第五章 fluent预混燃烧模型

1、五、预混燃烧模型五、预混燃烧模型 预混燃烧：燃料和氧化剂在点火之前进行 分子级别的混合，反应在燃烧区域发生， 这个区域将未燃烧的反应物和燃烧产物分 开。如吸气式内燃机、稀薄燃气轮机的燃 烧器、气体泄漏爆炸等。 预混燃烧模拟的难点预混燃烧模拟的难点 预混燃烧通常作为薄层火焰产生，被湍流拉伸或扭曲， 火焰传播的整体速率受层流火焰速度和湍流漩涡控制； 为得到层流火焰速度，需要确定内部火焰结构和详细 的化学动力学及分子扩散过程，实际的火焰厚度只有 微米级别； 湍流作用使得传播中的层流火焰杯皱折、拉伸，增加 了薄层面积，提高了火焰速度； 关键：捕获湍流火焰速度，受层流火焰速度和湍流的 影响。 预混模型使

2、用限制预混模型使用限制 必须使用非耦合求解器； （define-models-solver: Pressure based） 只对湍流、亚音速模型有效； 不能和污染物模型（如NOx）一起使用； 不能模拟离散相粒子的反应，只有惰性粒 子才能与预混模型一起使用。 1、预混模型理论、预混模型理论 火焰前锋的传播：预混燃烧时，火焰发生在一个 非常薄的火焰层火焰层中，火焰前锋移动时，未燃反应 物燃烧变为产物，火焰层将反应的流场分为已燃已燃 物区和未燃物区物区和未燃物区，反应的传播等同于火焰前锋的 传播 预混燃烧预混燃烧-Zimont模型模型 反应进程变量c： Yp：当前产物的质量分数； Ypad ：完全

3、绝热燃烧后产物的质量分数； 标量c的输运方程： Sct：施密特数，Sc为反应进程源项： Ut：湍流火焰速度，求解的关键关键。 p ad p p p YYc/ 受两个因素影响：层流火焰速度；涡流引 起的火焰前锋的折皱、拉伸和加厚。 求解湍流火焰传播速度Ut时考虑： （1）预混燃料当量比 （2）湍流引起的火焰前锋皱折和增厚 （3）湍流拉伸引起的火焰前锋淬熄 （4）分子扩散 湍流火焰速度湍流火焰速度 化学反应时间尺度。 湍流火焰速度湍流火焰速度 FLUENT中计算火焰速度公式： A模型常数，u速度均方值，Ul层流火焰传播速度， 为热扩散系数， 为湍流时间长度尺度， 湍 流时间尺度， 湍流化学反应时间

4、尺度。 4/14/14/1 2/1 4/3 )( ) ( c t tlt AulUuAU p ck/ /3uCl Dt /ult t 2 / lc U 湍流长度尺寸常数CD 湍流火焰速度常数A 拉伸系数 湍流施密特数Sct 拉伸系数拉伸系数 为了考虑火焰面拉伸所导致的吹熄现象，在 反应源项中乘以一个拉伸因子 G，即 ： 其中： 以上各式中出现的一些常数值在FLUENT默认条件下为： A=0.52，CD=0.37，str=0.26， Sct =0.7 C SG 温度的计算温度的计算 绝热温度计算：模型假设未燃混合物温度 Tu和绝热条件下燃烧产物温度Tad之间成线 性变化。 温度计算温度计算 非绝

5、热温度计算：求解能量输运方程中得到 系统中能量 的得失，包括化学反应热源、辐 射产生热损失等，以焓表示的能量方程为： Sh,rad：辐射导致的热损失； Sh,chem：化学反应得到的热量 反应进程源项： Hcomb:每1kg燃料产生的热量，Yfuel：未燃混合物中燃料的质量分数。 fuelcombCchemh YHSS , 密度的计算密度的计算 绝热火焰 非绝热火焰 2、预混燃烧模型的使用、预混燃烧模型的使用 适用条件：湍流、快速化学反应、预混合； 案例：（1）预混合反应流系统； （2）低预混合燃气涡轮燃烧室。 限制条件：不能模拟点火、熄灭和低Da数 的情况。 3、FLUENT相关设置相关设置

6、 1、选择预混模型 2、确定绝热或非绝热 （如果有fluent材料库 中的模型，可以首先选 择一种） FLUENT相关设置相关设置 2、定义材料属性、定义材料属性 绝热绝热 未燃反应物密度未燃反应物密度 未燃反应物温度未燃反应物温度 绝热燃烧产物温度绝热燃烧产物温度 动力黏度动力黏度 热扩散系数热扩散系数 层流火焰传播速度层流火焰传播速度 临界变化率（火焰拉伸）临界变化率（火焰拉伸） FLUENT相关设置相关设置 2、定义材料属性、定义材料属性 非绝热非绝热 未燃反应物密度未燃反应物密度 未燃反应物温度未燃反应物温度 比热比热 导热率导热率 动力黏度动力黏度 热扩散系数热扩散系数 层流火焰传播

7、速度层流火焰传播速度 临界变化率（火焰拉伸）临界变化率（火焰拉伸） 燃烧热燃烧热 未燃物质量分数未燃物质量分数 FLUENT相关设置相关设置 3、设置边界条件 （关键在于设置反应 进程量C的值） C=0:未燃混合物 C=1：燃烧后的混合物 FLUENT相关设置相关设置 计算后处理计算后处理 进程变量C Damkohler数 （混合时间/反应时间） 拉伸因子 湍流火焰速度 静态温度 产物生成速率 层流火焰速度 临界应力速率 未燃燃料质量分数 FLUENT相关设置相关设置 显示质量分数用户定义函数用户定义函数 未燃混合物中某种物质浓度： 已燃混合物中某种物质浓度： Define-custom field function cYu1 cYb