fluent模拟设置

一、模型

1、能量方程：开启能量方程

2、湍流模型：选用Realizable k-ε湍流模型和标准壁面函数Standard Wall Fn

3、辐射模型，采用离散坐标辐射（DO）模型模拟炉内辐射传热，并设置每进行两次迭代计算后更新一次辐射场，以加快计算收敛速度

4、组分输运+涡耗散化学反应模型（ED），对于碳氢化合物燃烧系统，燃烧反应可能包含有上百个中间反应，其计算工作量大，不便于工程应用。为满足工程问题的需要，目前常采用两步反应系统和四步反应系统。本文中研究的是甲烷燃烧，选用EDM模拟由燃烧引起的传热传质，考虑两步反应，即：

2CH4+3O2=2CO+4H2O

2CO+O2=2CO2

按不可压缩理想气体性质确定气体密度，不考虑分子扩散和气体内部的导热影响，选用分段线性比定压热容。

二、混合物及其构成组分属性 在化学反应模拟过程中，需要定义混合物的属性，也需要对其构成成分的属性进行定义。重要的是在构成成分的属性设置前对混合物的属性进行定义，因为组分特性的输入可能取决于用户所使用的混合物数学定义方式。对于属性输入，一般的顺序是先定义混合物组分、化学反应，并定义混合物的物理属性，然后定义混合物中组分的物理属性。 1、定义混合物中的组分 2、定义化学反应

3、定义混合物的物理属性

4、定义混合物中组分的物理属性

三、边界条件

在仿真中需要设置每个组分的入口质量分数，另外在出口出现回流情况下，对于压力出口用户应该设置组分质量分数。

1、内/外环火孔出口为燃气与一次空气混合气入口，采用速度进口边界条件，重庆燃气的低热值为36.75MJ/m3，理论空气需要量为9.537m3/m3，实测燃气流量为0.42m3/h，实测一次空气系数为0.674，圆形火孔的总面积面积为453mm2，得到火孔出口流速大小为1.913m/s，速度方向垂直于边界。混合气温度为288K，混合气体发射率，各组分体积分数：甲烷13.06%，氧气18.18%，其余为氮气。

2、流体域顶部边界为烟气出口，采用压力出口边界条件，压力为大气压力即表压为零，烟气温度，发射率，烟气组分

3、二次空气进口为速度进口，速度大小为0.1m/s，温度为288K，发射率为，各组分体积分数为氧气0.21，氮气0.79

4、锅底和锅周采用定温边界条件，根据国标测试要求，由水初温19.5℃，水终温50.5℃，取平均值为308K。

5、流体域底部边界为灶台面板，将灶台面板的换热系数设为15.16W/(m2·K)，周围气体的温度设为300K。

四、化学混合和有限速率化学反应的求解步骤 1、化学反应的流动的稳定性和收敛性

由于很多原因，得到化学反应流动的收敛解很困难。首先，化学反应对基本流动方式的影响很强烈，在模型中就形成质量/动量平衡方程和组分输运方程之间的强烈耦合，在燃烧中这种耦合更为强烈，其中的化学反应产生了大量的放热，随之产生密度的变化和流动的加速。然而，当流动特性随组分浓度变化时，所有的反应系统都有不同程度的耦合。这种耦合温度能够通过使用两步求解过程，并通过使用亚松弛方法来很好地解决。

2、两步求解步骤（冷流动仿真）

对于使用ANSYS FLUENT 14.5仿真来说，使用两步过程来求解化学反应流动，可能是达到稳定收敛解的一个实际方法。在该过程中，需要首先关闭化学反应来求解流动、能量和组分方程（“冷流动”或无化学反应流动）。这样，当基本的流动方式已经建立，就可以再激活化学反应并继续计算。冷流动解给出了燃烧系统计算的很好的起始解。对燃烧建模的两步方法可使用下列步骤实现： （1）进行问题的设置，包括了所有关心的组分和化学反应 （2）按照Define→Models→Species→Transport&Reaction的操作打开输运与反应面板，通过关闭Species Model面板上的Volumetric，暂时屏蔽化学反应的计算 （3）在Solution Control面板中单击Equation按钮，打开Equation面板，在面板上关闭生成物组分的计算 （4）计算初始（冷流动）解

（5）再次打开Species Model面板上的Volumetric，激活化学反应的计算

（6）打开所有的方程。如果用户使用了层流有限速率、有限速率/涡耗散、EDC或PDF输运模型来考虑湍流——化学反应相互作用，就可能需要添加点火源。

3、密度亚松弛

燃烧计算难以收敛的一个主要原因是温度上大的变化导致密度上大的变化，这样就依次导致了流动解的不稳定。当用户使用基于压力的求解器时，ANSYS FLUENT 14.5允许用户对密度的变化进行亚松弛处理，以缓解收敛的困难。对密

度亚松弛的默认值为1，但如果用户遭遇了难以收敛的难题，可以将该值减小到0.5～1.0（在Solution COntrols面板上）。

4、燃烧仿真中的点火

如果用户将燃料引入了氧化剂，除非混合物的温度超过了维持燃烧所需要的活化能的阈值，不会发生自燃。如果用户使用了层流有限速率、有限速率/涡耗散、EDC或PDF输运模型来考虑湍流——化学反应相互作用，就必须提供点火源来启动燃烧，该点火源可能是加热的表面或入口质量流，将气体混合物加热到超过所需的点火温度。然而，通常其等价于一个火花：使燃烧能够推进的一种初始解。 为产生点火，用户可以通过在ANSYS FLUENT 14.5模型中包括充分燃料/空气混合物的区域添加入热的温度作为该起始火花，其设置步骤为，在Solution Initialization面板中单击Patch按钮打开Patch面板，然后根据所使用的模型，用户可能需要既加入温度又加入燃料/氧化剂/生成物浓度来在模型中产生点火区域。这种初始的填入值对最终的稳态解没有影响，不会超越与确定所点燃的燃烧区域的最终流动形式相匹配区域的位置。

五、等效比定压热容的引入

与实验测得的燃烧温度相比，也可以看到，模拟得到的温度数据过高，这正是因为涡耗散模拟时只涉及到了两步（反应物-中间产物，中间产物-产物）反应，没有考虑燃烧产物中的CO2、H2O的高位离解热。有研究表明，可以通过增加物质的比热容以得到更理想的温度场。考虑对模型的修正，使燃烧温度与实际接近，获得较为准确的温度场，进而获得更加正确的燃烧状态。 由于涡耗散模型忽略了产物中多原子成分的高温离解热，考虑对CO2和H2O两种气体设定比定压热容的等效系数，该等效系数定义为：

等效比热系数a=CO2（或H2O）的等效比定压热容/CO2（H2O）真实比定压热容

即将CO2（H2O）的真实比定压热容乘以一个修正系数a，模拟当a=1，a=1.5，a=2，a=3时的温度分布情况。

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