Fluent案例｜利用FGM模型模拟甲烷燃烧

本案例利用Fluent中的FGM模拟筒式燃烧器内部燃烧过程。

案例目的：

• 设置FGM模型以模拟部分预混气态甲烷燃烧
• 指定预混燃烧边界条件
• 反应流后处理

1 问题描述

本教程介绍使用扩散小火焰生成流型模型（Flamelet Generated Manifold，FGM）模拟部分预混合气体燃烧。案例中，甲烷(质量流量0.00525 kg/s，温度365 K）通过 6 个小区域注入的气态甲烷。空气通过 2 个不同的进入计算区域：

• 主空气通过一个轴向旋转区域进入计算域（质量流量0.15 kg/s，温度703 K）
• 次级空气通过炉膛更远处的冷却孔进入计算域（质量流量0.025 kg/s，温度703K）

燃烧器内部工作压力为4 bar。计算模型如图所示。

2 Fluent设置

• 以3D、Double Precision方式启动Fluent

• 利用菜单File → Read → Mesh...读取计算网格combustor_poly_mesh.msh（网格文件可以在文末下载）

2.1 General设置

• 采用Pressure-Based及Steady进行计算

2.2 Models设置

1、开启能量方程

• 利用模型树节点Models → Energy打开Energy对话框，激活Energy模型

2、湍流模型

• 利用模型树节点Models → Viscous打开Viscous Model对话框，激活Realiazable k-epsilon湍流模型
• Enhanced wall treatment
• Curvature correction
• Production limiter

3、组分模型

• 利用模型树节点Model → Species打开Species Model对话框
• 选择Partially Premixed Combustion模型

1. 进入Chemistry选项卡，进行以下设置
• Famelet Generated Manifold
• Non Adiabatic
• Operating Pressure ：400000 [Pa]
• Create Flamelet
• Diffusion Flamelet
• Import Chemkin Mechanism，导入机理文件Nat_Gas.inp

如下图所示导入机理文件。

1. 进入Boundary选项卡
• 指定Fuel列中ch4为1，指定Oxid列中o2为0.233
• 设置Fuel温度为365 K ，Oxid温度为703 K
• 采用Mass Fraction

1. 进入Flamelet 选项卡
• 点击按钮Calculate Flamelets生成小火焰
• 在弹出的询问对话框中点击Yes按钮保存小火焰文件

小火焰构造完毕后，可以点击按钮Display Flamelets...查看小火焰分布。

注：通常建议将混合分数和进度变量点数量设置为64，这样能有更高的分辨率。本案例使用默认值32只是为了加快求解！

”

1. 进入Table选项卡
• 取消选项Automated Grid Refinement
• 点击按钮Calculate PDF Table生成PDF表

2.3 设置边界条件

1、inletair1边界

• 指定流量为0.15 kg/s

• 指定温度为703 K

• Species选项卡中保持默认。其中Progress Variable指定为0表示未燃，Mean Mixture Fraction指定为0表示为Oxide

2、inletair2边界

• 指定流量为0.025 kg/s

• 指定温度为703 K

• Species选项卡中保持默认。其中Progress Variable指定为0表示未燃，Mean Mixture Fraction指定为0表示为Oxide

3、fuelinlet边界

• 指定入口流量为0.00525 kg/s

• 指定温度为365 K

• 指定Mean Mixture Fraction为1 ，表示进入的是Fuel

4、outlet边界

• 激活选项Average Pressure Specification，其他参数保持默认设置

• 指定Backflow Progress Variable为1

2.4 Methods设置

• 如下图所示设置求解方法

注：也可以勾选Warped-Face Gradient Correction，此选项通常与多面体网格相关。

”

2.5 Controls设置

• 设置亚松弛因子

2.6 监测物理量

• 监测出口面上最高温度

也可以监测组分。

2.7 初始化

• 采用Hybrid Initialization进行初始化

• Patch整个区域的Progress Variable为1

2.8 求解计算

• 迭代计算5000 步

注：（1）如果未发生点火，可以在迭代100次后停止计算，在混合求解发展后将进度变量更新为1.0。（2）利用Time Scale Factor=1完成计算

”

监测值稳定后即可停止计算。

3 计算结果

• XZ面上温度分布

• CO质量分数

• H2O质量分数

• 燃料流线图

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