FLUENT绝热燃烧模拟简单案例

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1 前言

通俗地讲，燃烧指的是可燃物与氧气或空气进行的快速放热和发光的氧化反应，并以火焰的形式出现。在燃烧过程中，燃料、氧气和燃烧产物三者之间进行着动量、热量和质量传递，形成火焰这种有多组分浓度梯度和不等温多相流动的复杂结构。由于燃烧过程的复杂性，实验研究是探讨燃烧工程的主要手段，还有一种比较好的方法，就是利用计算流体力学进行数值模拟。FLUENT含有丰富的燃烧模型，可以解决多种燃烧问题，燃烧学是一门复杂的学科，关于燃烧的理论以及FLUENT的燃烧模型，读者可以自行查阅相关资料。

本文以甲烷燃烧为例，模拟一个简单的燃烧器，并与工艺流程分析软件ASPEN计算结果进行对比。

2 模型描述

建立一个二维平面燃烧器模型，底部有6个空气入口和1个甲烷入口，每个空气入口的流速为0.12m/s，甲烷入口流速为0.005625m/s，燃料和空气的温度均为350℃，燃烧器壁面按绝热处理，暂不考虑辐射传热。由模型可知，燃料和空气分别从不同的入口进入燃烧器，该燃烧类型为非预混燃烧。

3 求解设置

本文分别采用涡耗散（Eddy Dissipation）模型、非预混燃烧化学平衡模型（Non-Premixed Combustion/Chemical Equilibrium）和非预混燃烧层流火焰面扩散模型（Non-Premixed Combustion/Steady Diffusion Flamelet）对该燃烧器进行模拟，混合模型采用FLUENT自带的甲烷-空气模型，湍流模型采用realizable k-e模型。

采用涡耗散模型时，进行如下基本设置

采用非预混燃烧化学平衡模型时，进行如下基本设置，注意在table选项点击calculate PDF table以生成概率密度函数表并保存。

采用非预混燃烧层流火焰面扩散模型时，进行如下基本设置，注意导入化学反应动力学机理文件（位于安装目录/v201/fluent/fluent20.1.0/KINetics里面），注意在Flamelet选项点击calculate Flamelets生成火焰，同样注意在table选项点击calculate PDF table以生成概率密度函数表并保存。

稳态计算，入口采用速度入口边界，出口采用压力出口边界，其他设置按默认即可。

4 计算结果

三种模型对应的速度分布如下图，可以看出两种非预混模型的速度分布基本一致。

三种模型对应的温度分布如下图，可以看出两种非预混模型的温度分布基本一致，且与涡耗散模型的分布差别较大，火焰温度也有较大差异，涡耗散模型整体的化学反应速率由湍流混合情况控制，未考虑分子输运和化学动力学因素，仅能用于非预混燃烧。非预混燃烧通过概率密度函数PDF来考虑湍流的影响，其中层流火焰扩散模型还考虑了化学平衡状态下的空气动力学分离情况，从火焰的模拟讲，非预混模型应该比涡耗散更为准确。