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。图7-2-1燃烧室二维模型7.2.2Fluent求解计算设置1．启动Fluent-3D（1）双击桌面Fluent14.0图标，进入启动界面。（2）选中Dimension→3D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。（3）其它保持默认设置即可，单击OK按钮进入Fluent14.0主界面窗口。2．读入并检查网格（1）执行菜单栏中的File→Read→Mesh命令，在弹出的SelectFile对话框中读入pollutant.msh三维网格文件。（2）执行菜单栏中的Mesh→Info→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→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。图7-2-3Fluent网格数量信息图7-2-4Fluent网格信息3．求解器参数设置（1）单击选择左边workspace中ProblemSetup→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求解参数设置（3）单击选择ProblemSetup→Model命令，对求解模型进行设置，如图7-2-7所示。（4）双击Models→Energy-off选项（或选中Energy-off，点击Edit），打开Energy（能量方程）对话框。（5）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。（6）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7-2-7能量方程选择 图7-2-8能量方程的启动图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组分传输模型选择4．定义材料物性（1）单击选择ProblemSetup→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。（2）双击面板中的Materials→Mixture选项，弹出材料物性参数设置对话框，如图7-2-12所示。（3）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。（4）在材料创建窗口，单击Change/Create按钮，保存一氧化碳的物性参数。（5）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5，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6．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7-2-17一氧化碳与氧气的化学反应设置5．区域条件设置（1）单击选择ProblemSetup→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。（2）选择面板中的Zone→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7-2-19区域属性设置6．边界条件设置（1）单击选择ProblemSetup→BoundaryConditions命令，在打开的BoundaryConditions面板中对边界条件进行设置。（2）双击面板中的Zone→air_in选项，对空气进口进行设置，如图7-2-20所示。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。图7-2-21空气进口边界条件设置（1）图7-2-22空气进口边界条件设置（2）（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出口回流温度设置7.2.3求解计算1．求解控制参数（1）单击选择Solution→SolutionMethods命令，在弹出的SolutionMethods面板中对求解控制参数进行设置。（2）面板中的各个选项采用默认值，如图7-2-30所示。2．求解松弛因子设置（1）单击选择Solution→SolutionControls命令，在弹出的SolutionControls面板中对求解松弛因子进行设置。（2）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7-2-31松弛因子设置3．收敛临界值设置（1）单击选择Solution→Monitors命令，打开Monitors面板，如图7-2-32所示。（2）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7-2-33修改迭代残差4．流场初始化设置（1）单击选择Solution→SolutionInitialization命令，打开SolutionInitialization面板。（2）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流场初始化设定5．迭代计算（1）选择File→Write→Case&Data…命令，弹出SelectFile窗口，保存为gaseouscombustion.cas和gaseouscombustion.data。（3）单击选择Solution→RunCalculation命令，打开RunCalculation面板。（4）设置NumberofIterations设置为1000，如图7-2-35所示。（5）单击Calculate按钮进行迭代计算。（6）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。 图7-2-35迭代设置对话框图7-2-36迭代残差曲线图7.2.4计算结果后处理及分析1．温度场云图（1）单击选择Results→GraphicsandAnimations命令，打开GraphicsandAnimations面板。（2）双击Graphics→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。（3）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。（4）重复上述操作，依次完成氢气、一氧化碳、