焦炉煤气燃烧的数值模拟

7.2焦炉煤气燃烧的数值模拟7.2.1案例简介本案例是利用有限速率反应模型，对焦炉煤气的燃烧过程进行数值模拟。燃烧室二维模型如图7-2-1所示，燃烧室长2000mm，高500mm，焦炉煤气从左侧10mm高的进口高速流入，助燃空气在左侧490mm进口流入，气体燃料与空气在燃烧室内充分混合并燃烧，利用数值模拟计算得出燃烧室内温度场、速度场以及组分浓度等数据。IVEJI图7-2-1燃烧室二维模型图7-2-1燃烧室二维模型7.2.2Fluent求解计算设置启动Fluent-3D双击桌面Fluent14.0图标，进入启动界面。选中Dimensiom3D单选按钮，选中DoublePrecision复选按钮，取消对DisplayOptions下的三个复选按钮的选择。其它保持默认设置即可，单击OK按钮进入Fluent14.0主界面窗口。读入并检查网格执行菜单栏中的File一Read一Mesh命令，在弹出的SelectFile对话框中读入pollutant.msh三维网格文件。执行菜单栏中的Mesh一Info一Size命令，得到如图7-2-3所示的模型网格信息：共有22531个节点，44730个网格面，22200个网格单元。(2)执行菜单栏中的Mesh一Check命令。反馈信息如图7-2-4所示，可以看到计算域三维坐标的上下限，检查最小体积和最小面积是否为负数。LeuelCellsFacesNodesPartitions022200447302253111cellzone,1Facezones.

MeshCheckDomainExtents:x-coordinate:min(m)=-2-,max(m)=2-OOOOaOe+OOy-coordinate:min(m)=0.00000Oe+00vmax(m)=5-0O0000e-O1Uolumestatistics:minimumuolume(m3):1.OOOO0Oe-O6maximumvolume(m3):4-899114e-05totaluolume(m3):1.0OO2BOe+OOFaceareastatistics:minimumFacearea(m2):1_OOOOOOe-GiSmaximumFacearea(m2):1.O0O157e-02CheckingmeshDone.图7-2-4Fluent网格信息求解器参数设置(1)单击选择左边workspace中ProblemSetup一General命令，在出现的General面板中进行求解器的设置。(2)保持面板中的Scale下默认单位为m,保持默认设置，如图7-2-6所示。图7-2-6图7-2-6求解参数设置单击选择ProblemSetup一Model命令，对求解模型进行设置，如图7-2-7所示。双击Models一Energy-off选项(或选中Energy-off，点击Edit)，打开Energy(能量方程)对话框。在弹出的对话框中选择EnergyEquation选项，如图7-2-8所示，单击OK按钮，启动能量方程。在Models面板中双击Viscous-Laminar选项，弹出ViscousModel对话框，湍流模型选择其中的k-epsilon(2eqn)选项，如图7-2-9所示，单击OK完成设置。

图7-2-8能量方程的启动图7-2-7能量方程选择图7-2-8能量方程的启动图7-2-7能量方程选择图7-2-9湍流模型选择(7)再次在Models面板中双击Species-off选项，弹出SpeciesModel窗口，选中SpeciesTransport单选按钮，Reactions下选中Volumetric复选按钮，Option下选中InletDiffusion复选按钮，Turbulence-ChemistryInteraction下选择Finite-Rate/Eddy-Dissipation按钮，如图7-2-10所示，单击OK。图7-2-10图7-2-10组分传输模型选择定义材料物性单击选择ProblemSet叩一Materials命令，在出现的Materials面板中对所需材料进行设置，如图7-2-11所示。双击面板中的Materials一Mixture选项，弹出材料物性参数设置对话框，如图7-2-12所示。材料物性参数设置对话框中，单击FLUENTDatabase按钮，弹出材料数据库窗口，MaterialType下选择fluid选项，选择流体材料下的co(carbon-monoxide)选项，如图7-2-13

所示，单击Copy按钮，复制一氧化碳物性参数到材料创建窗口。在材料创建窗口，单击Change/Create按钮，保存一氧化碳的物性参数。重复上述操作，分别从材料库复制加载Ch4,CO2,H2的材料属性。图7-2-11材料选择面板图7-2-12混合物物性参数

图7-2-13一氧化碳物性参数选择修改混合物的材料属性(1)还是在材料物性参数设置对话框中，单击MixtureSpecies右侧的Edit按钮，弹出材料组分窗口，调整SelectedSpecies下的各个组分，最终组分为ch4、o2、co2、h2o、h2、co、n2，如图7-2-14所示。注意：n2一定是在列表的最后位置。图7-2-14混合物物性修改设置化学反应方程(1)材料物性参数设置对话框中，单击Reaction右侧的Edit按钮，弹出Reactions窗口，设置TotalNumberofReactions为3,表示有3个化学反应。ID设为1，NumberofReactants设置为2,表示反应物为2种，Species下两个下拉菜单分别选择ch4和o2,Stoich.Coefficient分别设置为1和2；NumberofProducts设置为2，表示生成物为2种，Species下两个下拉

菜单分别选择co2和h2o,Stoich.Coefficient分别设置为1和2,其他保持默认，这样就完成了甲烷与氧气化学反应的设置。如图7-2-15所示。（2）重复上述操作，ID分别选择2和3,完成h20和o2,co和o2的化学反应设置。分别如图7-2-16和图7-2-17所示。图7-2-15甲烷与氧气的化学反应设置图7-2-16氢气与氧气的化学反应设置

图7-2-17图7-2-17一氧化碳与氧气的化学反应设置区域条件设置单击选择ProblemSetup一CellZoneConditions命令，在弹出的CellZoneConditions面板中对区域条件进行设置，如图7-2-18所示。选择面板中的Zone一fluid选项，单击Edit弹出Fluid窗口，MaterialName右侧下拉菜单选择mixture-air选项，如图7-2-19所示。图7-2-18区域选择图图7-2-18区域选择图7-2-19区域属性设置边界条件设置单击选择ProblemSetup一BoundaryConditions命令，在打开的BoundaryConditions面板中对边界条件进行设置。双击面板中的Zone一air_in选项，对空气进口进行设置，如图7-2-20所示。

图7-2-20图7-2-20边界选择（3）窗口中默认的Momentum选项卡下，VelocityMagnitude设置为0.5,SpecificationMethod选择湍流强度和水力直径选项，分别设置为10和0.98,选择Species选项卡，设置进口氧气质量分数为0.22。分别如图7-2-21和7-2-22所示，单击OK完成空气条件设置。考VelocityInletfxj更VelocityInletMomentum|ThermalRadiationSpeciesDPMZoneNameairjnMomentum|Thermal|Radiation|考VelocityInletfxj更VelocityInletMomentum|ThermalRadiationSpeciesDPMZoneNameairjnMomentum|Thermal|Radiation|Species|DPMjMultiphase|UD5|IISpecifySpeciesinMoleFractions（4）重复上述操作，对fuel_in边界进行设置。设置VelocityMagnitude为60，湍流强度和水力直径分别设置为10和0.02,进口各组分的质量分数：ch4为0.25,o2为0.005,co2为0.02,h2为0.6,co为0.05。（5）重复上述操作，对出口边界进行设置。设置Thermal选项卡下的回流温度为2500K,如图7-2-23所示。

图7-2-23图7-2-23出口回流温度设置7.2.3求解计算求解控制参数单击选择Solution一SolutionMethods命令，在弹出的SolutionMethods面板中对求解控制参数进行设置。面板中的各个选项采用默认值，如图7-2-30所示。求解松弛因子设置单击选择Solution一SolutionControls命令，在弹出的SolutionControls面板中对求解松弛因子进行设置。松弛因子选择默认设置，如图7-2-31所示。图7-2-30求解方法设置图图7-2-30求解方法设置图7-2-31松弛因子设置收敛临界值设置单击选择Solution一Monitors命令，打开Monitors面板，如图7-2-32所示。双击Monitors面板中Residuals-Print,Plot选项，打开ResidualMonitors对话框，保持默认设置，如图7-2-33所示，单击OK完成设置。

图7-2-32残差设置面板图图7-2-32残差设置面板图7-2-33修改迭代残差流场初始化设置单击选择Solution一SolutionInitialization命令，打开SolutionInitialization面板。在弹出的SolutionInitialization面板中进行初始化设置。InitializationMethods下选择StandardInitialization选项，Computefrom下的下拉菜单选择all-zones,设置初始化温度为2000K,其他保持默认，单击Initialize完成初始化，如图7-2-34所示。图7-2-34图7-2-34流场初始化设定迭代计算(1)选择File一Write一Case&Data...命令，弹出SelectFile窗口，保存为gaseouscombustion.cas和gaseouscombustion.data。单击选择Solution一RunCalculation命令，打开RunCalculation面板。设置NumberofIterations设置为1000，如图7-2-35所示。单击Calculate按钮进行迭代计算。

进行460步迭代计算之后，残差达到收敛最低限，如图7-2-36所示。RunCalculationCalculatesDataFileRunCalculationCalculatesDataFileQuantities,,,]CheckCase...图7-2-35迭代设置对话框图图7-2-35迭代设置对话框图7-2-36迭代残差曲线图Isn-Hn-H-HA0^-2m-RH-v-ynRmllC^XLHR-HC-UEDnr=二二=7.2.4计算结果后处理及分析1.温度场云图单击选择Results一GraphicsandAnimations命令，打开GraphicsandAnimations面板。双击Graphics一Contours(或者选中Contours,然后单击SetUp)选项，打开Contours窗口，Options下选择Filled选项，Contoursof下选择Temperature选项，如图7-2-38所示，单击Display弹出温度云图窗口，如图7-2-39所示。由图可看出，随着反应的进行，由喷口向燃烧器内部温度逐渐升高，且在中间区域温度最高，达到2500K。重复上述操作，Conoursof第一个下拉菜单选择Species选项，第二个下拉菜单选择Massfractionofch4选项，单击Display，弹出甲烷质量分数云图，如图7-2-40所示。重复上述操作，依次完成氢气、一氧化碳、二氧化碳、氧气和水的质量分数云图绘制。分别如图7-2-41、7-2-42、7-2-43、7-2-44和7-2-45所示。■2.51e-012.39e-01I2.26e-01I2.13C-01'2.0U-011.88e-011.76e-011.63e-011.51e-011.38e-01126e-011.13e-011.00e-01I8.79e-027.53e-02I6.28e-02I5.02e-02I3.77e-02I2.51*021.26*02*0.00e*00图7-2-38温度云图绘图设置I2.50e+03|2.39e+032.28e+032.17e+032.06e+031.95e+031.84e+03173e+031.62e+031.51e+031.40e+031.29e+031.18e+031.07e+039.60e+028.50e+027.40e+02I6.30e+025.20e+024.10e+02I3.00e+02图7-2-39温度场云图6.03e-01，573e-015.42e-015.12e-014.82e-014.52e-014.22e-013.92e-01■2.51e-012.39e-01I2.26e-01I2.13C-01'2.0U-011.88e-011.76e-011