本算例演示利用Fluent中的涡耗散模型计算柱形燃烧器中的甲烷与空气的混合及燃烧过程。

1 问题描述

本算例中考虑的圆柱形燃烧器模型如下图所示。所考虑的燃烧为湍流扩散燃烧。

甲烷气体从燃烧室中心的一个小喷嘴以速度80 m/s，温度300 K注入。环境空气以0.5 m/s的速度从环形区域进入计算区域。总体当量比为0.76（约28%过量的空气）。高速甲烷射流最初在外壁几乎没有干扰的情况下膨胀，并夹带低速空气混合。基于甲烷射流直径的雷诺数近似为。

在本算例中，先使用涡耗散模型来分析甲烷-空气燃烧过程。假设燃料完全转化为CO2和H2O，使用一步反应机理对燃烧进行模拟。反应方程式为：

后续使用EDC模型并导入详细化学反应机理进行计算，并且对两种计算条件下的NOx模型进行计算。

2 使用ED模型进行燃烧计算

• 以2D、Double Precision方式启动Fluent
• 选择菜单File → Read → Mesh… 读取计算网格gascomb.msh

2.1 General设置

• 进入General面板，指定选项Axisymmetric 采用轴对称模型进行计算

• 进入Scale Mesh对话框，将几何模型缩放为mm，如下图所示

2.2 Model设置

• 激活能量方程

• 选择SST k-omega湍流模型

• 如下图所示设置组分输运模型
• 进入Species Model对话框
• 激活选项Species Transport启用组分输运模型
• 激活选项Volumetric
• 选择混合物材料为methane-air
• 激活模型Eddy-Dissipation
• 其他参数保持默认设置

注：ED模型利用湍流参数计算化学反应速率，适用于快速化学反应过程。ED模型也常常用于详细化学反应模型的初始值计算。

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2.3 Materials设置

• 检查混合物methane-air的材料参数

• 检查混合物组成，如下图所示

• 检查化学反应定义，如下图所示

2.4 边界条件设置

1、symmetry-5边界

• 将边界symmetry-5的类型修改为axis ，本算例采用的是轴对称模型，必须确保计算区域中存在axis类型的边界

2、velocity-inlet-8边界

• 如下图所示设置边界参数
• 设置边界velocity-inlet-8的速度为0.5 m/s
• 指定湍流指定方法为Intensity and Hydraulic Diameter
• 指定Turbulent Intensity为5%
• 指定Hydraulic Diameter为0.44

注：ED模型中利用湍流参数进行化学反应速率的计算，因此边界上的湍流参数要仔细对待。

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• 切换到Thermal标签页，指定温度为300 K

• 切换到Species标签页，指定O2的质量分数为0.23

3、velocity-inlet-6边界

• 设置边界速度为80 m/s，其他参数如下图所示

• 温度采用默认300 K

• 进入Species标签页，指定ch4的质量分数为1 ，表示从该边界进入到计算区域中的组分全部为甲烷

4、pressure-outlet-9边界

• 指定该边界的湍流参数，如下图所示

• 指定边界回流组分为空气

5、wall-7边界

• 指定边界wall-7的温度为300 K

2.5 初始化计算

• 采用Hybrid Initialization方法进行初始化

2.6 迭代计算

• 迭代计算200步，如下图所示

2.7 计算结果

• 温度分布

注：ED模型常常会过高地预测计算域内的温度。

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• 甲烷质量分数

• 水蒸气质量分数

3 ED模型的NOx计算

3.1 计算设置

• 打开NOx Model对话框，如下图所示设置
• 激活选项Thermal NOx 及Prompt NOx，这里不考虑燃料型NOx的生成
• 设置Fuel Species为CH4
• 指定Thermal的[o] Model为partial-equilibrium

• 切换到Turbulence Interaction Mode ，按下图所示顺序进行参数设置

• 切换到Prompt，指定Fuel Carbon Number为1 ，指定Equivalence Ratio为0.76

• 进入Controls面板，点击按钮Equations… 进入Equations对话框，如下图所示，取消所有方程求解，仅保留求解方程Pollutant no及Temperature Variance

• 设置迭代计算200 次，如下图所示

3.2 计算结果

• 查看计算域内一氧化氮的质量分数

• no的质量分数分布如下图所示

• 可以定义新变量no-ppm，以单位ppm显示no的浓度

• 以ppm显示的no浓度如下图所示

4 详细化学反应计算

这里利用EDC模型，通过指定详细的化学反应机理进行计算。

4.1 计算设置

• 进入Species Model对话框，点击按钮Import CHEMKIN Mechanism… 打开机理导入对话框

• 如下图所示导入机理文件grimech30_50spec_mech.inp
• 顺便导入热力学文件及输运属性文件grimech30_thermo.dat、grimech30_transport.dat

注：网络上有很多现成的甲烷燃烧机理文件，很多是可以直接使用的。

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• 选择模型Eddy-Dissipation Concept采用EDC模型进行计算

• 采用velocity-inlet-8进行初始化，指定初始温度2300 K

注：这里也可以直接使用ED模型的计算结果作为初始值。如果要重新初始化的话，则注意给一个较高的温度以激活化学反应。或者也可以patch一个高温局部区域。

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• 设置迭代计算1000 次

4.2 计算结果

• 温度分布

注：EDC模型计算得到的温度略低于ED模型。

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• 水真气质量分数分布

5 EDC模型的NOx计算

采用与前面NOx相同的设置，在EDC计算结果的基础上进行计算。

• no质量分数分布

注：可以看到no的浓度也要低于ed模型计算的结果。主要原因在于no的生成依赖于温度分布。

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• ppm显示的no浓度

本算例没有考虑热辐射的影响。有兴趣的道友可自行尝试DO辐射模型。

相关文件：

链接：https://pan.baidu.com/s/1JagpuO8i2WfpDaDDd1o_Ew 提取码：57k8

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