【燃烧案例】05：液体混合化学反应

本案例利用ANSYS Fluent中提供的瞬态层流火焰模型模拟液体化学反应。

液体化学反应通常表现为慢速化学反应及低组分扩散。慢速化学反应意味着ANSYS Fluent中提供的快速化学反应模型（如非预混平衡模型、稳态层流小火焰模型及涡耗散模型等）均无法提供准确的结果。

本案例演示以下内容：

建立受限撞击流反应器中的液体化学反应计算模型
设置稳态扩散小火焰模型
导入CHEMKIN反应机理
计算瞬态扩散小火焰模型

1

问题描述

瞬态层流小火焰模型（Unsteady laminar flamelet model）能够同时考虑慢速化学反应以及由于低扩散率所导致的低混合。该模型通过将刚性化学动力学计算简化为一维问题而能够显著的减少计算时间。本案例求解计算撞击流反应器中的化学反应：

第一个反应非常快，而第二个反应则非常慢。当激活liquid micro-mixing model时，ANSYS Fluent假设反应活化能非常小，因此反应在组分混合后能够瞬间完成。案例示意图如下图所示。

2

准备工作

准备文件包括CIJR.msh.gz
启动Fluent，选择3D及Double Precision

2.1 导入Mesh

选择菜单File → Read → Mesh...，导入网格文件CIJR.msh.gz

点击Display按钮显示计算模型，如下图所示

本次计算利用模型对称性，采用二分之一模型进行计算。

2.2 General设置

鼠标双击模型树节点General按钮
右侧面板保持默认参数

点击右侧面板Scale...，弹出模型缩放对话框，设置Mesh Was Create In为mm，点击按钮Scale缩放网格
点击按钮Close关闭对话框

2.3 湍流模型设置

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

CIJR中的慢速化学反应只能使用以下模型之一进行模拟：laminar finite-rate model, EDC model， transported PDF model或unsteady laminar flamelet model。前两种模型不能精确捕捉液体化学反应的微观混合，Transport PDF模型计算量非常大。本案例中利用unsteady laminar flamelet model配合liquid micro-mixing extension，此模型需要以steady laminar flametlet model计算结果作为初始值。

2.4 Species模型设置

鼠标双击模型树节点Models > Species弹出组分模型设置对话框
选择Non-Premixed Combustion
激活选项Inlet Diffusion及Liquid Micro-Mixing
选择选项Steady Diffusion Flamelet

点击按钮Import CHEMKIN Mecanism...弹出机理导入对话框
导入机理文件CIJR.che及热力学文件CIJR-therm.dat
点击Apply按钮确认导入，点击Close按钮关闭对话框
Species Model对话框中，切换标签页为Boundary，按下图所示进行设置
切换中Flamelet标签页，按下图所示进行设置，点击按钮Calculate Flameles生成火焰，保存火焰文件为CIJR.fla.gz
切换到Tables标签页，参数保持默认设置，点击按钮Calculate PDF Table生成PDF表
选择菜单File → Write → PDF...,将PDF数据保存到文件CIJR.pdf.gz中
点击Close按钮关闭Species Model对话框

2.5 Materials设置

双击模型树节点Materials > Mixture > flamelet-mixture > a（l），弹出材料定义对话框，设置器Desity为1000，如下图所示，点击按钮Change/Create及Close关闭对话框
相同方式设置其他材料b(l), bulk(l), d(l), p1(l)及p2(l)的密度均为1000
鼠标双击模型树节点Meterials > pdf-mixture，弹出材料定义对话框，按下图所示设置Viscosity及Mass Diffusivity参数值

注意：设置粘度与质量扩散参数，是为了满足Schmidt数为1000。

2.6 Boundary Condtions设置

1、vel-inlet-left边界设置

鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > vel-inlet-left弹出边界参数设置对话框
Momentun标签页中设置Velocity Magnitude为2 m/s
设置Specification Method为Intensity and Hydraulic Diameter，设置Turbulent Intensity为5 %，设置Hydraulic Diameter为0.001 m

Species标签页中设置Mean Mixture Fraction为1
点击OK按钮关闭对话框

设置Mean Mixture Fraction为1，Mixture Fraction Variance为0，表示该入口为‘fuel’反应物入口

2、vel-inlet-right

鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > vel-inlet-right，弹出参数设置对话框
Momentum标签页下参数按下图所示参数设置
Species标签页下参数按下图所示设置

3、pressure-outlet

鼠标双击模型树节点Boundary Condtions > pressure-outlet，弹出设置对话框中采用默认设置

2.7 Initialization

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

2.8 Run Calculation

鼠标双击模型树节点Solution > Run Calculation，右侧面板中设置Number of Iterations为250，点击按钮Calculate进行计算

计算230步达到收敛，如下图所示。
鼠标双击模型树节点Solution > Method，右侧面板设置Pressure选项为PRESTO!，设置其他所有项为Second Order Upwind
鼠标双击模型树节点Solution > Run Calculation，右侧面板中设置Number of Iterations为250，点击按钮Calculate进行计算
大约计算100步后计算收敛。
利用菜单File → Write → case & data...保存文件

2.9 查看结果文件

1、查看对称面上速度

鼠标双击模型树节点Results > Contours，弹出对话框中按下图所示设置

速度分布如下图所示。

2、查看湍流粘度

3、查看scalar dissipation

2.10 Unsteady Flamelet

鼠标双击模型树节点Models > Species，弹出对话框中激活选项Unsteady Diffusion Flamelet
切换至Flamelet标签页，按下图所示参数进行设置，点击按钮Initialize Unsteady Flamelet Probability构建燃烧概率初始化
鼠标双击模型树节点Results > Contours，弹出对话框中按下图所示设置

查看得到Probability of Flamelet-1如下图所示