本案例演示利用Fluent计算天然气燃烧器内甲烷燃烧过程。

参考文献：

[1]K.C. Westbrook, L.F. Dryer, “Simplified reaction mechanism for the oxidation of hydrocarbon fuels in flames”, Combustion Science and Technology, Vol 27, pp. 31-43, 1981

[2]T.P. Coffee, “A Lumped Parameter Code for Regenerative Liquid Propellant Guns”, BRL-TR-2703, U.S. Army Ballistic Research Laboratory, 1985

1 问题描述

模型如下图所示。空气与天然气分别从不同的入口进入燃烧器，燃料气中甲烷质量分数90%，氮气10%。

计算参数如表所示。

采用稳态计算，计算模型为2D轴对称模型，采用Eddy Dissipation计算甲烷燃烧。

2 Fluent设置

• 以2D、Double Precision模式启动Fluent

2.1 General设置

• 鼠标双击模型树节点General，右侧面板采用默认设置2D Space为Axisymmetric

2.2 Models设置

• 鼠标双击模型树节点Models > Viscous，弹出对话框中选择Realizable k-epsilon湍流模型

• 鼠标双击模型树节点Models > Species，弹出设置对话框

• 如下图所示，激活选项Species Transport开启组分方程

• 激活选项Volumetric开启体积反应

• 选项选择Eddy-Dissipation激活涡耗散模型

注：涡耗散模型是快速化学反应模型，燃烧速率由湍流控制。

2.3 Materials设置

本案例考虑单步甲烷燃烧反应：

涉及到的组分包括CH4、O2、CO2、水蒸气以及N2。

• 从材料数据库中添加材料CO2与甲烷

• 修改CO2材料参数，如下图所示

• 修改甲烷材料参数，如下图所示

• 双击模型树节点Materials → Mixture → mixture-template打开混合物编辑对话框，物性参数设置如下图所示

• 点击Mixture Species右侧的Edit…按钮编辑组分，如下图所示，点击OK按钮关闭对话框

• 点击Mixture Species右侧的Edit…按钮编辑组分，如下图所示设置化学反应，点击OK按钮关闭对话框

2.4 Boundary Conditions

边界条件设置中的一些项，如入口速度、湍流条件等采用Profile文件指定。

• 选择菜单项File → Read → Profile…读取文件VMFL049_combustion.set.prof

1、air

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > air弹出设置对话框

• Momentum标签页设置Axial-Velocity为inlet1 air-velocity，湍流参数如下图所示设置

• Thermal标签设置Temperature为323 k

• Species标签页下设置o2为0.233，设置n2为0.767

2、fuel

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > fuel弹出设置对话框

• Momentum标签页设置Axial-Velocity为inlet fuel-velocity，湍流参数如下图所示设置

• Thermal标签额设置Temperature为313 k

• Species标签页下设置n2为0.1，设置ch4为0.9

3、outlet

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > outlet弹出设置对话框

• 保持默认设置

4、壁面边界

• 设置所有壁面边界(wall-dis、wall-in、wall-step、wall-top)Temperature为393 k

2.5 Methods

• 双击模型树节点Methods，右侧面板如下图所示设置Scheme为SIMPLE，其他参数如下图所示进行设置

2.6 Monitor

• 双击模型树节点Monitors > Residual，弹出设置对话框

• 如下图所示，设置除energy外其他所有变量的残差为1e-5

2.7 Initialization

• 右键选择模型树节点Initialization，点击弹出菜单项Initialize进行初始化

2.8 Run Calculation

• 鼠标双击模型树节点Run Calculation，右侧面板如下图所示，设置Number of Iterations为1500

• 点击按钮Calculate开始迭代计算

3 计算结果

• 温度场分布

• O2质量分数

• h2o质量分数

• 速度分布

• 计算结果与实验值比较（轴线上温度分布）

• 计算结果与实验值比较（轴线上CH4摩尔分数分布）

https://pan.baidu.com/s/16zaxdxDN5JqT_AXD4nF_pw

提取码: 4dav

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