Fluent燃烧模型

FLUENT燃烧简介

FLUENT软件中包含多种燃烧模型、辐射模型及与燃烧相关的湍流模型，适用于各种复杂情况下的燃烧问题，包括固 体火箭发动机和液体火箭发动机中的燃烧过程、燃气轮机中的燃烧室、民用锅炉、工业熔炉及加热器等。

1.1 FLUENT燃烧模拟方法概要

燃烧模型是FLUENT软件优于其它CFD软件的最主要的特征之一。FLUENT可以模拟宽广范围内的燃烧问题。然而，需要注意的是：你必须保证你所使用的物理模型要适合你所研究的问题。FLUENT在模拟燃烧中的应用可如下图所示：

离散相模型输运方程连续性动量能量 化学组分污染物模型气相燃烧模型预混燃烧 部分预混燃烧扩散燃烧 热辐射和传热模型 图 1 FLUENT模拟过程中所需的物理模型

1.1.1 气相燃烧模型

一般的有限速率形式(Magnussen模型) 守恒标量的PDF模型(单或二组分混合分数) 层流火焰面模型(Laminar flamelet model) Zimount 模型

1.1.2 离散相模型

煤燃烧与喷雾燃烧

1.1.3 热辐射模型

DTRM，P-1，Rosseland 和 Discrete Ordinates 模型

1.1.4 污染物模型

NO

FLUENT燃烧简介

FLUENT软件中包含多种燃烧模型、辐射模型及与燃烧相关的湍流模型，适用于各种复杂情况下的燃烧问题，包括固 体火箭发动机和液体火箭发动机中的燃烧过程、燃气轮机中的燃烧室、民用锅炉、工业熔炉及加热器等。

1.1 FLUENT燃烧模拟方法概要

燃烧模型是FLUENT软件优于其它CFD软件的最主要的特征之一。FLUENT可以模拟宽广范围内的燃烧问题。然而，需要注意的是：你必须保证你所使用的物理模型要适合你所研究的问题。FLUENT在模拟燃烧中的应用可如下图所示：

离散相模型输运方程连续性动量能量 化学组分污染物模型气相燃烧模型预混燃烧 部分预混燃烧扩散燃烧 热辐射和传热模型 图 1 FLUENT模拟过程中所需的物理模型

1.1.1 气相燃烧模型

一般的有限速率形式(Magnussen模型) 守恒标量的PDF模型(单或二组分混合分数) 层流火焰面模型(Laminar flamelet model) Zimount 模型

1.1.2 离散相模型

煤燃烧与喷雾燃烧

1.1.3 热辐射模型

DTRM，P-1，Rosseland 和 Discrete Ordinates 模型

1.1.4 污染物模型

NO

第十章

各小节的具体内容是： 10．1 10．2 10．3 10．4 10．5 10．6 10．7 10．8 10．9

简介 选择湍流模型 Spalart-Allmaras 模型 标准、RNG和k-e相关模型 标准和SST k-ω模型 雷诺兹压力模型 大型艾迪仿真模型 边界层湍流的近壁处理 湍流仿真模型的网格划分 湍流模型问题的解决方法

湍流模型

本章主要介绍Fluent所使用的各种湍流模型及使用方法。

10．10 湍流模型的问题提出 10．11

10．12 湍流模型的后处理

10．1 简介 湍流出现在速度变动的地方。这种波动使得流体介质之间相互交换动量、能量和浓度变化，而且引起了数量的波动。由于这种波动是小尺度且是高频率的，所以在实际工程计算中直接模拟的话对计算机的要求会很高。实际上瞬时控制方程可能在时间上、空间上是均匀的，或者可以人为的改变尺度，这样修改后的方程耗费较少的计算机。但是，修改后的方程可能包含有我们所不知的变量，湍流模型需要用已知变量来确定这些变量。 FLUENT 提供了以下湍流模型： ·Spalart-Allmaras 模型 ·k-e 模型 －标准k-e 模型 －Renormalizatio

计算流体力学作业FLUENT 模拟燃烧

组分传输与气体燃烧 问题描述：长为2m、直径为0.45m的圆筒形燃烧器结构如图1所示，燃烧筒壁上嵌有三块厚为0.0005 m，高0.05 m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0.01 m、长为0.01 m、壁厚为0.002 m的小喷嘴，甲烷以60 m/s的速度从小喷嘴注入燃烧器。空气从喷嘴周围以0.5 m/s的速度进入燃烧器。总当量比大约是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，基于甲烷喷嘴直径的雷诺数约为5.7×103。

假定燃料完全燃烧并转换为: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。利用FLUENT的finite-rate化学反应模型对一个圆筒形燃烧器内的甲烷和空气的混合物的流动和燃烧过程进行研究。

1、 建立物理模型，选择材料属性，定义带化学组分混合与反应的湍流流动边界条件 2、 使用非耦合求解器求解燃烧问题

3、 对燃烧组分的比热分别为常量和变量的情况进行计算，并比较其结果 4、 利用分布云图检查反应流的计算结果 5、 预测热力型和

预混燃烧的燃烧模型

摘要

为了达到抑制污染物排放，实现燃料的清洁燃烧的目的，人们采取了很多办法。“节能减排”促使燃烧系统采用贫燃燃烧技术，它具有降低NOx、CO等污染物，提高燃烧效率的作用。但这种燃烧方式的燃烧极限范围很窄，而且火焰稳定性差，容易诱发燃烧系统的不稳定性，如火焰的热声耦合振荡，这种不稳定性会造成更大的污染和浪费。新型燃烧器的设计必须克服这些缺点，以达到“节能减排”的目的。

首先本文以FLUENT软件为平台，构建了合理的数学物理模型，对甲烷-空气预混燃烧过程进行了数值模拟，实验证明，贫燃料燃烧及贫氧燃烧都可以起到降低污染物排放的目的。并利用数值模拟的方法针对不同燃烧模型的情况下甲烷的预混燃烧的特性进行分析，观察其速度场、温度场、以及污染物（NOX）的分布情况，发现预混燃烧的相关规律，寻求燃烧的最佳工况。

其次本文了解不同燃烧模型对流场结构、燃烧结构的影响，与实验结果比较，探讨如何改进数值模拟，提高设计精度，同时找出预混火焰稳定性规律，探讨抑制燃烧不稳定性的策略。

本文通过数值计算，得到了在不同燃烧模型下柱状燃烧室内甲烷燃烧的数值模拟结果，分析发现，燃烧模型的不同对甲烷燃烧特性的影响也不同。通过对燃烧速度分布图，火焰温度分布云图

1.多相流动模式

我们可以根据下面的原则对多相流分成四类： ? 气-液或者液-液两相流：

o 气泡流动：连续流体中的气泡或者液泡。 o 液滴流动：连续气体中的离散流体液滴。 o 活塞流动: 在连续流体中的大的气泡

o 分层自由面流动：由明显的分界面隔开的非混合流体流动。 ? 气-固两相流：

o 充满粒子的流动：连续气体流动中有离散的固体粒子。

o 气动输运：流动模式依赖诸如固体载荷、雷诺数和粒子属性等因素。最典型 的模式有沙子的流动，泥浆流，填充床，以及各向同性流。

o 流化床：由一个盛有粒子的竖直圆筒构成，气体从一个分散器导入筒内。从 床底不断充入的气体使得颗粒得以悬浮。改变气体的流量，就会有气泡不断 的出现并穿过整个容器，从而使得颗粒在床内得到充分混合。 ? 液-固两相流

o 泥浆流：流体中的颗粒输运。液-固两相流的基本特征不同于液体中固体颗 粒的流动。在泥浆流中，Stokes 数通常小于1。当Stokes数大于1 时，流动成为流化（fluidization）了的液-固流动。 o 水力运输: 在连续流体中密布着固体颗粒

o 沉降运动: 在有一定高度的成有液体的容器内，初始时刻均匀散布着颗粒物 质。随后，流体将会分层，在容器底部因为颗粒的不

ANSYS 15.0 系列测试报告

FLUENT 15.0 VOF模型

测试人：崔亮 安世亚太公司

测试时间：2013.12.01

1、仿真平台

HP Z820工作站，Intel Xeon E5-2690 * 2，内存64GB，2TB SATA硬盘。安装ANSYS 15.0 Preview3版本。

2、仿真模型

对某车型上带有底部隔板的油箱，在车辆加速时油箱内燃油晃动的瞬态过程进行瞬态仿真分析，网格单元数约10万，使用FLUENT的VOF模型计算空气和燃油的两相交界面。重点考察FLUENT 15.0中VOF模型的计算效率和两相交界面捕捉精度的提升。

测试案例的几何形状

测试案例的网格模型

3、试用情况

1）.稳定性

在整个试用过程中，软件保持稳定，未出现任何不流畅、死机、系统崩溃等情况。

2）.流畅度

模型拖动、旋转、缩放等操作十分流畅，模型设定及求解过程操作十分流畅。

3）.效率

该模型使用0.0005秒的时间步长进行瞬态计算，共计算了2000步，共计1.0秒时长。使用15.0 Preview3版本所用的计算时间为3693秒。之前使用13.0版本计算该模型所用计算时间为4381秒。新版本提速15.7%。

4）.硬件资源调用情况

由于该模型网格数量较少，仅使用单核进行求解计算。

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

7.19.6 User Inputs for Porous Media

When you are modeling a porous region, the only additional inputs for the problem setup are as follows. Optional inputs are indicated as such. 1. Define the porous zone.

2. Define the porous velocity formulation. (optional)

3. Identify the fluid material flowing through the porous medium. 4. Enable reactions for the porous zone, if appropriate, and select the reaction mechanism.

5. Enable the Relative Velocity Resistance Formulation. By default, this option is already enabled an

(2) 计算燃烧学的研究目标：构造、检验和发展基

本方程及理论模型，提高他们的可靠性、准确

第一章 绪论

性和实用性；改进数值方法，在保证计算精度的同时提高计算速度和经济性；改善绘图及仿真软件，通告速度和直观性；提供“使用方便

1.1计算燃烧学的研究对象和目标

(1) 研究对象：对流体流动、传热传质和燃烧过程

进行计算机模拟的

基本方程（连续方程、动量方程、能量方程、组分方程）、

理论模型（湍流输运、湍流燃烧、辐射换热、多组分化学反应和多项问题）、

数值方法（研究体系的网格化、控制方程的离散化和求解方法）

计算机程序（计算程序、绘图程序、仿真程序）

性”强的计算、绘图及仿真软件，，方便使用。

1.2 计算燃烧学的意义

(1) 使燃烧上升到系统理论 (2) 是设计、科研和教学的手段 (3) 有助于学科发展和开拓新领域

1.3计算燃烧学的发展简史

燃烧的定义：燃烧室一种带有剧烈放热化学反

基本方程（连续方程、

动量方程、能量方程、

组分方程）理论模型（湍流输运、湍流燃烧、辐射换热、多组分化学反应和多项

问题）

对流体流动、传热传质和燃烧过程进行计算机

模拟的

数值方法（研究体系的网格化、控制方程的离散化和求解方法）

计算机程序（计算程序、绘图程序、仿真程序）

在科研、工程