©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
燃烧模拟

广泛应用与均相和非均相燃 烧过程模拟

燃烧炉 锅炉 加热器 燃气轮机 火箭发动机 流场流动特性及其混合特 性 温度场 组分浓度场 颗粒和污染物排放
Temperature in a gas furnace

求解内容

缺点:


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守恒标量 (混合物分数) 模型: PDF 模型

只适应用于非预混 (扩散) 火焰燃烧 假定化学反应过程受混合速率控制

满足局部化学平衡. 控制体（计算单元）组分、物性决定于燃料和氧化剂在该处的混合程 度. 用化学平衡计算来处理化学反应 (prePDF).
i i ( f , c ) Pf ( f ) Pc ( c )dc df
00

只适合绝热系统（FLUENT V5） Import strained flame calculations

prePDF or Sandia’s OPPDIF code

Single or multiple flamelets
f=1 f=0 f=1
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系统化学平衡假设

化学反应很快到达平衡. 可以考虑中间组分.
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PDF 模拟Turbulence-Chemistry相互作用

Fluctuating mixture fraction is completely defined by its probability density function (PDF).
可以用单个混合物分数模拟的燃烧系统

Fuel/air 扩散火焰:
60% CH4 40% CO 21% O2 79% N2
f=1 f=0
35% O2 65% N2

多氧化剂入口的扩散火焰:
60% CH4 40% CO 35% O2 65% N2
f=0
f=1
f=0

多燃料进口的扩散火焰:
60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2 21% O2 79% N2 60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2

化学反应机理不明确.


只求解混合物分数及其方差的输运方程, 无需求解组分的输运方程. 可以严格考虑湍流与化学反应的相互作用
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混合分数定义

混合分数, f, 写成元素的质量分数形式:
f

Z k Z k ,O Z k , F Z k ,O
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模拟燃烧过程的化学反应动力学

难点与挑战


多数实际的燃烧过程是湍流 化学反应速率高度非线性; 湍流－化学反应高度耦合，相互作用很重 要。 真实化学反应机理包含数十个组分, 数百个基元反应，并且方程组极 具刚性 (基元化学反应时间尺度相差大) 简化化学反应机理
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混合分数/PDF模型小节

优点:



可以计算中间组分. 考虑分裂影响. 考虑湍流－化学反应之间作用. 无需求解组分输运方程（特别是多组分），简化计算量 性能好，经济
系统必须满足（靠近）局部平衡. 不能用于可压速或非湍流流动. 不能用于预混燃烧.
FLUENT用第二守恒标量可以模拟:


第二守恒标量:


Two fuel streams with different compositions and single oxidizer stream (visa versa) Nonreacting stream in addition to a fuel and an oxidizer Co-firing a gaseous fuel with another gaseous, liquid, or coal fuel Firing single coal with two off-gases (volatiles and char burnout products) tracked separately

CO2 mass fraction


Stream function
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燃烧模型概要
稀疏相模型
液滴/颗粒动力学 非均相反应 液化 蒸发
燃烧模型
预混 局部预混 非预混燃烧
输运控制方程
质量 动量 (湍流) 能量 化学组分
பைடு நூலகம்
污染物模型
辐射换热模型
其中， Zk 是元素k的质量分数 ；下标 F 和O 表示燃料和氧化剂进口流 处的值。


对于简单的 fuel/oxidizer系统, 混合物分数代表计算控制体里的燃料 质量分数. 混合物分数是守恒标量（conserved scalar）:

组分输运方程中没有化学反应源项.
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Single: Multiple:

user specified strain, a strained flamelet library, 0 < a < aextinction
a=0 equilibrium a= aextinction is the maximum strain rate before flame extinguishes
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有限化学反应速率模型设置

要求:

给出组分及其物性 给出化学反应及其反应速率在内的化学反应动力学数据

FLUENT V5 在mixture material database里面提供了数据

对于常用的燃料，数据库都会给定机理，组分物性等信息. 如果用户需要给定个性化机理，则:

组分 j的源项 (产生或消耗）是机理中所有k个反应的净反应速率 :
R j R jk
k


Rjk (第k 个化学反应生成或消耗的j 组分)是根据 Arrhenius速率公式 、混合或涡旋破碎（EBU）速率的小值。. 混合速率与涡旋寿命相关, k /.

物理意义是湍流涡旋是决定化学反应的首要因素。对于非预混燃烧 ，湍流涡旋决定了组分混合；对于预混燃烧湍流决定了热输运（高 温加热低温）。即：化学反应决定于湍流混合组分（非预混燃烧） 和热量（预混燃烧）的速率。

生成新的混合物. 改变已有混合物的物性/化学反应.
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有限速率模型小节

优点:


可以应用于nonpremixed, partially premixed和premixed combustion 简单、直观 应用广泛 不适合混合速率与化学反应动力学时间尺度相当时候的化学反应 (要 求 Da >>1). 没有严格考虑湍流－化学反应之间的相互作用问题 不能考虑中间产物或组分、不能考虑分裂影响. 模型常数不确定, 特别是用于计算多个化学反应的时候尤为如此，模 型常数通用性较差。.

i i ( f , c )

c (f / x)2
c 与当地应变率有关
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层流火焰面模型(2)

用指定概率密度函数（PDF） P(f,c) 的方法来决定层流火焰面系综 。假定的概率包括计算为：Pf (f) Pc (c), 其中， Pf (f) 用Beta 函数， Pc (c) 用delta函数 1
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Fluent燃烧模型




有限速率模型 求解组分的质量分数输运方程，化学反应机理由用户自己定 义。 非预混燃烧模型 该模型中并不求解单个组分的输运方程，而是求解一个或者 两个守恒标量（混合分数）的输运方程 预混燃烧模型 模拟完全混合的燃烧问题。充分混合的燃烧物和产物被火焰 前锋分隔，求解出的化学反应进展变量来描述该火焰前峰的位置 部分预混燃烧模型 该模型用来处理系统中同时具有非预混和充分预混的情况。 该方法同时求解了混合分数和反应进展变量

Possible to model local extinction pockets (e.g. lifted flames)
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预混燃烧的Zimont模型

用单个过程变量来模拟热－化学过程,
p(V )V lim 1 T T

i
i


p(V), the PDF, represents fraction of sampling time when variable, V, takes a value between V and V + V. p(f) can be used to compute time-averaged values of variables that 1 i 0 p( f ) i ( f )df depend on the mixture fraction, f: