（推荐）第四章-fluent非预混燃烧模型

1、三、非预混模型,非预混燃烧：燃料和氧化剂以相异流进入反应区。,1,非预混模型,假设前提：反应是受混合速率控制，即已经到达化学平衡状态，每个单元内的组分及性质由燃料和氧化剂的湍流混合强度所控制。 非预混模型基本思想： （1）热化学减少成单一参数：混合分数f，f表示所有组分中未知燃料流元素（C、H等）的局部质量分数； （2）质量分数是一个守恒的量，控制方程中不含源项，燃烧被简化为一个混合问题。 模型：平衡混合分数的PDF模型。 （PDF：Probability Density Function:概率密度函数）,2,非预混模型概述,只适应用于非预混 (扩散) 火焰燃烧 假定化学反应过程受混合速率控制

2、 满足局部化学平衡. 控制体（计算单元）组分、物性决定于燃料和氧化剂在该处的混合程度. 化学反应机理不明确. 用化学平衡计算来处理化学反应 (PDF表). 只求解混合物分数及其方差的输运方程, 无需求解组分的输运方程. 可以严格考虑湍流与化学反应的相互作用,3,1、非预混模型理论,定义混合分数f Zi：元素i的质量分数 Zi,ox：氧化剂入口处i元素的质量分数 Zi,fuel：燃料入口处i元素的质量分数 f=0时，已经完全燃烧，f=1时，未开始燃烧。 f表示的计算控制容积里燃料的质量分数。,4,非预混模型理论,由于湍流的紊态对流通常超过分子扩散，故组分传输方程可以被减少为一个单一的关于混合分数

3、f的方程。 平均混合分数脉动值的方程： Sm为液体或固体燃料传入气相中的量；,5,混合分数的优点,（1）将化学反应减少为一个或二个守恒的混合分数； （2）所有的热化学标量（组分浓度、密度和温度）均唯一与混合分数有关； （3）给定系统中的化学性质和化学反应，流场中任意一点的混合分数值可用于计算组分浓度、密度和温度值。,6,由f计算组分浓度,平衡假设：对于化学平衡来说，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法则，对于某个特定的燃烧系统，一个f值对应着一个确定的组分浓度。,平衡假设,7,化学平衡假设,化学反应很快到达平衡. 可以考虑中间组分.,8,绝热与非绝热选择,以下几种情

4、况必须使用 非绝热预混模型方法：,与壁面有对流或辐射传热 入口燃料和氧化剂温度不同 有颗粒或液滴存在,9,2、湍流-化学反应相互作用,之前模型给出的是混合分数f与组分浓度、密度、温度之间的瞬时关系，对于紊态流动，这些值存在脉动，需要求解的是这些脉动量的时间平均值，也就是解决湍流与化学反应之间的相互作用问题。,概率密度函数法（PDF）,10,概率密度函数法-PDF,右图表示在时间T内f随时间的脉动值； 左图的横坐标p(f)即为概率密度函数，表示流动花在状态f的时间分数；,11,概率密度函数p(f),P(f)描述了湍流中f的瞬时脉动值，因此可以用来计算依赖于f的时间平均值，计算公式为： 其中时均值

5、 在FLUENT中表示的是组分浓度、密度或温度。,P(f)函数分布来源：根据浓度脉动值方面的测量，由实验观察结果得到，主要有两个数学函数，双 函数、 函数。,12,PDF计算结果,13,PDF计算结果,温度和混合分数的关系,14,PDF计算结果,组分与混合分数的关系,15,3、非预混模型的使用条件,分离的燃料和氧化剂入口的扩散燃烧 当使用单一混合时，燃料和氧化剂可以使单质或混合物，可以有多个燃料和氧化剂入口，但各个燃料或氧化剂入口的成分必须相同。,16,单个混合分数模拟系统,Fuel/air 扩散火焰: 多氧化剂入口的扩散火焰: 多燃料进口的扩散火焰:,17,非预混模型的使用条件,当使用两个混

6、合分数时，可定义： 两种不同组分燃料+一种氧化剂流、 气液/气煤/液煤混合物+一种氧化剂、两种不同组分氧化剂+一种燃料。 必须是湍流,18,非预混模型小结,优点: 可以计算中间组分. 考虑分裂影响. 考虑湍流化学反应之间作用. 无需求解组分输运方程（特别是多组分），简化计算量 性能好，经济 缺点: 系统必须满足（靠近）局部平衡. 不能用于可压速或非湍流流动. 不能用于预混燃烧.,19,4、FLUENT设置步骤,1、选择非预混模型,2、定义化学模型,选择平衡化学模型,选择绝热或非绝热,定义二次流,经验流（一般用于煤粉燃烧，气相燃料不适用） 需要输入燃料的低位发热量和比热。,20,FLUENT设置

7、步骤,3、定义边界,查找需要的物质,燃料和氧化剂的化学成分,选择需要添加的物质,定义温度,21,FLUENT设置步骤,4、计算查询表,5、显示计算结果,22,煤粉燃烧模拟,三种模拟选项： 煤作为唯一燃料：使用二混合分数，一个是焦炭100%C(s)，另一个是挥发分； 煤作为唯一燃料：使用单混合分数，煤的成分包括焦炭和挥发分； 煤和其它燃料（气体或液体）一起使用：使用二混合分数，分别代表两种燃料；,23,两种模拟方法,传统方法：选择煤燃烧系统的组分列表（如，C3H8, CH4, CO, CO2, H2O(l), H2O, H2, O，C(s), O2, 和N2），还可以选择灰分ash，按照质量分数

8、输入。,24,两种模拟方法,经验燃料法（Empirical Stream）：选择C、H、O、N、S作为基本元素，按照经验值输入元素的质量分数。,25,两种模拟方法,经验燃料法：也可把煤分为焦炭和挥发分，用二混合分数来处理，焦炭输入C(s),挥发分采用元素分析值。 挥发分元素分析值,26,实例演练三、非预混模型,氧化剂入口,燃料1入口,燃料2入口,出口,27,5、层流火焰面模型,Equilibrium：化学平衡假设，燃烧系统总处于平衡状态； Steady Flamelet：局部化学平衡会导致不真实的结果，有些燃烧存在非平衡效应，如射流火焰的抬举和吹熄现象。,28,层流火焰面模型,基本思想： （1

9、）把离散、定常层流火焰成为小火焰，并用之近似模拟紊流火焰； （2）假定个体的小火焰和层流火焰拥有相似的结构，小火焰是由计算或实验得到的； 优点：将实际的动力效应融合在紊流火焰之中； 局限：适用于相对高速的化学反应中，不适合于燃烧速度缓慢的火焰，如点火、熄火和Nox的生成（应选择EDC模型）。,29,火焰的非平衡性,扩散火焰中，燃料和氧化剂遇到活化中心发生反应，产生的热量和组分由火焰中心挥发出去，增加了局部的不平衡性，不平衡性是由于紊流所产生的空气动力学应变引起的。 小火焰模型认为紊流是由紊流流动区域内很薄的局部一维层流小火焰构成？,30,层流火焰面模型,把混合分数 PDF扩展到模拟中度化学非平衡燃烧模拟中； 计算方法：解输运方程中的混合分数变化，为考虑非平衡效果，计算扩散标量，也就是火焰应变比例。,31,火焰面模型理论,用混合分数f和标量函数 来表述化学反应。 （D：扩散系数） 用来量化燃烧非平衡偏离，当 值趋于0时，化学反应区域平衡，当 值增加时，燃烧的非平衡型增加。 模型中温度和组分浓度完全是f和 的函数。,32,火焰面模型的假设和限制条件,模型中只能用单混合分数，不允许使用双混合分数； 假定混合分数f遵循 -pdf函数，耗散标量 遵循双-pdf函数； 以经验为基础的气流不