CFD燃烧仿真技术教程

FLUENT燃烧模拟培训一、FLUENT燃烧模拟简介1、燃烧的应用近代燃烧科学的发展化学热力学（19世纪）：燃烧装置作为热力学体系，研究初态和终态之间的关系；化学动力学（1930）：链式反应机理，提出火焰传播概念；反应流体力学、燃烧空气动力学（1950）：采用经典力学方法来研究燃烧过程；计算燃烧学（1970）：采用计算机数值模拟求解燃烧问题。计算燃烧学的发展1960-1970：Spalding得到了边界层燃烧问题数值解，接着提出了湍流燃烧模型；Spalding进一步建立了多相化学流体力学方程组，并提出相应的数值解法；1980-至今：迅速发展时期，能对复杂几何形状的燃烧装置和复杂燃烧过程进行数值模拟，如燃气轮机、火箭发动机等系统中的多相湍流反应过程。燃烧模拟的应用广泛应用与均相和非均相燃烧过程模拟燃烧炉锅炉加热器燃气轮机火箭发动机求解内容流场流动特性及其混合特性温度场组分浓度场颗粒和污染物排放TemperatureinagasfurnaceCO2massfractionStreamfunction2、FLUENT软件数值模拟简介连续性方程：动量守恒方程（N-S方程）：能量方程：组分守恒方程：FLUENT求解器基于压力或密度解法隐式或显式2D、3D、对称、旋转稳态或非稳态速度绝对或相对值3、燃烧模拟概要稀疏相模型液滴/颗粒动力学非均相反应液化蒸发输运控制方程质量动量(湍流)能量化学组分燃烧模型预混局部预混非预混燃烧污染物模型辐射换热模型FLUENT燃烧模拟概述组分与化学反应概述气相反应：气体燃烧、Nox等污染物的生成；固体壁面处的表面反应：化学蒸汽沉积；粒子表面反应：炭粒燃烧等。FLUENT可以模拟的几种化学反应：FLUENT中的反应流模型快速化学模型预混模型非预混模型部分预混模型有限速度化学模型层流有限速度模型涡耗散模型(EDM)涡耗散概念模型(EDC)组分PDF输运模型其它模型离散相模型(DPM)污染物生成模型(PollutantFormationModels)表面反应燃烧模拟的难点湍流：大多数工业生产流动都是湍流，时间和空间尺度较大，DNS方法并不适用；化学：现实中的化学反应不能用单一反应方程来表示，很多反应机理还不清楚；湍流与燃烧的交互作用：反应率的变化与湍流中物质混合程度又密切关系。4、化学反应动力学计算化学反应速率的Arrhenius公式：可用于计算层流燃烧问题5、湍流流动与化学反应湍流流动与化学反应之间的相互作用湍流燃烧的数值模拟难点与挑战多数实际的燃烧过程是湍流；化学反应速率高度非线性，

湍流－化学反应高度耦合，相互作用很重要；真实化学反应机理包含数十个组分,数百个基元反应，并且方程组极具刚性(基元化学反应时间尺度相差大)。实际处理方法简化化学反应机理有限速率燃烧模型考虑湍流及其混合、弱化反应化学混合分数模型平衡化学的PDF模型层流火焰面模型进展变量模型Zimont

模型（预混模型）湍流燃烧湍流燃烧：湍流+化学反应+传热传质特征：强非线性、高度耦合与关联、高度随机性。湍流燃烧模拟基本思想：（1）分别独立描述湍流流动和化学反应过程；（2）考虑湍流流动与化学反应的相互作用。关键：计算化学反应速率。湍流燃烧湍流燃烧的主要影响因素：湍流混合；

分子扩散；

化学动力学。根本目标：

非线性源项的封闭；

湍流流动与化学反应的耦合。FLUENT燃烧模型有限速率模型

求解组分的质量分数输运方程，化学反应机理由用户自己定义。非预混燃烧模型

该模型中并不求解单个组分的输运方程，而是求解一个或者两个守恒标量（混合分数）的输运方程。

预混燃烧模型模拟完全混合的燃烧问题。充分混合的燃烧物和产物被火焰前锋分隔，求解出的化学反应进展变量来描述该火焰前峰的位置。部分预混燃烧模型

该模型用来处理系统中同时具有非预混和充分预混的情况。该方法同时求解了混合分数和反应进展变量。二、Gambit网格划分基本步骤：（1）构建几何模型，生成面和体；（2）按照线、面、体依次进行网格划分；（3）定义进出口边界条件、壁面及区域。构建几何模型网格划分定义边界条件及区域边界层边界层：在和边或面相邻的区域的网格节点步长。它们用于初步控制网格密度，从而控制特定区域内计算模型中有效信息的数量。Jan.11.2012Inventory#002600FLUENT示例：流体流过管道的圆柱的计算模型，正常情况下，在紧靠管道壁面的区域内流体速度梯度很大，而靠近管路中心很小，通过对壁面加入一个边界层，用户可以增大靠近壁面区域的网格密度。边界层网格划分第一列高度增长因子边界层列数过渡类型作用边界层处速度梯度大边界层ModifyBoundaryLayer中，用户须修改的信息和CreateBoundaryLayer命令中一样。1）2）3）4）5)自动生成View3DBoundaryLayers边界层网格划分线网格划分网格大小（数量）

根据实际装置尺寸而定；变量变化剧烈的区域应该稠密一些；

长宽比应尽量接近于1，（某个个方向变化率较大时可采用狭长容积）。比例因子

相邻控制容积尺寸比值应保持在0.8-1.2之间。MeshEdges命令允许用户进行一条或多条边的网格划分1）应用分级设定的边2）分级方案3）网格节点步长（间隔数目）4）边网格划分选项边网格划分边的网格划分2）分级方案Gambit提供了以下类型的边网格划分分级方案：

SuccessiveRatioFirstLengthLastLengthFirstLastRatioLastFirstRatioExponent

Bi-exponentBellShaped非对称格式，产生的分级形式不需要关于边的中心对称对称格式，限制关于边中心对称的分级类型线网格划分狭长型网格长宽比不要超过5；燃烧反应的区域网格尽量细化。面网格划分进行一个面网格划分，用户必须设定以下参数：1）要网格划分的面2）网格划分的形式3）网格节点的间距4）面网格划分选项面网格划分X表示Elements和Type能够匹配面网格划分Quad：四边形网格Tri：三角形网格Quad/Tri:主要是四边形网格，用户指定位置为三角形网格。Map：普通结构化网格Pave：非结构化单元网格面网格划分举例三角形网格不一定比四边形网格差，要保证局部网格的稠密性；避免在几何图形中出现尖角、死角结构；适当控制网格的长宽比（最好不要超过5）平整面网格SmoothFacesMeshes命令将调整一个或者多个面网格节点的位置用户需设定以下参数：1）要平整的网格面2）平整方式L-WLaplalian：在每个节点周围使用单元的平均变长（趋向平均单元边长）CentroidArea：平衡相邻单元的面积Winslow：优化单元格的正交性（仅仅适用于四边形单元）划分体网格MeshVolumes命令设置参数：1、要进行网格划分的体积2、网格划分形式3、网格节点步长4、网格划分选项体网格划分Hex：六面体网格Hex/Wedge：六面体或五面体网格；Tet/Hybird：四面体网格为主；Map：六面体结构化网格；Cooper：扫描体积网格类型Tet/Hybird：四面体网格为主；体网格光顺化SmoothVolumeMeshes在一个或多个体积上光顺化网格节点。1、选择要光顺化的体积；2、光顺化方案L-WLapiacian:使每个节点周围单元平均边长；Equipotential：使节点周围单元体积相等。体网格划分技巧首先画线网格和部分面网格；尽量采用五面体和六面体网格，以控制网格数量；复杂结构考虑分块画网格，避免把所有几何组合成一个整体；体网格划分技巧重点注意使用Hex-Cooper画网格方法。对于壁面厚度不必画网格，到FLUENT边界条件处设置。定义为wall边界条件定义壁厚及导热网格质量检查网格歪斜度：越小网格质量越高，如果出现>0.97时会报错。网格总数网格质量检查1、选择检查的网格类型；2、调整不同平面，查看网格结构；3、查看网格质量分布。网格质量较差情况质量不好扭曲的网格低质量网格通常出现在几何模型的连接区域，结构简化很重要！！网格质量差的区域网格划分失败！相切的地方最容易出现扭曲的网格，可在允许范围内适当地移动距离。网格质量控制方法1、根据所研究的几何模型，在保证模拟真实性的基础上尽量简化几何结构，尽量避免出现尖锐的角区域；2、尽可能采用Gambit默认的网格划分方案去进行网格划分；3、以模拟计算结果作为评价标准实例演练一、3d网格划分网格划分例子对称结构要进行简化；燃烧区域网格细化；大小网格之间一定要有过渡；想办法提高网格质量，这是引起计算发散的最主要原因；一定要进行网格独立性检验（5mm），注意网格数量。燃烧+辐射模型：网格数量控制在200万个以内。经验ICEM画网格软件几何修补能力分块画网格技术六面体结构化网格为主，正交网格，混合网格支持多种模拟软件接口，具有高级网格编辑功能。网格划分总结反复调试确定网格疏密程度，确保获得网格独立解，以至于在进一步加密网格后对数值计算结果无影响—网格独立性检验；这是进行任何数值模拟的前提与基础！！！网格划分总结根据计算结果反过来修改网格，使网格的疏密程度分布与计算物理场(速度、压力等)的局部变化率更好地适应—网格自适应。网格自适应步骤举例：Adapt-Gradiant-1、选择需要调整的量2、输入细化阈值3、计算需要调整的网格数量4、进行网格自适应网格自适应举例温度梯度原网格调整后的网格三、有限速率燃烧模型层流有限速率模型有限速率/涡耗散模型（EDM）涡耗散模型（EDM）涡耗散概念模型（EDC）有限速率模型概述用总包机理反应描述化学反应过程.求解化学组分输运方程，反应速率以源项形式出现：组分j的源项(产生或消耗）是机理中所有k个反应的净反应速率:

Rjk

：第k个化学反应生成或消耗的j组分。（根据Arrhenius速率公式、漩涡耗散等理论进行计算）.

1、层流有限速率模型特点：使用Arrhenius公式计算反应速率作为源项，忽略湍流脉动的影响。使用范围：反应缓慢、湍流脉动较小的燃烧。E:反应活化能CA、CB：反应物浓度a、b：化学反应计量数K0：指前因子Arrhenius化学动力学的高度非线性性，模拟结果一般不精确！三种特殊情况1、有逆向反应反应速率公式反应r中反应物i的化学计量数反应r中生成物i的化学计量数反应r的正向速率常数反应r中反应物i的化学计量数反应r中每种反应物或生成物j的正向反应速度指数反应r中每种反应物或生成物j的逆向反应速度指数三种特殊情况2、第三体的影响3、压力独立反应

反应发生在高压和低压限制之间，不仅仅依赖于温度。FLUENT相关设置1、选择模型2、定义材料FLUENT相关设置3、定义化学反应特殊情况指前因子和活化能化学反应式使用不多，不做举例介绍FLUENT相关设置4、设置点火区域Solve-initiaze-patch2、涡耗散模型快速燃烧假设：化学反应速率与湍流混合（扩散）速率相比无穷快，即湍流燃烧过程由燃料和氧化剂的混合过程控制。整体反应速率由湍流混合控制；Damkohiler数：涡耗散模型概述非预混火焰中：湍流“缓慢地”通过对流作用，使燃料和氧化剂进入反应区，在反应区内快速地燃烧；非预混火焰中：湍流作用使冷的反应物和热的生成物进入反应区，在反应区快速地燃烧；燃料和氧化剂进入反应区快速地发生反应，燃烧成为混合限制的，即扩散控制的燃烧；忽略了复杂、未知的化学反应动力学速率；涡耗散模型概述假设：认为化学反应速率取决于未燃气体微团在湍流作用下破碎成更小微团的速率；公式：特征：突出了湍流混合对燃烧速率的控制作用；缺点：未考虑分子输运和化学动力学因素的影响，过于粗糙。涡耗散模型理论YP：产物的质量分数YR：反应物的质量分数A、B：经验常数，A=4.0，B=0.5；

反应速率计算（取较小者）反应r中反应物i的化学计量数反应r中生成物i的化学计量数控制反应速率涡耗散模型理论反应速率由大涡混合时间尺度控制，只要出现>0的情况，燃烧即可进行，故不需要点火源；常用于非预混火焰；但在预混火焰中，反应物一进入计算区域就开始燃烧，该模型计算的燃烧会出现超前性，故一般不单独使用。FLUENT相关设置1、选择能量方程和湍流模型2、选择涡耗散模型FLUENT相关设置3、在设置材料处产看相关反应反应速率由大涡混合时间尺度控制，不需要设置点火源。FLUENT相关设置4、初始化时设置产物质量比例为0.01，用于启动反应。涡耗散模型的使用适用条件：湍流（高Re数），快速化学反应（高Da数），预混、非预混、部分预混；案例：气体反应、煤燃烧；限制条件：（1）混合时间和反应时间相似时不可靠；（2）没有从化学动力学角度去控制中间物质；（3）不能模拟点燃、熄灭等动力学细节现象。涡耗散模型举例燃气入口点火燃烧：150m/s烟气出口物理模型实例演练二、涡耗散模型模型及边界条件功率：16kw,天然气作为燃料；模型：涡破碎燃烧模型（EDC），

离散坐标辐射模型（DO）；管壁：601合金，3mm厚，发射率0.85；炉温：950℃空气预热温度：627℃排烟压力：-500pa3、有限速率/涡耗散模型简单结合了Arrhenius公式和涡耗散方程。避免预混燃烧中，ED模型出现的提前燃烧问题。有限速率/涡耗散模型同时计算Arrhenius公式和涡耗散方程；净反应速率取两个速率中的较小值。Arrhenius速率：作为动力学开关，阻止反应发生在火焰稳定器之前；点燃后，涡耗散速率一般小于Arrhenius速率。有限速率/涡耗散模型优缺点优点：结合了动力学因素和湍流因素；缺点：只能用于单步或双步反应。（1）多步反应机理基于Arrhenius速率，每个反应的都不一样；（2）涡耗散模型中，每个反应都有同样的湍流速率；（3）不能预测化学动力学控制的物质，如活性物质。4、涡耗散概念模型Eddy-DissipationConceptEDC模型理论是涡耗散模型的扩展，在湍流流动中包括了详细的化学反应机理，假定化学反应都发生在小涡当中，反应时间由小涡的生存时间和化学反应本社所需要的时间来共同控制；小涡的尺度由下式计算：认为物质在这个尺度中，反应经过一个时间尺度：容积比率常数，=2.1377时间尺度常数，=0.4082EDC模型理论FLUENT中，小涡的化学反应发生在等条件下，初始条件为单元中当前的组分和温度，速率计算采用Arrhenius公式，采用数值积分的方法来计算经过一个时间后的反应物状态。源项计算公式：组分守恒方程EDC模型特点湍流反应中考虑了详细的化学反应机理；数值积分计算开销很大，计算速度较慢；在快速化学反应假定无效的情况下使用该模型，即低Da数，如快速熄灭火焰中中CO缓慢燃烧、NOx的生成等；推荐使用双精度求解器，避免反应速率中指前因子和活化能产生的误差。EDC模型的使用适用条件：湍流，低Da数，预混、非预混和部分预混燃烧；案例：（1）湍流反应中的预混合有限比例现象；（2）CO的缓慢燃烧；（3）NOx的形成.限制条件：占用CPU资源较多，默认使用ISAT算法加速EDC模型FLUENT设置1、选择EDC模型容积比例常数时间比例常数EDC模型FLUENT设置2、查看化学反应（define-materials-reaction）计算化学反应速率，定义活化能和指前因子FLUENT相关设置3、设置点火高温区域Solve-initiaze-patch5、有限速率模型总结模型层流有限速率有限速率/EDMEDMEDC特点使用Arrhenius计算燃烧速率，忽略湍流脉动影响反应速率取Arrhenius和涡耗散方程较小者反应速率由湍流混合控制在湍流流动中包含了详细的化学反应机理适用条件层流火焰单步、双步反应非预混火焰快速化学反应假定无效的情况缺点不适合湍流燃烧不适合多步反应忽略了复杂的化学动力学因素占用计算机内存很大三、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。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：ProbabilityDensityFunction:概率密度函数）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1、非预混模型理论定义混合分数fZi：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。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；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。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。平衡假设化学平衡假设化学反应很快到达平衡.可以考虑中间组分.绝热与非绝热选择以下几种情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）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；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。PDF计算结果PDF计算结果温度和混合分数的关系PDF计算结果组分与混合分数的关系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。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:非预混模型的使用条件当使用两个混合分数时，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.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。FLUENT设置步骤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FLUENT设置步骤4、计算查询表5、显示计算结果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；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，按照质量分数输入。近似分析重量％kg（DAF）Moles（DAF）摩尔分数（DAF）挥发分C3H8CO固定碳（C(s)）灰3060100.18330.11670.6-0.04170.04170.6-0.07150.07150.8570-总量0.58341.0两种模拟方法经验燃料法（EmpiricalStream）：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。元素Wt％（DAF）Wt%（DAF）C89.389.3H5.05.0O3.43.4N1.52.3S0.8-两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。挥发分元素分析值元素质量Wt%摩尔摩尔分数C（89.3～69.6）0.655.40.24H5.00.16160.70O3.40.110.70.03N2.30.080.60.03总量30.422.7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；SteadyFlamelet：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。层流火焰面模型基本思想：（1）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）。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？？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。小火焰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。小火焰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δ-pdf函数；以经验为基础的气流不能用于小火焰模型。小火焰模型的使用适用条件：高速湍流，适度的非平衡，非预混；案例：（1）预测喷流火焰中的发射和吹出现象；（2）内燃机（柴油机非定常火焰子模型）限制条件：不能模拟点火、熄灭和低Da数情况。FLUENT设置需要从CHEMKIN导入物质的热力性质、传输和反应数据。四、预混燃烧模型预混燃烧：燃料和氧化剂在点火之前进行分子级别的混合，反应在燃烧区域发生，这个区域将未燃烧的反应物和燃烧产物分开。如吸气式内燃机、稀薄燃气轮机的燃烧器、气体泄漏爆炸等。预混燃烧模拟的难点预混燃烧通常作为薄层火焰产生，被湍流拉伸或扭曲，火焰传播的整体速率受层流火焰速度和湍流漩涡控制；为得到层流火焰速度，需要确定内部火焰结构和详细的化学动力学及分子扩散过程，实际的火焰厚度只有微米级别；湍流作用使得传播中的层流火焰杯皱折、拉伸，增加了薄层面积，提高了火焰速度；关键：捕获湍流火焰速度，受层流火焰速度和湍流的影响。预混模型使用限制必须使用非耦合求解器；（define-models-solver:Pressurebased）只对湍流、亚音速模型有效；不能和污染物模型（如NOx）一起使用；不能模拟离散相粒子的反应，只有惰性粒子才能与预混模型一起使用。1、预混模型理论火焰前锋的传播：预混燃烧时，火焰发生在一个非常薄的火焰层中，火焰前锋移动时，未燃反应物燃烧变为产物，火焰层将反应的流场分为已燃物区和未燃物区，反应的传播等同于火焰前锋的传播预混燃烧--Zimont模型反应进程变量c：Yp：当前产物的质量分数；Ypad：完全绝热燃烧后产物的质量分数；标量c的输运方程：Sct：施密特数，Sc为反应进程源项：Ut：湍流火焰速度，求解的关键。受两个因素影响：层流火焰速度；涡流引起的火焰前锋的折皱、拉伸和加厚。求解湍流火焰传播速度Ut时考虑：（1）预混燃料当量比（2）湍流引起的火焰前锋皱折和增厚（3）湍流拉伸引起的火焰前锋淬熄（4）分子扩散湍流火焰速度化学反应时间尺度。湍流火焰速度FLUENT中计算火焰速度公式：A模型常数，u’速度均方值，Ul层流火焰传播速度，为热扩散系数，为湍流时间长度尺度，湍流时间尺度，湍流化学反应时间尺度。湍流长度尺寸常数CD湍流火焰速度常数A拉伸系数湍流施密特数Sct拉伸系数为了考虑火焰面拉伸所导致的吹熄现象，在反应源项中乘以一个拉伸因子G，即：其中：以上各式中出现的一些常数值在FLUENT默认条件下为：A=0.52，CD=0.37，μstr=0.26，Sct=0.7温度的计算绝热温度计算：模型假设未燃混合物温度Tu和绝热条件下燃烧产物温度Tad之间成线性变化。温度计算非绝热温度计算：求解能量输运方程中得到系统中能量的得失，包括化学反应热源、辐射产生热损失等，以焓表示的能量方程为：Sh,rad：辐射导致的热损失；Sh,chem：化学反应得到的热量反应进程源项：Hcomb:每1kg燃料产生的热量，Yfuel：未燃混合物中燃料的质量分数。密度的计算绝热火焰

非绝热火焰预混燃烧模型的使用适用条件：湍流、快速化学反应、预混合；案例：（1）预混合反应流系统；（2）低预混合燃气涡轮燃烧室。限制条件：不能模拟点火、熄灭和低Da数的情况。FLUENT相关设置1、选择预混模型2、确定绝热或非绝热（如果有fluent材料库中的模型，可以首先选择一种）FLUENT相关设置2、定义材料属性绝热未燃反应物密度未燃反应物温度绝热燃烧产物温度动力黏度热扩散系数层流火焰传播速度临界变化率（火焰拉伸）FLUENT相关设置2、定义材料属性非绝热未燃反应物密度未燃反应物温度比热导热率动力黏度热扩散系数层流火焰传播速度临界变化率（火焰拉伸）燃烧热未燃物质量分数FLUENT相关设置3、设置边界条件（关键在于设置反应进程量C的值）C=0:未燃混合物C=1：燃烧后的混合物FLUENT相关设置计算后处理进程变量CDamkohler数（混合时间/反应时间）拉伸因子湍流火焰速度静态温度产物生成速率层流火焰速度临界应力速率未燃燃料质量分数FLUENT相关设置显示质量分数—用户定义函数未燃混合物中某种物质浓度：已燃混合物中某种物质浓度：Define-customfieldfunction预混模型总结适用条件湍流快速化学反应只有预混合限制条件不能模拟运动学细节中的实际现象（如点燃、熄灭和低Da数）。实例演练四：预混燃烧混合燃料入口1混合燃料入口2烟气出口五、部分预混燃烧模型部分预混燃烧系统：带有不均匀燃料-氧化剂的混合物的预混燃烧火焰。如：预混的混合物喷射到静止的大气中。几种燃烧方式比较预混燃烧扩散燃烧部分预混燃烧部分预混模型思想非预混模型和预混模型的结合。非预混模型：预混模型：部分预混模型理论预混火焰c决定火焰前锋的位置。（1）燃尽带c=1：混合物已燃，采用守恒标量f-PDF或层流火焰面模型求解；（2）未燃气体c=0：各标量按照未燃烧的混合物分数来计算；（3）燃烧带0<c<1：未燃物和已燃物采用线性处理；平衡标量计算：f和c的概率密度函数。部分预混模型理论在未燃混合物里忽视了湍流波动(PDF)和非绝热的影响，故计算的标量只是的函数，这个假设对于大多数部分预混燃烧时有效的，以便于减少内存的需求；层流火焰速度：理论上很难确定，通常经过试验或一维计算得来，FLUENT中使用拟合曲线Goyygens来确定，这些火焰速度对于燃料是纯H2,CH4,C2H2,C2H4,C2H6,和C3H8

是比较精确的，但如果氧化剂不是空气，这种曲线拟合可能不正确。部分混合模型的使用适用条件：湍流，均衡或非均衡，部分预混；案例（1）有稀释冷却孔的燃气涡轮燃烧室；（2）同时有预混合非预混混合流的系统。限制条件：混合时间和反应时间相似时不可靠；不能模拟点火、熄灭等现象。FLUENT相关设置1、选择非预混燃烧选择创建PDF表设置平衡、是否绝热选择二次流FLUENT相关设置2、设置燃料、氧化剂燃料和氧化剂的质量分数定义燃料时一定要注意：（1）如果定义的燃料是进口预混组分，那么入口边界条件的f=1；（2）如果定义的是纯燃料，则入口边界条件0<f<1，应根据入口处的成分计算；FLUENT相关设置3、计算PDF表FLUENT相关设置4、设置材料属性导热率和动力粘度可设置为随温度变化层流火焰速度采用了分段函数拟合，无需设置FLUENT相关设置5、边界条件定义燃料时一定要注意：（1）如果定义的燃料是进口预混组分，那么入口边界条件的f=1；（2）如果定义的是纯燃料，则入口边界条件0<f<1，应根据入口处的成分计算；实例演练五：部分预混燃烧入口20%CH480%air出口六、联合PDF燃烧模型基本思想：直接求解关于概率密度函数PDF输运方程，求处所有与流动、燃烧有关的参数。联合PDF燃烧模型优点：1、取消了其他模型的假设前提，对于守恒方程中的对流项、非线性化学反应项、压力项可以精确处理；2、可以提供流场的完整信息；3、可以模拟着火、熄火、湍流燃烧和污染物的生成过程。PDF模型方程速度PDF方程；标量PDF方程；速度标量联合PDF方程；速度、耗散率和标量联合的PDF方程。速度与标量联合PDF方程联合PDF燃烧模型可以精确、详细地模拟湍流和详细化学反应动力学之间的相互作用。被认为是模拟湍流燃烧最精确的方法！！缺点：需要极大的计算机存储量和计算时间。（Brewster：4302个非结构化网格，计算甲烷-空气湍流燃烧，在HP工作站上计算约210h）该模型在大尺寸工业装置模拟受限。！！很多研究者认为这是湍流燃烧模拟的发展方向。燃烧模型总结层流有限速率：层流；ED：一步或两步反应；ED/有限速率：EDC：NO缓慢燃烧、Nox生成非预混：(1)平衡法：扩散燃烧(2)火焰面模型：扩散燃烧预混：预混燃烧部分预混：部分预混综合PDF输运：所有燃烧燃烧模型使用经验任何一种模型都有一定的假设条件，模型建立过程中都或多或少地忽略了一部分影响因素，因此没有任何一个模型的计算结果是精确的；选择模型时，首先必须满足其基本使用条件，在此基础上，使用不同模型进行模拟，将计算结果与实验或工业测试结果比较，最终选择确定最佳模型。七、表面化学反应气相化学反应：化学反应按照体积定义，化学组分生成和消耗速率成为组分守恒方程中的源项；表面反应和化学蒸汽沉积：受化学动力学和表面扩散速率的控制，要确定表面组分的沉积速率，表面化学反应速率的定义和计算时按照单位表面积定义的。表面化学反应理论第r个壁面的表面化学反应：第r个反应的速率为（假设与凝固态无关）

（Arrehnius计算）++表面化学反应理论壁面处每个组分i的净生成或消耗速率为：表面化学反应建模的目标是计算壁面上气态组分和吸收组分的浓度。表面化学反应理论假设每个气态组分的质量流量与其生成/消耗速率相平衡。mdep为表面反应的质量沉积速率通过以上方程可以求出壁面上组分i的质量分数Yi和净生成速率Ri，FLUENT这些表达式来计算气相组分浓度。表面化学反应理论HeatofSurfaceReaction包括表面化学反应的热量，FLUENT默认缺省设置，忽略表面反应热。MassDepositionSource计算来自表面的净质量流量的动量。FLUENT相关设置1、选择组分传输及化学反应-湍流模型；2、选择体积及表面反应；3、选择是否需要考虑壁面反应热和表面质量流量动量。FLUENT相关设置3、定义材料（常规设置）4、定义壁面边界条件。（define-b.c-wall-species）标明化学反应对该壁面有无影响。定义壁面处的组分浓度。八、微粒表面的化学反应煤粉的燃烧炭粒的燃烧过程微粒表面反应理论微粒表面化学反应速率：

：微粒表面组分侵蚀速率kg/s（计算微粒直径）；Ap：微粒表面面积；Yj：组分浓度；

：效率因子；Rjr：微粒表面化学反应速率kg/s；Pn气体组分分压；D0,r：反应r的扩散率系数；Rkin,r：反应r的动力学速率；N：反应r的阶数。FLUENT相关设置1、选择组分传输模型混合物材料体积和颗粒表面反应湍流-化学相互作用模型九、离散相的模拟Define-models-discretemodel应用：煤粉燃烧，颗粒与气体的相互运动。多相流模拟方法欧拉-欧拉法：以空间点为时间对象，对连续相和颗粒在欧拉框架下求解N-S方程。欧拉-拉格朗日法：以单个粒子为对象，连续相在欧拉框架下求解，粒子在拉格朗日框架下求解，即discretemodel，首先计算连续场，再结合流场求每一个颗粒的受力，FLUENT可以模拟颗粒的传热传质，即燃烧等化学反应；使用条件：离散相比较稀疏的情况，忽略颗粒之间的相互作用，一般要求颗粒体积分数小于10%-12%。FLUENT离散相模型功能离散相重力、惯性、布朗运动等；湍流漩涡作用对颗粒造成的影响；颗粒的加热、冷却（惰性粒子）；液滴的蒸发与沸腾；颗粒燃烧：挥发分析出及焦炭的燃烧。运用：颗粒分离与分级、喷雾干燥、液体中气泡的搅浑、液体燃料燃烧、煤粉燃烧。离散相模型使用限制不能使用周期性边界条件；预混燃烧模型只能使用不带化学反应的颗粒；不能使用动网格技术，离散相设定为从一个表面进入流场，粒子所在平面不能随网格一起运动；最好不要使用多参考坐标系，颗粒轨道的显示可能没有意义；离散相模型计算过程在拉格朗日坐标系下，求解颗粒、液滴、气泡的轨道.并与连续相（气相）进行热、质量和动量的耦合求解。稀疏相体积分数必须<10%质量分数可以比较高不考虑颗粒之间作用、颗粒破碎模拟湍流弥撒随机轨道（Stochastictracking）颗粒云团模型（Particlecloud）颗粒轨道模型

uniform,Rosin-Rammler

Rosin-Rammlerlogarithmic计算连续相流动场计算颗粒轨道更新连续相源项模型选择粒径分布方式（根据实验确定）颗粒弥散模型颗粒轨道模型Monte-Carlo方法模拟湍流颗粒弥散(discreterandomwalks)颗粒运动计算中考虑气体的平均速度及随机湍流脉动速度的影响。每个轨道包含了一群具有相同特性的颗粒，如相同的初始直径，密度等.考虑湍流弥散尤为重要更复合真实物理过程，但计算量更大。可以通过光滑源项、消除与气相的耦合来强化计算稳定性；Coalparticletracksinanindustrialboiler颗粒云团模型用平均速度决定颗粒的平均轨道；假定平均轨道为3D多变量的Gaussian分布，计算颗粒偏离的范围；该模型计算精确度下降：（1）气相性质T、P等使用云平均；（2）有大量颗粒循环运动。优点：减少了计算量，增加了稳定性经典算例：煤粉燃烧煤粉燃烧系统为一个简单的10m*1m的二维管道，对称结构，取一半模拟，2D管道进口为两股流动，空气入口尺寸、速度如图所示；温度为300K的煤粒在高速流附近以0.2kg/s的质量流量进入炉膛，使用非预混pdf和离散相进行模拟。读取网格，检查质量File-read-case-coalpdfanddpm.msh;检查网格：Grid-check;定义长度单位：grid-scale;平滑网格质量：grid-smooth/swapgrid.定义求解器Define-models-solver求解方式空间模型Axisymmetric:圆柱问题转2DSwirl：3D旋转问题时间模型稳态和非稳态能量及湍流方程Define-models-energy能量方程使用绝热系统时不需要Define-models-viscous湍流模型一般选择k-epsilon模型定义非预混PDF模型Define-models-species–transport&reaction化学参数定义Non-premisedcombustionCreatetableEquilibriumNon-AdiabaticEmpiricallyfuelstream燃料热值和比热（3.53e+07J/kg,1000J/kg.K）定义煤的成分Boundary燃料成分、氧化剂成分（注意质量分数、摩尔分数）燃料、氧化剂温度煤的元素分析值举例定义系统中平衡的化学物质根据燃料类型和燃烧系统来确定。煤粉燃烧一般取下列13种物质：C、C<s>、CH4、CO、CO2、H、H2、H2O、N、N2、O、O2、OH-自动设置。Control系统不包含的物质（一般是N、O化物）计算PDF表平均混合分数点数平均混合分数标化个数最大组分数平均焓值点数最低温度点击开始计算查看PDF表2D或3D显示X轴变量显示PDF结果图温度分布、浓度分布、密度分布保存pdf表：file-write-pdf，和case文件保存在同一个路径下，以便以后读取。选择辐射模型Define-models-radiationFLUENT提供了五种辐射模型，只有P1模型和DO模型可以计算气体与颗粒之间的辐射换热。建立离散相Define-models-discretephase选择流体与颗粒相互作用；设定每次颗粒计算后的连续相计算步数；Maxnumberofsteps：中止颗粒轨迹；Lengthscale：控制每一次步数大小；（LengthScale控制离散相轨迹综合中用到的每一次步数的大小。这儿用到的值0.01m意味着10m长的一段轨迹要计算1000步左右。）创建离散相煤射入轨迹Define-injections-create创建离散相煤射入轨迹射流名称射入形式、射入流数量颗粒形式：燃烧材料(可自定义属性)粒径分布颗粒流性质（射入点坐标、速度、温度、粒径、质量流量）湍流弥散模型颗粒流性质定义材料属性Define-materials混合成分各组分气体固体燃烧颗粒定义连续相材料Define-materials-mixture需要定义四个变量：导热率、动力粘度；吸收系数、散射系数。不需要定义的量：密度、比热（PDF表）Absorptioncoefficient：计算辐射方程的气体吸收系数，一般选择wsggm-cell-based，吸收系数随气体成分变化而变化。定义各组分材料属性fluid可定义的属性：比热摩尔质量、标准焓、熵、温度；不需要定义的属性：密度（PDF）定义燃烧颗粒的属性Combusting-particle密度、比热、导热率；LatentHeat:挥发分蒸发耗热量；VaporizationTemperature:液化温度；VolatileComponentFraction:挥发分质量分数；BinaryDiffusivity：颗粒表面氧化剂扩散率；ParticleEmissivity：颗粒辐射系数；ParticleScatteringFactor：颗粒散射系数；SwellingCoefficient：膨胀系数；BurnoutStoichiometricRatio：燃尽系数；（PDF模型不使用）CombustibleFraction：煤粒中C质量分数；Devolatilizationmodel：挥发模型singlerate；Combustionmodel：燃烧模型kinetics/diffusionlimited定义燃烧颗粒的属性！！！以下三个值必须与PDF中设置的一致VaporizationTemperature:液化温度；VolatileComponentFraction:挥发分质量分数；CombustibleFraction：煤粒中C质量分数；PDF燃料属性Particle燃料属性设置入口边界条件Define-boundarycondition-inlet入口速度、温度、湍流强度、水利直径；Species：设为0，因为所有的燃料都是离散相，已经在颗粒射入处完成设置。设置出口及壁面边界Outlet/wall初始化流场并开始计算Solve-initialize/initializeSolve-iterate模拟结果温度场模拟结果CO质量浓度能量守恒报告Report-Flux-Totalheattransferrate正值表示热量进入区域，负值表示热量传出区域，总焓的净非平衡值（大约47kw）表示从离散相加入的所有焓值）离散相信息Display-particletracks-summary颗粒平均停留时间为0.3182s，区域内挥发分和碳完全燃烧得到颗粒运动轨迹Display-particletracks观看动画：display-particle

tracks-pulse实例演练六、煤粉燃烧燃烧模拟步骤总结打开求解器（2D或3D）检查物理模型适用性网格独立性检验（很多人忽略！！！！！）；求解参数、收敛条件设置边界条件燃烧经常对进口边界条件十分敏感正确的进口标量和速度的分布很难估计壁面热条件；尽可能优先给定边界温度，很难给定对流换热或者辐射换热量

初始条件稳态解跟初始值无关，但给的初始值不好，由于各个方程之间不和谐和输运方程的非线性，导致解分歧或发散不收敛。先求解冷态流动、接着气体燃烧、颗粒燃烧、再考虑辐射；对于强旋流动，渐渐增加旋流速度；燃烧模拟步骤总结低松弛因子松弛因子改变对结果影响是高度非线性的采用混合分数PDF模型时，密度采用低松弛(0.5)考虑浮力流动中，速度采用低松弛因子高速流动中压力采用低松弛因子一旦解较为稳定,尽可能让松弛因子提高到系统默认值(温度，0.9；P是1；旋流速度，组分（混合分数）也是1或接近1。离散化开始用一阶精度,收敛后用二阶精度提高求解精度对于三角形或四面体网格，二级精度离散尤为关键离散相模拟–增加稳定性,增加随机轨道数目(或者采用颗粒云团模型)低松弛因子，增加每次耦合计算中颗粒相计算后气相叠代次数燃烧模拟步骤总结ED模型默认设置finiterate/eddy-dissipation(Arrhenius/ED)对于非预混(扩散)火焰，关掉有限速率模型对于预混火焰，应该采用Arrhenius项，使得反应物不至于过早燃烧。需要高温点火，保证反应进行（initialization/patch）考虑比热Cp随温度变化，以便计算的温度不至于过高而不切合实际。混合分数PDF模型如果符合该模型假设，可以选用该模型建表中要保证有足够多的点以便保证插值精度，同时要不影响计算时间。燃烧模拟步骤总结湍流开始用标准k-e模型收敛后转变为RNGk-e,Realizablek-e

或RSM，可以与实验结果比较、也可以比较结果受湍流模型的影响情况收敛判断一般变量残差小于10-3，温度、

P-1和组分的残差要小于10-6

质量和能量必须守城；监视和检查所关心的变量(如：出口平均温度)检查变量的等值线图是否光滑、合理及稳定不变。FLUENT经典问题1残差震荡和不收敛的问题？残差：FLUENT计算是一个逐渐收敛的过程，即各个网格内的值不断趋于最终值的过程。残差是当前步计算的各个网格中的值（如质量流量、压力、速度、温度、湍动能等）与上一步计算值偏差的平均。残差的震荡与不收敛原因：高精度格式；网格划分过粗；网格质量差；流场边界复杂，流动复杂；松弛因子过高；残差的震荡与不收敛网格过粗：残差本身反应的就是网格内计算值的波动，网格过粗会导致网格面积过体积过大，进而使计算值波动较大，要进行网格独立性检验；当使用分块画网格技术时，相临面或体的网格尺寸不能相差太大，一般要小于2，这是连续性方程出现高残差的原因；网格质量差：通常如果几何结构复杂，而又使用非结构化网格时，在gambit检查质量就会显示局部网格质量较差的区域，一般skew值在0.7以上就要引起注意；网格质量是引起计算结果发散的最主要原因，一定要想办法改善，如简化结构、使用分块化网格技术等。残差震荡与不收敛流场边界复杂：由于一般使用非滑移性边界条件，边界区域速度梯度比较大，在不影响模拟真实性的前提下，尽量对边界进行简化；流动区域复杂：在流场中避免出现尖点、死角等突变结构，会导致网格质量差，以及局部变量的变化梯度过大而带来残差震荡，尖点、死角也要进行适当简化。残差震荡与不收敛松弛因子：（p:当前步结果，p*:上一步结果，p:迭代变化值）Solve-control-solution残差震荡与不收敛松弛因子一般小于1，成为亚松弛，就是将本层次计算与上一层次计算的结果差值作适当缩减，避免由于差值过大而引起迭代过程的发散。一般情况下，FLUENT对松弛因子都会有默认值，如压力0.3、密度1、动量0.7、湍动能0.8、耗散能0.8、湍流粘度1，这些因子对于大多数流动都不需要改动；但是如果出现计算不稳定或发散时，就需要考虑降低松弛因子。残差震荡与不收敛松弛因子举例网格质量不差，粗细适宜，但计算发散，考虑松弛因子！！残差的震荡与不收敛原因：高精度格式；网格划分过粗；网格质量差；流场边界复杂，流动复杂；松弛因子过高；FLUENT经典问题2如何判断收敛？观察点处的值不再随计算步数的增加而变化；（选取一个最关心的量，如T、Re、质量流量等）各参量残差随计算步数的增加而降低，最后趋于平缓；满足质量守恒与能量守恒；当满足前两个判据时，不一定表示结果已经收敛，因为如果松弛因子比较小，各参数每步变化不大，一定要考虑第三个判据。收敛问题一般情况下，残差越小越好，流场越稳定；但残差曲线是全场求平均的结果，有时候其大小并不一定代表计算结果的好坏，关键要看计算结果是否符合物理事实；比如在用PDF模型和DPM模型求解燃烧问题，由于颗粒与流场之间的相互作用，残差会非常震荡，但计算结果的温度场、速度场都是比较均匀的，并且也符合实际物理现象。FLUENT经典问题3网格划分是不是越密越好？不是。实际网格密度：在工程允许的偏差范围内，数值解几乎不再变化。网格划分密度数值计算与实验值误差来源：物理模型近似差：几何结构简化、2D/3D简化；差分方程的离散误差；迭代计算误差；舍入误差：由计算方法和计算机字长决定。网格划分密度误差=离散误差+舍入误差。网格数增加时，离散误差减小，但舍入误差增大。正确的网格密度确定方法：(1)根据经验进行大致划分，将计算