1 案例描述

本案例计算化学组分的混合及气体燃料的燃烧过程。

计算模型如下图所示。一个300 kW的旋流燃烧器，具有24个径向燃料入口及一个环形空气入口，考虑燃烧器内的燃烧过程。

本案例主要演示以下内容：

• 导入2D Fluent网格，求解轴对称问题
• 使用UDF指定边界上的速度及温度分布
• 创建化学反应材料介质以及反应方程
• 使用涡耗散模型及有限速率燃烧模型
• 使用P1辐射模型

2 CFX设置

• 启动CFX 2021R1，指定工作路径并进入CFX-Pre

• 如下图所示，新建一个General Case

2.1 导入网格

• 选择菜单File → Import → Mesh…导入计算网格

• 如下图所示选择网格文件berl.msh，修改网格参数

注：默认情况下CFX会将2D网格转换为一个5°角度的3D楔形区域。本案例采用周期面，不改这些参数其实也是可以的。

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2.2 创建化学反应

• 右键选择模型树节点Materials，选择弹出菜单项Insert → Material

• 修改名称为methane air mixture，如下图所示

• 材料设置面板中的Basic Settings标签页下进行如下图所示设置

• 进入Mixture Properties标签页，如下图所示进行设置

2.3 创建自定义函数

这里导入外部文件中保存的数据，采用线性插值，类似于Fluent中的Profile。

• 鼠标右键选择模型树节点User Functions，如下图所示选择菜单项Insert → User Function

• 修改名称为axial vel

• 如下图所示
• 列表空白位置点击鼠标右键，选择Import Data…，打开的文件对话框中选择文件u_vel.csv
• 指定Argument Units为**[m]，指定Result Unit为[m]**
• 激活选项Extend Min及Extend Max

• 数据导入完毕后如下图所示，点击OK按钮关闭对话框

• 相同方式创建axial vel，导入文件w_vel.csv

• 相同方式创建Temperature，导入文件T_prof.csv ，修改Result Units为**[K]**

2.4 设置计算区域

• 鼠标双击模型树节点Default Domain，打开区域设置对话框
• 进入Basic Settings标签页，设置Material为前面创建的材料methane air mixture

• 进入Fluid Models标签页
• 设置Heat Transfer Option为Thermal Energy
• 设置Combustion Option为Finite Rate Chemistry and Eddy Dissipation
• 设置Thermal Radiation Option为P 1
• 设置Spectral Model Option为Gray
• 设置Scattering Model Option为Isotropic
• 指定N2为Constraint

• 进入Initialization标签页
• 指定Static Pressure的初始值为0 Pa
• 设置Temperature为1300 K
• 指定CO2的质量分数为0.01，O2的质量分数为0.233

注：假设区域中初始时刻主要由空气组成，空气中的氧气质量分数为0.233。燃烧模型需要少量的反应产物(CO2、H2O和NO)来启动燃烧。也可以用高温(1300K)进行初始化以防止火焰熄灭。

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2.5 边界条件

• 右键选择模型树节点Default Domain，选择弹出菜单项Insert Boundary，创建边界条件air inlet

• 选择边界位置为air inlet 4

• 如下图所示指定air inlet的边界条件
• Mass and Momentum Option ：Cyl. Velocity  Components
• Axial component：axial vel(y)
• Radial component：0
• Theta Component：swirl vel(y)
• Rotation Axis：Global X
• Turbulence option：Intensity and Length  Scale
• Fractional Intensity：0.17
• Eddy Length Scale：0.029 [m]
• Heat Transfer Option ：Static Temperature 312  [K]
• Component Details：O2 > Mass Fraction : 0.233

• 相同方式创建边界fuel inlet，指定其边界位置为fuel inlet 5，其他参数如下图所示，指定该边界上CH4的质量分数为1

• 创建outlet边界，指定该边界位置为poutlet 3，如下图所示指定边界条件

• 创建壁面边界wall6，指定边界位置为wall 6
• 指定Fixed Temperature为1370 K
• 指定Emissivity为0.5，指定Diffuse Fraction为1

• 其他壁面边界如下表所示

2.6 创建分界面

• 右键选择模型树节点Interfaces，选择弹出菜单项Insert → Domain Interface

• 如下图所示创建周期边界，注意进入Mesh Connection标签页设置Mesh Connection Option为1:1

2.7 创建监测

• 如下图所示监测出口位置的CO2质量分数

• 监测出口位置的平均温度

2.8 求解控制

• 设置Solver Control参数，如下图所示

2.9 进行计算

• 进行计算

• 指定计算参数

注：若此处采用并行计算，有时需要修改Partitioner标签页下的MeTiS Type参数。

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• 监测的CO2质量分数变化如下图所示

• 监测得到的温度变化如下图所示

3 计算结果

• 周期面上温度场分布，如下图所示

• 统计出口面上CO2质量分数，如下图所示

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