本文简单聊聊燃烧过程仿真。

燃烧本身是一种极为复杂的物理现象，即使最简单的氢气-氧气燃烧过程也涉及到了几十个化学反应，更不用说一些有机大分子化合物（如煤和石油等）的燃烧了。

人们为了获取燃烧过程参数（如温度、组分浓度等）构建了大量的燃烧模型，有的模型计算比较粗糙，但计算开销比较小，而有的模型构造精细计算精度高，但是计算资源消耗也很大。我们在仿真计算的过程中需要根据具体问题选择最合适的计算模型，这样才能根据已有的计算资源来选择最合适的计算模型。

燃烧现象分很多种，有纯气相燃烧（如甲烷在空气中的燃烧），也有涉及到不同相参与的仿真（如煤燃烧过程中焦炭的燃烧），不同的现象导致了模型选择存在较大的差异。在进行燃烧计算之前，有几个问题先要搞清楚。

1 考虑化学反应速率

有一些燃烧模型需要考虑化学反应速率，而一些模型则不考虑。

化学反应速率是用来决定组分传质的直接物理量，简单来讲，反应速率越大则单位时间内物质组分转化得越多。Fluent中的组分输运模型需要考虑化学反应速率，其提供了两种不同的方式考虑化学反应速率，一种为使用湍流参数进行计算，如涡耗散模型；另一种使用阿累尼乌斯公式进行计算，如有限速率模型及EDC模型；还有一种是同时考虑这两种计算方式而取极小值作为反应速率，如有限速率/涡耗散模型。

涡耗散模型不考虑化学反应动力学过程，仅仅将湍流物理量作为化学反应速率的直接计算量，如果系统中存在大量反应速率相差较大的化学反应，用一个反应速率进行描述显然是不合适的，因此涡耗散模型常用于一步或两步的总包反应计算，对于涉及到大量基元反应的详细化学反应过程的模型，则可能造成非常大的误差。

有限速率模型和EDC模型都采用阿累尼乌斯公式计算化学反应速率，因此可以用于详细的化学反应过程模拟。由于这两种模型可以考虑系统中每一步化学反应过程的速率计算，因此这类模型也称为慢速化学反应模型。慢速化学反应模型由于要计算每一个化学反应方程的反应速率，因此计算量很大，尤其是对于存在很多组分和很多化学反应的情况下。而且由于化学反应模型的刚性很大，导致计算收敛性也不好，在计算的过程中经常会遇到不收敛的问题。另外，慢速反应模型的计算结果严重依赖于化学反应的描述（如反应方程、反应动力学参数等），而这些描述数据通常都很难搞，基本都需要做试验才能得到。

注：涡耗散模型是一种近似模型，常在数据不足的情况下使用。如果有详细的化学反应机理，最好是使用有限速率模型或EDC模型。涡耗散模型常用于EDC模型的初始值计算。

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2 不考虑化学反应速率

Fluent中提供了一些不考虑化学反应速率的燃烧模型，根据燃料和氧化剂进入计算区域的情况，可以分成：

• 非预混燃烧模型。燃料和氧化剂分别从不同的位置进入到计算区域。计算过程中需要考虑燃料与氧化剂的混合过程。这个模型包含有众多的子模型，这些子模型的设计精细程度各不相同，不过这些子模型都有一个共同的特点：需要构造一个PDF查询表。查询表中一个重要的物理量为燃料和氧化剂的混合分数，通过求解输运方程计算得到混合分数，而燃烧状态数据则通过这个查询表及混合分数计算得到。非预混燃烧模型不需要考虑化学反应速率，是一种“混合即燃烧”的快速反应模型。非预混燃烧模型包含一些子模型：
• 化学平衡模型。利用化学平衡计算组分浓度，注意这里的组分是推测得到的。
• 稳态扩散小火焰模型。可以考虑化学反应过程中的不平衡现象，可以考虑详细的化学反应机理，用于稳态计算求解。计算精度要高于化学平衡模型以及涡耗散模型。
• 非稳态扩散小火焰模型。可以考虑化学反应过程中的不平衡现象，可以考虑详细的化学反应机理，用于瞬态计算求解。
• 预混燃烧模型。燃料和氧化剂在燃烧之前就已经充分混合。模型中使用燃烧进程变量来表征火焰面形状，事实上这里做了很大的简化，可以计算得到火焰面的形状，而温度是通过火焰面形状计算得到。计算结果也就看一下温度分布。
• 部分预混燃烧模型。同时存在预混与非预混的时候采用。

这些模型都不考虑化学反应速率，因此都无法真实地考虑化学反应过程。

3 液滴的燃烧

液滴的燃烧过程被简化成了两个过程：

• 液滴汽化过程。
• 气相燃烧过程。

相比较气相燃烧过程，这里多出了液滴的汽化过程。

这里都是做了大量的简化，在工程应用过程中，有大量的参数需要进行标定。这些参数包括燃烧材料的物性参数、燃烧过程的模型参数等。

4 固体颗粒的燃烧

固体颗粒燃烧过程相对较为复杂，包括以下几个部分：

• 水分的汽化过程
• 挥发分的挥发过程
• 挥发分的气相燃烧过程
• 固体可燃组分的燃烧过程

这里都是做了大量的简化，在工程应用过程中，有大量的参数需要进行标定。这些参数包括燃烧材料的物性参数、燃烧过程的模型参数等。

5 其他类型的燃烧

现实生活中海油许多其他类型的燃烧过程，如大块可燃材料的燃烧（如木材）、堆积颗粒的燃烧（如堆积床燃烧）、液池燃烧等。这些燃烧过程目前没有成熟的模型进行处理，现在比较普遍的处理方式是将这些物理现象想办法转化成气相燃烧与表面反应过程。

这些都很复杂，最好是去看专业的文献，这里就不多扯了。