或质量分数将被标准化。

为液体燃料定义燃料成分 （Defining the Fuel Composition for Liquid Fuels）

如果考虑从液滴蒸发出来的燃料燃烧，应该在prePDF中定义蒸发的燃料成分。

为煤燃烧定义燃料成分 （Defining the Fuel Composition for Coal Combustion）

如果FLUENT模型中包括煤燃烧，燃料和次要流的成分可用几种方式中的一种输入。可用单一混合分数（燃料流）来代表煤，把燃料成分定义为挥发分和焦炭（固态碳）的混合物。另一种，可用二混合分数（燃料和次要流），分别定义挥发分和焦炭。在煤燃烧的二混合分数模型中，燃料流代表焦炭，次要流代表挥发分。见14.3.5对煤燃烧模拟选项和输入顺序更为详细的描述。

经验定义燃料流成分输入 （Composition Inputs for Empirically-Defined Fuel Streams）

如第三步所提，可以用经验定义燃料流（也就是标准燃料或次要燃料）成分来代替通过指定摩尔或质量分数。对一个经验定义流，将输入原子分数，燃料更

低热（加热）值（燃烧产物假设为水蒸汽和CO2），和平均燃料的比热。步骤如下：

1、在“Stream”下确保“Fuel（or Secondary”选项可用。

2、在“Defined Species”列表中选择每一个元素并输入其原子分数“Atom Fraction”。 3、输入低热值“Lower Caloric Value”和燃料流比热“Specific Heat of the Fuel (or Secondary) stream”。

4、当对所有设置满意时，单击“Apply”按钮，关闭面板。

燃料成分的平衡修正 （Equilibrium Corrections to Fuel Composition）

注：对所有的平衡选项（也就是当第八步中的燃料富限设为1时），prePDF也将为燃料流输入执行平衡计算（如，在f＝1）。结果，你会发现如果按你定义的燃料系统不平衡，prePDF将调整你对燃料成分和温度的输入。例如，如果定义的燃料成分为在300K时，0.5CO和0.5CH4，prePDF将在751K时燃料修正为与平衡成分相一致的0.35C(s)，0.14 CH4，0.009CO，0.1552CO2和0.3596H2。

当用经验定义燃料时，将总是使用平衡计算，因为对这种情况，仅有完全平衡法可用。如果用组分摩尔或质量分数定义燃料，将仅当使用完全平衡选项时才发生修正。如果燃料为液体或固体（煤）燃料，平衡修正将对模型的建立没有任何影响。

！ 对气相燃料，平衡计算对燃料成分和温度的影响是一个重要的模拟问题，即在FLUENT中影响气相燃料入口处的流体边界条件。如果正在模拟气相燃料，并正在使用完全平衡模型或燃料的经验定义，应该回顾一下下面第八步中包括的这一主题的其他信息。

第六步：定义工作条件 （Step 6: Define Operating Conditions） 建立查询表和计算平衡化学模型需要反应系统的热动力工作条件。这些条件用“Operating Conditions” 面板输入（图14.3.6）。 Setup→Operating Conditions?

下面描述每一个输入。记住完成以后单击“Apply”按钮。 Absolute Pressure（绝对压力）：通过最小吉布斯自由能的用来从数据库中和化学平衡计算里提取合适的属性数据。

Min. Temperature（最小温度）：用来确定为产生查询表的最低温度（见图14.2.5）。输入应该与控制域（如，一个入口或墙温度）中期望的最小温度相一致。最小温度应设为低于最小系统温度10—20K。仅当在“Defined Case”面板中选择了“Equilibrium Chemistry”模型时，该选项才可用。

Max. Temperature（最大温度）：用来确定为产生查询表的最高温度（见图14.2.5）。其应设置为高于prePDF为绝热系统计算的预测温度的峰温100K。注：如果峰温输入太低，prePDF对查询表的计算将失败。仅当在“Defined Case”面板中选择了“Equilibrium Chemistry”模型时，该选项才可用。

Inlet Temperature （入口温度）：包括对燃料，氧化剂和次要流入口的温度输入：

图14.3.6：prePDF中“Operating Conditions”面板 Figure 14.3.6: The Operating Conditions Panel in prePDF

Fuel（燃料）：为模型中燃料入口的温度。在绝热模拟中，这项输入（与氧化剂入口温度一起）决定了将被FLUENT使用的入口流温度。在非绝热系统中，该项输入应该与该将在FLUENT使用的入口热边界条件（尽管在FLUENT部分将再次输入该边界条件）相匹配。如果FLUENT模型使用液体燃料或煤燃烧，将入口燃料温度定义为蒸发／离解开始时的温度（也就是，为离散相材料指定的蒸发温度“Vaporization Temperature”，见19.11节）。对这样的非绝热系统，入口温度将仅在prePDF中用来调整查询表网格（如，为计算查询表的离散焓值）。注：如果有多于一个的燃料入口，并且这些入口拥有不同的温度，则必须定义系统为非绝热的。在这种情况里，应该输入燃料入口温度作为优势燃料入口的值。

！ prePDF使用对燃料和氧化剂入口温度来确定燃料和氧化剂焓。当使用

完全平衡模型时（富限为1.0），在f＝1处的平衡计算会导致燃料成分和温度被调整。如果正在对一种气体燃料（或如果正使用一种经验定义的气体燃料）使用平衡模型，应该注意燃料温度的这种平衡调整对FLUENT中燃料入口边界条件的影响。见下面第八步。 Oxidiser （氧化）：为模型中氧化剂入口的温度。在燃料流入口温度输入（直接在上面）的讨论中也提出了与该项输入相关的问题。 Secondary（次要）：为模型中次要流入口的温度。（仅当定义了次要流入口时才出现该项）在燃料流入口温度输入（直接在上面）的讨论中也提出了与该项输入相关的问题。

Nonadiabatic Flamelet Temperature Limits （非绝热小火焰温度限制）：包括对非绝热小火焰系统的温度限制的输入。只要正在应用层流小火焰模型而且已经定义了情形为非绝热，就需要这些输入。见14.4.6节小火焰输入的更多信息。

第七步：定义反应化学当量 （Define the Reaction Stoichiometry）

当选择使用化学当量反应（mixed-is-burned）化学模型时，需要反应化学当量输入。如果正使用部分平衡方（定义的富限），也会在富限（见下面）处选择定义系统化学当量。对上面任何一种情况，反应化学当量输入定义为在燃料组分和氧化剂组分之间的一个简单一步反应。例如，考虑下面非常简单的系统：

CH4?2O2?CO2?2H2O

prePDF需要你为这个简单的系统输入摩尔化学当量系数如下：CH4为1，O2为2，CO2为-1，H2O为-2。注：规定产物化学当量用负数输入。

可使用“Stochiometric Coefficients”面板输入这些系数（图14.3.7）。 Setup→Species→Stochiometry?

图14.3.7：prePDF中“Stoichiometric Coefficients”面板 Figure 14.3.7: The Stoichiometric Coefficients Panel in prePDF

在“Defined Species”列表中选择一种组分并在“Coefficient”中输入其化学当量系数。当为所有的组分都设置了系数时，单击“Apply”，关闭面板。 对燃料混合物的化学当量输入（Input of Stoichiometry for Fuel Mixtures）

如果燃料流由多于一种组分组成，将需要为组和反应输入化学当量。例如，假设燃料由40％（体积）CH4和60％（体积）CO组成。每一摩尔CH4需要2摩尔的O2，每一摩尔CO需要0.5摩尔O2。因此O2的摩尔化学当量系数将输入为

(0.4?2)?(0.6?0.5)?1.1。每一种产物的摩尔化学当量将以相似的方式确定。所

以最终化学当量为

（14.3-1） (0.4CH4?0.6CO)?1.1O2?CO2?0.8H2O

两种燃料或氧化剂的化学当量输入 （Input of Stoichiometry for Partial Equilibrium Calculations）

如14.1.2节所述，当使用平衡化学选项时可以定义混合分数的富限。使用“Solution Parameters”面板完成富限的输入，如下所述。对在此限以上的混合分数，平热PDF将暂停平衡化学计算并根据燃料的混合和在富限处的成分计算成分。当选择部分平衡法时，可让prePDF使用平衡或可以输入在富限处假设的化学当量计算富限处的成分。一般，应通过化学当量系数选择用富限处成分平衡计算，除非有想要代表的实验数据（例如层流小火焰数据）。

第八步：定义查询表创建所使用的参数 （Define Parameters Used in Creation of the Look-Up Table ）

prePDF需要几个用在查询表创建中的输入。这些输入中的几个控制着为将计算的查询表的离散值的数量和分布。使用“Solution Parameters”面板输入这些参数（图14.3.8）。

Setup→Solution Parameters?

图14.3.8：prePDF中的“Solution Parameters”面板 Figure 14.3.8: The Solution Parameters Panel in prePDF

解参数如下：

Non-Adiabatic Model（非绝热模型）：包含与非绝热法相关的参数。 Enthalpy Points（焓点）：为计算三维查询表上的焓的离散值数。仅在如果模拟非绝热系统时需要这项输入。一般上，应该选择焓点为考虑的混合分数点数的1.5到2倍。默认焓点值为31，对一般模型来说已经足够，也可增加该数（最大到45）。需要的点数将依赖于所考虑的化学系统，在高释热系统（如，烃／氧火焰）需要更多的点数。

Fuel Mixture Fraction （燃料混合分数）：包含与燃料混合分数相管的参数： Fuel Mixture Fraction Points （燃料混合分数点）：为在将要计算的查询

表上的f的离散值的数量。对一个二混合分数模型，如果在“Species Model”面板上为“Probability Density Function”选择了?，这个值也

将是FLUENT用来计算PDF的点数（见14.3.3）。增加该点数将产生更精确的PDF分布，但是计算时间将延长。

Automatic Distribution （自动分布）：允许燃料混合分数及其变化量进

行自动离散。这个特征通过将离散混合分数值聚集在峰温值周围而使其分布最优。多数情形推荐使用自动分布。

Distribution Center Point （分布中心点）（仅当“Automatic Distribution”

不能用时才可用）：决定需要的f的离散值数的分布。需要的点数将分布在中心点的任何一边，多数点集中在近中心地，少数点在端点上。如

果中心点定义为0.5（默认），值将在在范围内均匀分布在0到1之间。一般，应在f的化学当量值的富边上选择该值。这将会在化学当量范围及以下——在该范围内，计算将更加关键，建立更多的点（因此，会有

更好的解及精度）。f的化学当量值的确定在下面讨论。注：不应将中

心点设得高于0.8或低于0.2。

Mixture Fraction Variance Points （混合分数变化量点）：为将要建立的

查询表上的fs?2的离散值的数量。混合分数变化量点数应大体上为需要的平均混合分数点数的一半。因为通常沿查询表的fs?2轴变化量比沿f轴慢，因此需要低解。

Secondary Partial Fraction （次要部分分数）：包含与（可选的）次要部分分数相关的参数：

Secondary Partial Fraction Points （次要部分分数点）：为将要建立的查

询表上的psec的离散值数量。像“Fuel Mixture Fraction Points”，如果

为一个二混合分数模型在PDF选项上（见14.3.3节）FLUENT将使用次要部分分数点计算PDF。点数越大，给出的PDF分布越精确，单是计算时间越长。

Automatic Distribution （自动分布）：允许对次要部分分数及其变化量

进行自动离散。多数情况下推荐使用自动离散。

Distribution Center Point （分布中心点）（仅当“Automatic Distribution”

不可用时才可用）：决定了psec离散值的需要数目分布。需要的点数将分布在中心点的任何一边，多数点集中在近中心地，少数点在端点上。

如果中心点定义为0.5（默认），值将在在范围内0均匀分布在0到1之间。对一种氧化剂或非反应次要流，应保持该默认值。对次要流，通常应在

psec的化学当量值的富边选择该值。这将会在化学当量范围及以下——在该范围内，计算将更加关键，建立更多的点（因此，会有更好的解及精度）。fsec的化学当量值的确定在下面讨论。所以可用方程14.1-3决定psec的相应值。注：不应将中心点设为高于0.8或低于0.2。

Equilibrium Chemistry Model （平衡化学模型）：包括与平衡化学模型（见14.1.2节）相关的参数。如果已经选择了化学当量模型或已为燃料成分使用了经验定义选项，将不能进行这些设置。

Fuel Rich Flamability Limit （燃料富焰能力限制）：控制着燃料混合分

数的平衡计算。富限的值为1.0意味着平衡计算将在混合分数的全范围

内进行。当使用低于1.0的富限时，无论何时f或ffuel超过该限，平衡计算将暂停。这个“部分平衡”模型在烃类燃烧中是一种有用的方法，允许绕过在富燃料区的烃类燃烧计算。当模型为非绝热加速查询表的准备时，部分平衡的效率将尤其重要。

如果使用低于1.0的富限，prePDF将询问是否想要在富限处定义反应化

学当量或是否向让程序使用平衡化学计算富限成分：

如果选择自动计算，prePDF将使用平衡计算确定在富限处的成分。如

果不选择自动计算，必须使用“Stoichiometric Coefficients”面板在富限处输入摩尔化学当量（见上面第七步）。

Secondary Rich Flamability Limit （次要富焰能力限制）：控制次要混

合分数的平衡计算。如果次要流步是燃料，应保持默认值1.0。对一个次要燃料流，可考虑调整该值来使用部分平衡模型。富限值为1.0意味着将在混合分数的全范围内进行平衡计算。当输入一个低于1.0的富限

时，无论何时fsec超过该限，平衡计算将暂停。（注：这里用的是次要混合分数fsec，而不是部分分数psec。）见上面的“Fuel Rich Flamability Limit”获取详细信息。

燃料富混合物的平衡计算 （Equilibrium Calculations in Fuel Rich Mixtures）

实验研究和回顾［23，213］表明尽管燃料使火焰区域倾向于接近热动力平衡，但是在燃料富裕的条件下化学动力学将占优势。因此，当为非经验定义燃料使用prePDF时，强烈推荐部分平衡模型。 如上所述，这种方法暂停了富混合物的平衡计算。（下面给出如何设置富限值。）

如果正使用完全平衡法（富限为1或经验定义燃料），应该明白prePDF将为燃料（如在f＝1处）执行一个平衡计算。在多数情况下，计算的结果平衡燃料成分和温度与定义燃料时的初始输入不一样。这表明：如你所定义的燃料成分和温度没在平衡条件下。当prePDf调整燃料成分和温度到新的平衡值时，你将收到一个警告信息：

该警告的目的是警告你燃料入口温度和成分应被调整为新的平衡值。这个信息将影响你如何在FLUENT中定义气体燃料入口边界条件，如下，因此它很重要。

在FLUENT中新的平衡燃料温度和成分在气相燃料入口边界上定义燃料密度。为保持想得到的燃料质量流率，应用这个平衡密度计算合适的入口速度。可在prePDF中用“VIEW-ALPHA/DENSITY”文本命令在最终离散F-Mean点（f=1）确定平衡燃料密度。在非绝热系统中，应使用的密度为在焓片与燃料入口温度相一致上。如果燃料入口温度等于在prePDF中的“Operating Conditions”面板上输入的温度，应该检查绝热焓片上的密度。如果有不同温度的多燃料入口，可在每一个温度下执行一个绝热计算以确定平衡密度。

！ 尽管prePDF将为燃料计算一个新的平衡温度，当在FLUENT中定义气相燃料入口时也应该使用原始的prePDF燃料入口温度输入。FLUENT用这个原始的非平

衡燃料温度计算入口燃料焓。（该焓与在prePDf平衡计算中使用的一样。）根据该入口焓，FLUENT将确定在燃料入口处的平衡温度，成分和密度。

如果正在使用离散相模型模拟液体或煤燃料，调整的平衡燃料温度和成分不会对在FLUENT中的输入产生影响。

确定混合分数的化学当量和富限值（Determining the Stoichiometric and Rich Limit Values of Mixture Fraction）

确定混合分数的富限值是在“Sloution Parameters”面板中输入的一个重要部分。一般上，应该选则富限为化学当量混合分数的1.5～2倍：

frich?2.0fs （14.3-3）

反过来，化学当量混合分数可有空气对燃料的质量比来计算，如14.1.2节所

述（方程14.1-10）。换过来，可通过检查prePDF为绝热系统预测的瞬时温度对混合分数来估计化学当量混合分数。最高温度将发生在靠近绝热混合分数的地方。

在空气中甲醇的燃烧为如何能计算化学当量混合分数提供了一个例子。根据摩尔化学当量写出写出反应为

CH3OH + 1.5(O2 + 3.76N2)→CO2 + 2H2O+5.64N2 （14.3-4）

为计算化学当量混合分数，首先根据化学当量空气－燃料比r和等价率?按质量基础写出反应。反应变为

（14.3-5） φCH3OH?r(O2?3.76N2)?(φ?r)Products式中：r=6.435。用方程14.1-10，化学当量混合分数（??1.0）就为

fs????r?1?0.134 （14.3-6） 7.435在??2.0时，燃料富混合分数为

2?0.237 （14.3-7） 8.435简单地用方程14.3-4展现一个更一般的形式，这个练习可直接扩展到含烃混合物的燃料。例如，考虑一个包含60％CH4和40％CO的燃料－空气系统：

frich? (0.6CH4?0.4CO)?z(O2?3.76N2)?xCO2?yH2O?3.76zN2 （14.3-8）

在平衡该方程并解出z后，可计算空气－燃料质量比，然后计算如上所述

的化学当量混合分数。

次要流富限值 （Rich Limit Values for Secondary Streams）

如果次要流为氧化剂或惰性物质，次要流的富限应该设为1。如果是次要燃料，应用上面的单一燃料系统分析，因为根据次要混合分数fsec（不是次要部分分数psec）定义了次要富限。

第九步：保存输入 （Save Your Inputs）

当完成所有预计程序时，应保存输入到一个 “input”文件： File→Write→Input?

这个文件包含所有在prePDF中定义反应系统的输入。可选择保存成二进制（非格式化的）文件或一个格式化的（ASCⅡ，或文本）文件。可以读或编辑格式化文件，但是格式化文件比同样以二进制格式存储的文件需要更多的存储空间。二进制文件占用比较少的空间并能被prePDF快速读些，但是不能在所有机器类型间转移。

第十步：计算查询表 （Compute the Look-Up Tables） 保存完输入后，应使用prePDF开始查询表计算： Calculate→PDFTable

PrePDF为单一混合分数计算执行的计算以方程14.1-17（或14.1-26）的离散积分结束，如图14.1.9（或图14.1.10）所表示。对二混合分数计算，prePDF将使用方程14.1-28或其绝热等价来计算物理属性。对简单系统，这些计算仅会花费一小会儿时间，但是对于复杂系统（如有10种或更多组分的非绝热系统）将会花费一小时之多。当计算进行时，平热PDF报告进程。下面为一个绝热、单一混合分数计算的简单输出：

在指定混合分数点数处完成平衡计算后，prePDF报告计算成功。产生的查询表为如图14.2.3阐明的形式（或图14.2.5，对非绝热系统）。这些查询表可在prePDF中用可用的图形工具绘制出来，如下面第十二步所述。

注：在非绝热计算中，报告包括关于当前考虑的焓点信息：

注意到：当TO-GO下列表点数为0时，非绝热计算停止。这是因为在混合分数等于0处的最终计算不包括多变化量点。

对于二混合分数计算，prePDF在计算过程中将打印下列信息：

产生的查询表有如图14.2.4（或图14.2.6对非绝热系统）所释的形式。这些查询表在prePDF中可用可用的图形工具绘制出来，如下所述。

对非绝热计算，当前焓点将被表示为上面列出对非绝热单一混合分数计算的简单输出。

PrePDF的稳定性问题 （Stability Issues in prePDF）

复杂的化学反应或非绝热效应会使平衡计算花费更长的时间并且更困难。在一些情形下，平衡计算甚至会失败。使用下列技术之一就会有可能消除所遇到的任何困难：

?试一下作为绝热系统计算。绝热系统计算通常非常直接并能提供变

量纠正这一对非绝热计算重要输入。可确定那些组分对反应系统重要并除去那些不重要的组分。这些信息可通过绝热计算产生的查询表的简单观察获得。选择合适的温度范围和包括化学组分的合适列表将会大大简化非绝热计算。通过对第八步所描述的富定点限更好选择并调整混合分数中心点以更充分的捕获绝热温度曲线。

?试着减少考虑的组分数。简化反应系统模型。如果系统包括重烃，

确保在系统中包含基本烃如CH4。

对以使用经验燃料法定义的固体或重液体燃料会有其他的稳定性出现。会发现对富燃料混合物平衡计算产生出非常低的温度并最终失败。这表明正发生强烈的吸热反应，混合物不能维持燃烧。在这种情形下，会需要增加燃料加热值直到prePDF产生可接受的结果。提供燃料将被作为液体或固体（煤）燃料处理，则能在FLUENT模拟中维持期望的加热值。这一点通过定义在期望加热值与调整加热值间的差作为潜伏热（在燃烧固体燃料的情形中）或裂解热（在液体燃料的情

形中）实现。

PrePDF计算值报告的信息和错误 （Informational Messages and Errors Reported During the prePDF Calculation）

当prePDF计算平衡化学并产生查询表时，会报告错误信息和消息报告。这些信息在14.3.2节详细描述。

第十一步：保存查询表 （Save the Look-Up Tables）

prePDF计算的查询表用一个文件储存将并读入FLUENT。FLUENT将使用该表从prePDF预测的混合分数场中提取组分、密度和温度场作为流场计算的一部分。退出prePDF前必须保存查询表。

File→Write→PDF?

文件既可为FLUENT4又可为FLUENT6以格式化（ASCⅡ，或文本）或二进制（非格式化）保存。

！ 确保为合适的求解器保存PDF文件。

除了将PDF文件读入FLUENT作为流动分析外，如果想使用下面第十二步描述的图形工具检查该查询表，可在稍后将其读回prePDF。（所有PDF文件类型均可被读回prePDF。）

第十二步：prePDF图形和文字数字报告 （Graphics and Alphanumeric Reports in prePDF）

prePDF提供许多允许检查查询表计算结果的应用程序。 观察?PDF形状 （Reviewing the Beta PDF Shape）

可使用“Beta-Pdf”面板绘制?-PDF形状（图14.3.9）。 Dispaly→Beta PDF?

图14.3.9：平热PDF中“Beta-Pdf”面板

Figure 14.3.9: The Beta-Pdf Panel in prePDF

这个应用程序为在面板中定义的任何f（平均混合分数）和f?2（混合分数变化量）简单地绘制函数，方程14.1-22。图14.1.7阐明了?-PDF形状会产生的许多形式中的两种。注：对于一对给定的f和f?2，在prePDF中没有一个输入会改

变?-PDF形状。（由于?-PDF图仅为一般信息目的，甚至当正在计算为在FLUENT中将计算PDFs的二混合分数问题时时可绘制?-PDF图。）

在绝热单一混合分数系统中观察瞬时值 （Reviewing Instantaneous Values in Adiabatic Single-Mixture-Fraction Systems ）

可使用“Property Curves”面板绘制瞬时组分浓度，密度或温度随瞬时混合分数的变化（图14.3.10）。

Display→PropertiyCurves?

图14.3.10：prePDF中“Adiabatic Property Curves”面板 Figure 14.3.10: The Adiabatic Property Curves Panel in prePDF

可以在“Plot Variable”下拉列表中选择温度，密度，组分，或焓作为被绘制的变量。显示结果表明这些量如何随混合分数变化并可用来确定混合分数的化学当量值，预期的峰温和系统中最重要的组分。图14.3.11和14.3.12显示了一个非常简单烃系统得来的瞬时值。

对绝热系统，也可以FLUENT 中XY绘图器使用的格式将属性数据写入一个文件。用prePDF中“WRITE-XY-FELE”文本命令写入包含属性数据的XY plot 文件：

VIEW-GRAPHICS→PROPERTY-CURVES→WRITE-XY-FILE

当选择了该命令，将被询问选择写入属性并指定文件名：

图14.3.11：由平衡化学计算得来的瞬时组分摩尔分数

Figure 14.3.11: Instantaneous Species Mole Fractions Derived From the Equilibrium Chemistry

Calculation

图14.3.12：由平衡化学计算得来的瞬时温度

Figure 14.3.12: Instantaneous Temperature Derived From the Equilibrium Chemistry Calculation

最后，在FLUENT部分，可以使用“File XY Plot”面板读入并绘制该数据。 Plot→File?

观察绝热二混合分数系统中的瞬时值 （Reviewing Instantaneous Values in Adiabatic Two-Mixture-Fraction Systems） 如果问题包括次要流，除了选择绘制的变量之外，还必须指定一个属性曲线应被绘制在的燃料混合分数或次要部分分数的常数值，在“Constant Value”下选择任意一个混合分数并指定其“Value”。被选择的变量将作为不拥有常数的分数的函数被绘制。在图14.3.13中，次要部分分数拥有常数0.05，其显示了温度如何随燃料混合分数变化。

观察非绝热系统的瞬时值 （Reviewing Instantaneous Values in Non-Adiabatic Systems）

如果一个单一混合分数系统是非绝热的，仍可观察瞬时标量值随瞬时混合分数的变化。在非绝热的情况中，因为瞬时结果依赖于平均焓值，将指定变量将被显示的平均混合分数，其变化变量和平均焓值。“Property Curves”面板（图14.3.14）包含需要在非绝热系统中输入这些参数的场。

图14.3.13：为一个二混合分数例子绘制的瞬时温度

Figure 14.3.13: Instantaneous Temperature Plotted for a Two-Mixture-Fraction Case

Display→Property Curves?

用“Plot Variable”下拉列表选择温度，密度，组分质量分数或焓作为绘制的变量。然后，在显示被选择的变量处输入平均混合分数“Mean Mixture Fraction”，混合分数变化变量“Mixture Fraction Variance”和平均焓“Mean Enthalpy”。单击“Display”产生图形。 ！ 注：对非绝热二混合分数情况，不能绘制瞬时属性曲线。将使用“Nonadiabatic－Table”面板来代替绘制瞬时值的查询表。

！ 注： “Property Curves”对绝热和非绝热情况的显示中有下列重要区别。对绝热，瞬时属性曲线与在fs??2?0时查询表中的值相一致。然而，在非绝热系统中，属性曲线仅代表优先于PDF积分的属性的中间值，因此，不与PDF查询表中任何值相一致。为了对非绝热情形检查储存在查询表中的值，应该使用“Nonadiabatic-Table”面板。

图14.3.14：prePDF中“Non-Adiabatic Property Curves”面板 Figure 14.3.14: The Non-Adiabatic Property Curves Panel in prePDF

观察prePDF为单一混合分数计算的二维查询表 （Reviewing the 2D Look-Up Tables Computed by prePDF for a Single Mixture Fraction）

既可使用图形又可使用文字数字形式来显示为单一混合分数绝热系统产生的二维查询表。使用“Pdf-Table”面板绘制表（图14.3.15）。

Display→PDF Table?

图14.3.15：prePDF中“Pdf-Table“面板 Figure 14.3.15: The Pdf-Table Panel in prePDF

使用“Plot Variable”下拉列表，可为温度，密度或任何单个组分分数（在当选择“SPECIES”出现的“Species Selection”面板中定义）显示查询表。图14.3.16为用简单烃燃烧模型为温度产生的查询表。类似地，可使用“VIEW-ALPHA“命令，文本界面可用，在离散平均／变化变量矩阵中每一点上以列表形式来显示查询表： Main→VIEW-ALPHA

观察prePDF为二混合分数计算的二维查询表 （Reviewing the 2D Look-Up Tables Computed by prePDF for Two Mixture Fractions）

！ 在prePDF中观看温度和组分表以保证它们被解得恰当但又不过多很重要。不恰当的解将导致错误，而过多的解将在FLUENT中导致解的时间的不必要减慢。

图14.3.16：平热PDF为一个单一烃系统（单一混合分数，绝热）产生的温度二维查询表 Figure 14.3.16: Two-Dimensional Look-Up Table for Temperature Generated by prePDF for a

Simple Hydrocarbon System (Single-Mixture-Fraction, Adiabatic System)

既可用图形又可用文字数字形式显示为二混合分数绝热系统产生的瞬时属性的二维查询表。使用“Property-Table“面板绘制表：

Display→Property Table?

图14.3.17：“Property-Table”板 Figure 14.3.17: The Property-Table Panel

将如上面为“Pdf-Table”面板所讲的正确使用该面板，但是结果图将显示选择作为瞬时燃料混合分数和次要部分分数函数（代替作为平均燃料混合分数和变化变量）的变量。

对于单一混合分数计算，文字数字形式报告以同样的方式产生，但是该报告代替平均／变化变量矩阵而列出ffuel，psec点。

为单一混合分数非绝热系统观察三维查询表 （Reviewing the 3D Look-Up Tables for Single-Mixture-Fraction Non-Adiabatic Systems）

为单一混合分数非绝热系统产生的查询表包含作为三个量：平均混合分数，混合分数变化变量和平均焓的函数的平均温度、密度和组分浓度。因此，当请求以文字数字形式或图形形式显示查询表时，将将他们一片挨一片的显示。用“Nonadiabatic-Table”面板开始图形显示（图14.3.18）。

Display→Nonadiabatic-Table?

图14.3.18：prePDF中“Nonadiabatic-Table”面板 Figure 14.3.18: The Nonadiabatic-Table Panel in prePDF

在该面板中，可在“Plot Variable”下拉列表中选择被绘制的变量。接着，

必须定义如何切查询表中可用的数据点的三维排列：那个离散独立变量（既可是

f又可是H*）被保留常数，和该常数值是否被选择为一个数值（选择“Value”作为“Plot”类型）或是否通过离散化索引（选择“Slice”为“Plot”类型）选择。如果选了或一种方法，单击“Slice?”按钮来选择想要的离散化索引。

图14.3.19：prePDF中“Slice”面板 Figure 14.3.19: The Slice Panel in prePDF

在“Slice”面板中（图14.3.19），选择那个变量（焓Enthalpy或f的平均F-Mean）为常数，然后拾取“Slice＃”（离散化索引）。例如，在如14.3.19的面板中，已经请求了在平均焓的第十个离散值处产生的查询表。如14.2节所讨论，每一个片实际上与一个标准热损或吸热相一致。与绝热系统相一致的焓片索引在“Adiabatic Slice＃”域中显示。

产生标绘图，单击“Apply”然后关闭“Slice”面板，然后单击在“Nonadiabatic-Table”面板里的“Display”。图14.3.20为一个简单的标绘图。

作为选择，会想根据独立量之一的指定值定义一个三维查询表片。当事该种情况时，在“Nonadiabatic-Table”面板中的“Plot type”下选择“Value”选项。设置片，单击“Value?”按钮打开“Lookup Points”面板（图14.3.21）。

在该面板中，可选择一个与下列相一致的三维表片段：

?平均焓的常数值（焓值Enthaipy Values和常数焓选项“Constant

Enthalpy”option）

图14.3.20：在非绝热系统（单一混合分数）中三维查询表的一个单一片断显示 Figure 14.3.20: Display of a Single Slice of the Three-Dimensional Look-Up Table

in a Non-Adiabatic System (Single Mixture Fraction)

?平均混合分数的常数值（Constant F-Mean Value）

?绝热焓（Enthalpy值和Adiabatic Relationship选项）

另外，在“Value”域中提供被选择量的物理值。当选中绝热焓选项时，必须提供燃料“Fuel”和氧化剂“Oxidiser”入口温度来代替固定值。PrePDF使用该信息来构造用于切割表的焓与混合分数间的绝热关系。绝热焓选项非常有用，因为它允许你为来自非绝热系统产生的3D查询表的燃料和氧化剂入口温度的不同组合产生绝热（2D）查询表。

最后，可设置细化因子“Refinement Factor”，它决定了绘制曲线的解。细化因子为1.0（默认）意味着标绘图将使用同样的在“Solution Parameters”面板中要求的离散点数。增加该因子将会引起平热PDF去计算和显示额外的数据点，产生一个更光滑的标绘图，但是需要一些时间来计算。

图14.3.21：prePDF中“Lookup Points”面板 Figure 14.3.21: The Lookup Points Panel in prePDF

产生标绘图，单击“Apply”，关闭“Lookup Points”面板，然后单击“Nonadiabatic-Table”面板中的“Display”。

为二混合分数非绝热系统观察三维查询表 （Reviewing the 3D Look-Up Tables for Two-Mixture-Fraction Non-Adiabatic Systems）

为二混合分数非绝热系统产生的查询表包含作为三个瞬时量：燃料混合分数，次要部分分数和焓的函数的瞬时温度，密度和组分浓度。至于上面描述的单一混合分数情形，将使用“Nonadiabatic-Table”面板显示查询表。除了仅可选择焓片或显示查询表上的值外，顺序与上面描述的完全一样。

14.3.2 prePDF报告的提示信息和错误 （Informational Messages and Errors Reported by prePDF）

在事件建立、查询表计算或后处理过程中，prePDF可能会分布下列信息。这里详细列出了所有信息来源和需要的动作。

来自：求解器Solver

原因：为非绝热计算定义的最低温度比入口温度要高。 动作：纠正最低温度值。

来自：求解器Solver 原因：按下了“Ctrl-C”

动作：键入N将使求解器中止主菜单而且将丢失所有先前的平衡迭代。键入“Y”或RETURN将使计算继续。

来自：图形Graphics

原因：对非绝热单一混合分数情形，prePDF不能构造为计算瞬时属性曲线需要的瞬时焓曲线。

动作：调整为绘制属性曲线图的混合分数，变化变量或焓输入。

来自：图形Graphics

原因：对非绝热单一混合分数情形，为计算瞬时属性曲线的焓输入太高。 动作：减少为绘制属性曲线图的焓值。

来自：图形Graphics

原因：对非绝热单一混合分数情形，为计算瞬时属性曲线的焓输入太低。 动作：增加为绘制属性曲线图的焓值。

来自：建立Setup 原因：已经被选择经验燃料流选项但无已被定义用来构建燃料的元素。允许的元素有C,H,O,S和N。

动作：在组分列表中添加元素C,H,O,S和N。

来自：建立Setup

原因：已选择经验燃料流选项但还未定义CO2组分。对从经验燃料的加热值计算经验燃料的生成热来说，CO2是必须的。 动作：在组分列表中添加CO2。

来自：建立Setup

原因：已选了经验燃料流选项，但还未定义H2O组分。对从经验燃料的加热值来计算经验燃料的生成热来说，H2O是必须的。 动作：在组分列表中添加H2O。

来自：Files或Setup

原因：prePDF不能打开用于热动力学数据临时存储的文件DBLINK 。 动作：确保有在工作目录中写许可。

来自：Files或Setup

原因：prePDF不能写用于热动力学数据临时存储的文件DBLINK。 动作：确保有硬盘空间。

来自：Solver

原因：出现下列原因之一就会出现该信息： ?温度限不足。

?定义的化学当量不正确。

?富焰限与自动化学当量计算已被用，并且富焰限的值被设得太低。

动作：检查温度限输入。检查化学当量输入。检查富焰限设置。

来自：Solver

原因：定义的化学当量不满足元素平衡。 动作：检查化学当量输入。

来自：Files或Setup

原因：prePDF不能访问热动力学属性数据库。

动作：确保已遵循prePDF安装指南安装并正确设置了所有的环境变量。

来自：Solver

原因：为非绝热计算定义的最高温度比对该混合物的绝热火焰温度低。

动作：增加最高温度限。推荐设置为Tadiabatic＋100K。绝热火焰温度Tadiabatic可通过执行一个绝热计算并观察prePDF预测的瞬时温度对混合分数曲线来计算。

来自：Solver

原因：平衡计算失败。可能有下面几个原因： ?定义的组分列表不恰当。

?为平衡求解器已输入的条件，混合物为液体。

动作：试着使用更好的温度限。按组分列表实验，使用绝热计算，根据在混合分数范围上形成的总量添加或除去组分。试着移动富焰限更接近化学当量混合分数。

来自：Solver

原因：对非绝热计算，prePDF不能构造PDF计算需要的瞬时焓曲线。 动作：该信息应该不出现。联系Fluent雇主获取支持。 14.3.3 FLUENT中非预混模型输入和求解顺序 （Non-Premixed Model Input and Solution Procedures in FLUENT）

对单一混合分数问题和二混合分数问题，在FLUENT中的非预混模型建立和求解顺序略有不同。下面提供每种方法的总体看法。注：FLUENT 的case文件必须始终满足14.1.3节中为非预混模拟法所列的限制。在本节中，提供在FLUENT中关于问题定义和遵循的计算顺序的详细资料。

单一混合分数法 （Single-Mixture-Fraction Approach）

对一个单一混合分数系统，当已经在prePDF中完成混合分数／PDF查询表的计算时，就准备在FLUENT中开始反应流动模拟。在FLUENT中，将求解流场和预测f和f?2（和H*如果系统为非绝热或Xst,d如果系统基于层流小火焰）的空间分布。FLUENT将从查询表中获得隐含温度和单个化学组分质量分数。

二混合分数法 （Two-Mixture-Fraction Approach）

当包含次要流时，除了平均燃料混合分数及其变化变量之外，FLUENT将为平均次要部分分数（psec）及其变化变量求解输运方程。FLUENT将在查询表中为温度，密度和单个化学组分查询瞬时值，为燃料和次要流计算PDF，并为温度，密度和组分计算平均值。

注： 为既避免错误又减慢不必要的计算时间，在prePDF中看看温度和组分表以保证求解充分但又不过分很重要。

第一步：启动FLUENT并读入网格文件 （Start FLUENT and Read a Grid File） 以一般方式启动FLUENT，如1.5节所述，然后读入一个网格文件。模型中入口的数目和类型必须满足非预混模拟方法的限制，如14.2.3节所讨论和图14.1.12，14.1.13和14.1.14所释。

从一个先前的case文件启动非预混计算 （Starting a Non-Premixed Calculation From a Previous Case File）

可为非预混燃烧模拟读入一个预先定义的FLUENT case文件作为起始点。如果该case文件包括与当前非预混燃烧模型矛盾的输入，当打开非预混模型时FLUENT将会警告并将关闭那些矛盾的模型。例如，如果case文件包括的组分与prePDF创建的PDF文件中包括的那些组分不同，这些组分将不能使用。如果case文件中包含与化学数据库中属性数据相冲突的属性描述，这些描述输入将被忽略。

！ 见下面第二步，关于由平热PDF早期版本创建的PDF文件的重要信息。

第二步：激活非预混燃烧模型 （Activate the Non-Premixed Combustion Model）

预备 （Preliminaries）

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