【燃烧案例】02：BERL燃烧器

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问题描述

本案例中的模型基于Burner Engineering Research Laboratory （BERL）的实验模型，该实验是一个大型项目（Scaling 400研究）的一部分，适用于规模从30 KW到12 MW不等的燃烧器。该问题的原理图如图1所示。

本案例研究的是300KW旋流稳定燃烧炉中天然气燃烧。该燃烧炉有一个圆锥形炉子的八角形横截面罩和一个圆柱形排气管。炉壁可添加耐火衬里或水冷。该燃烧器具有24个径向燃料入口和一个钝体中心体。空气通过环形入口引入，可移动的旋流块用于形成旋转流。图2所示为该燃烧炉的2D轴对称模型，在进行二维简化过程中确保模型和实际炉子的横截面面积相等。计算中的的输入条件，包括壁温，入口边界条件等从该实验数据中导出。

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Fluent设置

2.1 启动Fluent

启动Fluent，选择2D及Double Precision选项
选择菜单File → Read → Mesh...读取网格文件berl.msh.gz

网格读入后TUI窗口出现如下图所示警告信息。

该信息提示用户读入的网格文件存在axis边界，而设置的流动问题并未设置为轴对称模型。暂时可以不必理会。

网格如下图所示。

2.2 General设置

双击模型树节点General
右侧面板中点击按钮Scale...弹出网格缩放对话框，设置Mesh Was Created In为mm，点击Scale按钮缩放网格

缩放完毕的网格尺寸如下图所示。

点击Close按钮关闭对话框

设置2D Space为Axisymmetric Swirl，其他选项保持默认设置

因要考虑切向方向的速度，因此选用轴对称旋转

2.3 Models设置

激活能量方程、Realizable k-epsilon湍流模型及Species组分模型。

右键选择模型树节点Models > Energy，点击弹出菜单项On激活能量方程
右键选择模型树节点Models > Viscous，选择弹出菜单Models → Realizable k-epsilon激活湍流模型
双击模型树节点Models > Radiation弹出辐射设置对话框，选择P1辐射模型

点击OK按钮关闭对话框

提示：

P1辐射模型是燃烧计算中常用的辐射模型，如果想要更加精确的计算结果，也可以使用DO辐射模型。

2.4 Species Models设置

双击模型树节点Models → Species弹出组分输运模型设置对话框
选择模型Species Transport
激活选项Volumetric激活体积反应
选择湍流化学反应作用模型为Finite-Rate/Eddy-Dissipation
取消选项Diffusion Energy Source
点击OK按钮关闭对话框

2.5 Materials设置

1、添加材料

双击模型树节点Materials > fluid > air，在弹出的材料编辑对话框中点击按钮Fluent Database...打开材料数据库对话框
材料数据库对话框中设置Material Type为fluid，并选择材料methane 及carbon-dioxide，点击Copy按钮添加材料

修改材料Methane名称为fuel，去除Chemical Formula中的内容，点击按钮Change/Create修改材料

2、修改混合物参数

鼠标双击模型树节点Materials > Mixture > mixture-template弹出Create/Edit Materials对话框
点击对话框中Mixture Species右侧的Edit...按钮，弹出属性边界对话框

如下图所示设置组分，确保氮气（n2）位于列表的最下方，点击OK按钮关闭对话框

提示：

传输方程并不求解列表中的最后一种组分，该组份的浓度用1减去其他组分之和得到。因此为了减小误差，常常将量最大的组分置于最后。

点击Create/Edit Materials对话框中Reaction右侧的Edit...按钮，弹出化学反应定义对话框，按下图所示参数定义化学反应

点击OK按钮关闭对话框，返回至Create/Edit Materials对话框
设置Thermal conductivity to选项为polynomial，弹出Polynomial Profile对话框
设置Coefficients为2，并设置系数为-0.0076736及5.8837e-5，如下图所示，点击OK按钮关闭对话框

同理设置Viscosity为polynomial，并设置系数为7.6181e-6及3.2623e-8，点击OK按钮关闭对话框
设置Absorption Coefficient为wsggm-domain-based
Scattering Coefficient为1e-9，其他参数保持默认设置
点击按钮Change/Create修改材料参数，点击Close按钮关闭对话框

3、修改各组分参数

双击模型树节点Materials > Mixture > mixture-template > fuel，弹出fuel材料参数定义对话框
守则和Molecular Weight为16.313，设置Standard State Enthalpy为-1.0629e+08

修改Cp为polynomial，设置其参数如图所示

相同方法修改其他组分的Cp为polynomial，如图所示。

2.6 Boundary Conditions

1、读入Profile文件

利用菜单File → Read → Profile...读取文件berl.prof

2、velocity-inlet-4边界设置

鼠标双击模型树节点Boundary Conditions >velocity-inlet-4，弹出边界设置对话框
Momentum标签页下进行如下图所示设置

切换至Thermal标签页，设置Temperature为312 K

切换至Species标签页，设置o2为0.2315

3、velocity-inlet-5

鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > velocity-inlet-5，弹出边界设置对话框
进入Momentum标签页，设置Raidal-Velocity为157.25 m/s

切换至Thermal标签页，设置Temperature为308 K

切换至Species标签页，设置fuel为0.97，co2为0.008

3、pressure-outlet-3

鼠标双击模型树节点Boundary Conditions >pressure-outlet-3，弹出边界设置对话框
Momentum标签页设置如下图所示

切换至Thermal标签页，设置Backflow Total Temperature为1300 k

切换至Species标签页下，设置O2为0.23

4、其他壁面边界

鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > wall-6，弹出边界设置对话框
切换至Thermal标签页，设置Thermal Condtions为Temperature
设置Temperature为1370K
设置Internal Emissivity为0.5
点击OK按钮关闭对话框

与此设置相同，其他壁面边界条件如表所示。

边界	温度	Internal Emissivity
wall-12	1173	0.6
wall-13	1173	0.6
wall-11	1273	0.6
wall-10	1100	0.5
wall-9	wall-temp	0.6
wall-8	1305	0.5
wall-7	312	0.6

2.7 Solution

双击模型树节点Solution > Methods，如下图所示设置

2.8 Controls设置

鼠标双击模型树节点Solution > Controls，右侧面板中点击按钮Equations...，弹出对话框中取消选择P1，点击OK按钮关闭对话框

注意：

这里先取消计算辐射，是处于计算收敛性上的考虑。其实也可以不取消。

2.9 Initialization

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

2.10 Run Calculation

鼠标双击模型树节点Run Calculation，右侧面板中设置Number of Iterations为1000
点击按钮Calculate进行计算

计算354步达到收敛，残差曲线如图所示。

2.11 激活辐射模型

鼠标双击模型树节点Solution > Controls，右侧面板中点击按钮Equations...弹出设置对话框
选中所有列表项，点击OK按钮关闭对话框

鼠标双击模型树节点Solution > Run Calculation，右侧面板中设置Number of Iterations为2000，点击按钮Calculate进行计算

注意：加入辐射模型后计算量非常大，2000步计算在12核工作站上可能要耗费几个小时的时间。

大约计算了34步后收敛到1e-3。如下图所示。

2.12 查看守恒性

双击模型树节点Results > Reports > Fluxes弹出通量报告对话框
选择Mass Flow Rate，边界列表中选择pressure-outlet-3 、velocity-inlet-4、velocity-inlet-5，点击Compute按钮
查看Net Results为1.714688e-6，这是个非常小的数，可以认为质量达到守恒