算例丨基于Fluent组分输运模型模拟锅炉混煤燃烧过程

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之前用组分输运做过一些混煤燃烧的工作，因为自己一开始接触组分输运的时候也遇到很多困难，用组分输运做混煤模拟更是一无所知，后来在之前课题组基础上，加上自己的摸索，对用组分输运做混煤模拟的套路大概了解了，所以就把这个“套路”总结了一下写了出来，希望可以帮到有需要的朋友。当然，下面的内容更多的是做混煤模拟的一个过程的描述，具体里面的有些参数的设置我也不是太懂，尤其是一些涉及到化学反应的参数，所以这篇文章只是告诉大家设置的“套路”，具体的参数还是要大家查阅相关文献或书籍。另外大家也没必要死搬硬套我这个套路，我这篇文章只是希望能给想做混煤模拟的朋友一些启发，大家应当在我这个文章的基础上多去琢磨，搞清楚每一步的设置都是在做什么，这样自己遇到一些我文中没有提到的问题时也能自己解决。

文中若有什么错误或未描述清楚的地方，欢迎互相交流。

1.打开species面板，选择species transport（组分输运），Reactions勾选上Volumetric，表示组分输运在某体积内有化学反应，Turbulence-Chemistry Interaction点选Finite-Rate/Eddy-Dissipation，表示化学反应是有限反应速率的，反应速率受化学反应本身与湍流混合二者共同控制。

2.点Finite-Rate/Eddy-Dissipation后，下面会出现coal calculator，用于对煤的反应进行计算，点coal calculator，弹出如下界面，根据煤质分析结果，填入相应数据，这里假设有两种煤，一种中等挥发份，取名为coal-mv，一种为高挥发份，取名为coal-hv，相应结果如下图。

3.点完Apply后点OK，会弹出如下界面。

4.这样coal-hv就设置好了，然后继续点coal-calculator，以同样的方法设置coal-mv。

再后面的设置比较复杂，我尽量说清楚。

5.退出species面板，打开material面板，可以看到Mixture已经有了coal-volatiles-air这种混合物。

但是里面只有coal-volatiles(vol)一种挥发份，我们需要两种，一种是高挥发份的(coal-hv-volatiles)，一种是中等挥发份的(coal-mv-volatiles)。为什么只有一种coal-volatiles(vol)？是因为我们每次在coal calculator里点OK后，软件就会把我们最后一次

在coal calculator里计算的数据替换到Material的Mixture里。我先计算的coal-hv，后计算的coal-mv的数据，所以现在的Mixture中的coal-volatiles对应的是coal-mv的数据，双击coal-volatiles查看一下流体属性也可以看到，coal-volatiles的属性和我们最后一次coal calculator计算时的属性是一样的，说明fluent会把mixture自动替换为我们最后一次计算的结果。这样我们就只能得到一种煤的参数，为了模拟混煤，我们要手动加上另一种煤的挥发份。我们已经知道现在的coal-volatiles(vol)就是我们最后一次计算的coal-mv中的挥发份的属性，所以要做的就是加上coal-hv中的挥发份的属性。（为了方便，我们最好把软件默认的名字coal-volatiles(vol)改为coal-mv-volatiles，便于后面设置时更清楚知道是哪个煤的，但是这里名字是灰色的，不能改，要改比较麻烦，后面有机会再说。）

6.接下来就是添加coal-hv的挥发份到Material-Mixture里。双击Fluid，打开流体设置面板，点击右侧的Fluent Database，我们从Fluent数据库中导入一种挥发份。

7.从Fluent Database选择coal-hv-colatiles(hv_vol)，注意Material Type要选fluid才能找到coal-hv-colatiles(hv_vol)。点Copy将这一流体加入到我们的Mixture中。

8.回到Material面板，可以看到我们的流体中已经有了coal-hv-volatiles(hv_vol)这一物质。

将coal calculator计算得到的数据在这里改一下。注意，这里我只说了要改Standard State Enthalpy这个参数，其他参数也要自己看一下，根据自己的煤种来决定是否也要改一下。

9.虽然fluid里已经有了coal-hv-volatiles(hv_vol)，但是我们可以看到它所对应的Mixture是none，也就是说，现在coal-hv-volatiles(hv_vol)还不属于我们的coal-volatiles-air这一Mixture，我们要把它加入到coal-volatiles-air里。

10.在Material面板，Material Type选mixture，Fluent Mixture Materials选coal-volatiles-air，然后点Mixture Species后面的Edit，设置混合物的组分。

11.点Edit后出现如下对话框，点中coal-hv-volatiles(hv_vol)，点add，添加到右边就可以了。

这时我们再回到Material面板查看coal-hv-volatiles(hv_vol)，发现coal-hv-volatiles(hv_vol)已经加入到了coal-volatiles-air中。

12.但是上面的设置有个问题，根据软件要求，Selected Species中，含量最大的组分应该放在最后，这是因为软件会根据前面几种组分的含量用差减计算最后一个组分的浓度。我们在加入hv_vol里，hv_vol被放在了最后，所以应该把n2放在最后。方法是把n2先remove，然后再add一次。

但是在remove n2的时候可能会出现以下错误。说n2在某一反应中正在使用，没法remove。这是因为我们的某一反应用到了n2。

13.解决n2不能remove的方法是把反应中有n2的地方给删了。我们先回到Material面板，按照图上的样子，点Reaction后面的Edit。

14.点Edit后出现如下界面，这是设置化学反应的界面，设置我们的挥发份如何进行反应，后面我们还进入这个页面设置，这里我们只是先解决掉n2不能remove的问题。可以看到，n2在化学反应中用到了，所以不能remove，按照图上的方法先去掉n2，去掉之前看到n2的化学反应系数是0.008，这里记住，后面再加上n2的时候还是按这个设置好。

15.我们再回到之前的界面，就可以把n2调到最后了。

16.至此，我们已经将两种煤都加入到了反应体系中，接下来就是设置具体的反应方式。回到我们之前设置的Reaction的那个界面，如下图。我们要设置这两种挥发份的反应机理。先选中vol这一种，之前我们把n2去掉了，这里按之前的样子加回来。其他参数的设置根据需要不同可能也要设置，比如化学反应的指前因子，活化能等等，这个要自己去查相关文献去确定，这里就不说了。

17.设置好vol后，我们把Total Number of Reactions的2改成3，也就是加一个反应，加的这个反应用来设置hv_vol的反应，ID那儿表示我正在设置第几个反应，可以看到ID1是vol的反应，ID2是CO的反应（因为我们设置的是两步反应模型，所以有一个CO的中间反应），将ID改为3，然后在Species里选hv_vol，设置hv_vol的反应。

18.hv_vol的设置如下图，可以对照vol的设置来进行，需要注意的在图中用红框圈出。

19.至此，Material设置完成，然后设置离散相，在injection里选择相应的煤即可。

20.injection设置了之后，Material面板就会出现combusting particle，分别双击两种煤，进行一些煤质设置。具体参数根据煤种不同会有不同，也会有一些经验数据，这里不再赘述，可以查阅相关文献或书籍来确定。

21.至此，关于混煤的设置就结束了，其他的参数设置可以自己进行。

来源：CAE仿真学社

Fluent 燃烧化学组分输运湍流控制

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首次发布时间：2023-06-13