本案例利用Fluent的非预混燃烧模型计算燃烧器内甲烷燃烧过程，并利用实验值对计算结果进行验证。

计算模型如图所示，甲烷与空气从不同的入口进入燃烧室，并在燃烧室内混合燃烧，计算过程中考虑辐射换热。

计算参数如表所示。

本次计算采用稳态计算，利用Realizable k-epsilon湍流模型计算湍流。采用DO辐射模型考虑燃烧过程中的辐射换热，利用非预混燃烧模型模拟燃烧。

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Fluent设置

• 以2D、Double Precision方式启动Fluent

• 利用菜单File → Read → Case…加载case文件

1.1 General设置

• 双击模型树节点General，右侧面板如下图所示进行设置

注：选择轴对称旋转，因为存在轴对称旋转边界

1.2 Models设置

• 右键选择模型树节点Models > Energy，选择弹出菜单项On激活能量方程

注：涉及到化学反应燃烧的问题，都要开启能量方程

• 右键选择模型树节点Models > Viscous，选择弹出菜单项Model > Realizable k-epsilon开启湍流模型

注：Realizable k-epsilon湍流模型适合于射流模拟

• 鼠标双击模型树节点Radiation，弹出设置对话框，激活辐射模型Discrete Ordinates，采用默认模型参数

注：DO模型适合于模拟所有光学厚度条件下的辐射问题。在本案例中也可以选择使用P1模型。

1.3 Species模型设置

• 鼠标双击模型树节点Models > Species弹出设置对话框

• 激活选项Non-Premixed Combustion采用非预混燃烧模型

• 选择选项Chmical Equilibrium及Non-Aiiabatic，采用非绝热的化学平衡模型

• 切换到Boundary标签页，如下图所示设置Fuel中ch4为1，设置Oxid中的n2为0.78992，o2为0.21008

• 选择选项Mole Fraction

注：可以自己通过点击Add按钮添加组分

• 切换到Table标签页，如下图所示设置参数，点击按钮Calculate PDF Table生成PDF表

注：非预混燃烧模型属于典型的快速化学反应模型，其并不考虑燃烧化学反应细节，利用湍流混合的混合分数决定燃烧温度分布。此模型计算量较小，对于一些只关注温度分布的快速燃烧问题非常适用。

1.4 Materials设置

• 鼠标双击模型树节点Materials > mixture > pdf-mixture，弹出材料属性设置对话框，如下图所示设置

1.5 Cell Zone Conditions

• 鼠标双击模型树节点Cell Zone Conditions > fluid，弹出对话框中确保Material Name为pdf-mixture

1.6 Boundary Conditions

1、air-inlet边界设置

• 双击模型树节点Boundary Condtions > air-inlet弹出边界设置对话框，如下图所示设置入口轴向速度为38.2 m/s，旋转速度为19.1 m/s，设置湍流强度与水力直径分别为5%与0.01 m

• 切换到Thermal标签页，设置温度为300 k

• 切换到Species标签页，如下图所示设置Mean Mixture Fraction = 0，设置Mixture Fraction Variance = 0

注：设置Mixture Fraction为0表示该入口进入的组分全部为氧化剂

2、fuel-inlet

• 双击模型树节点Boundary Condtions > fuel-inlet弹出边界设置对话框，如下图所示设置入口速度为32.7 m/s，设置湍流强度与水力直径分别为5%与0.0036 m

• 切换到Species标签页，如下图所示设置Mean Mixture Fraction = 1，设置Mixture Fraction Variance = 0

注：设置Mixture Fraction为1表示该入口进入的组分全部为燃料

3、top

• 双击模型树节点Boundary Condtions > top弹出边界设置对话框，如下图所示设置入口速度为20 m/s，设置湍流强度与湍流粘度比分别为2%与5

• 切换到Species标签页，如下图所示设置Mean Mixture Fraction = 0，设置Mixture Fraction Variance = 0

4、outlet

• 双击模型树节点Boundary Condtions > outlet弹出边界设置对话框，如下图所示设置参数

• 切换到Species标签页，如下图所示设置Mean Mixture Fraction = 0，设置Mixture Fraction Variance = 0

1.7 Methods设置

• 鼠标双击模型树节点Methods，右侧面板如下图所示进行设置

注：采用Coupled及Pseudo Transient方法可以有助于加快计算收敛

1.8 Initialization

• 鼠标双击模型树节点Initialization，右侧面板选择Hybrid Initialization，点击按钮Initialize进行初始化

1.9 Run Calculation

• 鼠标双击模型树节点Run Calculation，右侧面板设置Number of Iterations为500，点击按钮Calculate开始计算

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计算结果

• 旋转速度分布

• 轴向速度分布

• 温度分布

• 创建x坐标为40mm的径向line

• 轴向速度计算值与实验值比较

• 旋转速度计算值与实验值比较

• 温度计算值与实验值比较

计算结果与实验值吻合较好。

参考文献：

[1]P.A.M. Kalt, Y.M. Al-Abdeli, A.R. Masri, R.S. Barlow, “Swirling turbulent non-premixed flames of methane: Flow field and compositional structure”. Proceedings of the Combustion Institute, Vol 29, pp. 1913-1919, 2002

[2]Y.M. Al-Abdeli, A.R. Masri, “Stability Characteristics and Flow Fields of Turbulent Swirling Jet Flows”. Combustion Theory and Modeling, Vol 7, pp. 731-766, 2003

文件链接: 

https://pan.baidu.com/s/1K6IGuo3Ci41632pn3yMJ8Q 

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本篇文章来源于微信公众号: CFD之道