114、Fluent模拟甲烷-空气的湍流燃烧及NOx污染物的生成

甲烷-空气燃烧广泛应用于燃气炉、锅炉和燃气轮机中，是放热的完全燃烧反应，能够释放大量热能。在工程实际中，空气作为氧化剂引入，由于含有惰性气体（如 N₂），燃烧温度受到一定限制，通常在2000–2300 K之间。其基本化学反应为 

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

甲烷-空气燃烧过程常为湍流扩散火焰，涉及复杂的物种混合、热传递与湍流-化学耦合，通常使用涡耗散模型(Eddy-Dissipation)描述燃烧速率，以预测温度场、反应产物及污染物（如 NOx）的生成。

一根位于燃烧器中心的小喷嘴以80 m/s 的速度喷射甲烷。环境空气以0.5 m/s 的速度同轴进入燃烧器。整体当量比约为0.76（约为28%过量空气）。高速甲烷射流最初几乎不受外壁干扰地膨胀，并与低速空气夹带混合。

以甲烷喷射口直径为基准的雷诺数约为5700。

3.1 导入网格

使用Fluent软件打开Chapter114.msh网格文件，文件在本文末尾链接资源内。注意，本案例为2D模型，打开Fluent软件时在 Dimension选项中选择2D。在Options中启用双精度(Double Precision)。

选择网格文件时要注意，由于本案例网格文件为msh格式，文件类型需要选择.msh，才能看到网格文件

导入mesh文件后，点击Display，将显示模型

3.2 修改模型尺寸

本案例原模型尺寸以m为单位，需要缩放1000倍变为以mm为单位。

打开Scale mesh，勾选Specify Scaling Factors，在Mesh Was Created In 中选择“mm”；点击Scale；模型缩放1000倍。

3.3 求解器设置

基于压力求解器，瞬态设置，不勾选重力，选择2D Space列表中的Axisymmetric以启用轴对称模型。

选择Axisymmetric后，控制台会出现下面的警告信息

这是因为选择Axisymmetric，边界条件必须设置axis。后面边界条件会设置，此处不必理会此警告信息

4.1 能量方程

打开能量方程以开启传热

4.2 湍流模型设置

湍流模型选择 k-ω SST模型，保持默认设置即可

4.3 组分输运模型和化学反应

打开组分输运模型

Reactions中勾选Volumetric；

Mixture Material下拉菜单中选择methane-air(甲烷-空气)；

在Turbulence-Chemistry Interaction选择Eddy-Dissipation；

注：

涡耗散模型(EDM)假设在湍流流动中，燃料和氧化剂的混合是控制燃烧速率的主要因素，而化学反应本身的速率可以忽略不计。因此，反应速率由湍流混合时间尺度决定，通常与湍流动能和湍流耗散率相关。

5.1 化学反应设置

双击methane-air

打开methane-air材料界面

在Reaction右侧点击Edit...，打开反应设置对话框

Total Number of Recations：设置为1，表示化学反应个数为1个。化学反应方程式如下：

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Number of Reactants：设置为2，表示反应物为2个，分别为CH₄和O₂ 。

Number of Products：设置为2，表示生成物为2个，分别为CO₂和H₂O

Stoich. Coefficient：表示化学反应的化学计量系数。对于反应物分别为1和2，生成物也为1和2

Rate Exponent：速率指数，用于定义反应速率对各参与物种浓度的依赖程度。对于基本反应，速率指数通常等于反应物的化学计量系数。对于全局反应或复杂反应，速率指数通过实验数据拟合获得，可能不等于化学计量系数。本案例设置速率指数为0.2和1.3

Mixing Rate：混合速率，A和B是用于涡耗散模型中反应速率计算的经验常数

A（默认值 4.0）：用于反应物的湍流混合速率计算。

B（默认值 0.5）：用于产物的湍流混合速率计算

这些默认值基于Magnussen 和 Hjertager的经验研究，适用于大多数工程应用。一般保持默认即可。

注：Eddy-Dissipation Model作为湍流-化学反应耦合模型时，阿伦尼乌斯速率将被忽略，反应速率仅由“混合速率”参数决定。

阿伦尼乌斯速率”部分将变为不可编辑状态

5.2 材料属性设置

密度使用incompressible-ideal-gas；

比热Cp使用mixing-law；

热导率、粘度、质量扩散率保留默认值；

除密度和比热外，其他传输属性均为常数

6.1 对称面区域类型更改为axis

选择symmetry-5，将Type更改为axis，表示旋转轴对称

6.2 空气入口velocity-inlet-8

velocity-inlet-8设置为速度入口，打开界面如下

输入区域名称为air-inlet

设置速度大小为0.5 m/s；

在湍流设置中选择Intensity and Hydraulic Diameter；

湍流强度设为10%，水力直径设为0.44 m；

温度设为300 K

组分质量分数中设置氧气O₂为0.23，则N₂的质量分数就为0.77

6.3 甲烷入口velocity-inlet-6

velocity-inlet-6设置为速度入口，打开界面如下

区域命名为fuel-inlet

速度为80 m/s；湍流强度10%，水力直径为0.01 m；

温度300 K

组分质量分数中设置甲烷CH₄为1

6.4 出口边界pressure-outlet-9

pressure-outlet-9设置为压力出口

保留默认表压为 0 Pa

在湍流设置中选择Intensity and Hydraulic Diameter

回流湍流强度设为10%，水力直径设为0.45 m

回流总温度设为300 K

回流组分氧气 O₂ 质量分数设为0.23

注：回流设置仅在出口发生回流时才会生效。即使一般情况下不会出现回流，也应设置合理数值，以保证中间迭代过程中解的稳定性。

6.5 壁面wall-7

wall-7设置为wall，打开界面

区域命名为outer-wall

Thermal Condition选择Temperature，保持默认温度300 K；

6.6 燃料入口喷嘴壁wall-2

wall-2设置为wall

区域命名为nozzle；

Thermal Condition保持为默认的“Heat Flux”，设定为0 W/m²，即设为绝热壁；

首先我们忽略污染物的形成，仅计算基础反应流解

7.1 求解方法

Solution → Solution → Methods..  保持默认设置

Solution→Initialization

选择Hybrid Initialization，点击Initialize，详细内容可参考文章：

Time Scale Factor 设置为5；设置迭代次数为200；点击Calculate。

注：较大的时间步长可加快收敛速度。但是，如果时间步长太大，则可能导致解不稳定。

计算残差图

保存计算结果和案例文件（Chapter114-1.cas.h5 和 Chapter114-1.dat.h5）

File → Write → Case & Data...

10.1 报告总显热传热率

Results → Reports → Fluxes...

选项中选择Total Sensible Heat Transfer Rate

在边界列表中全选；点击Compute

Net Results的数值相较于Heat of Reaction Source相比很小。说明总能量平衡良好

10.2 温度云图

Results → Graphics → Contours → New\...

命名为 contour-temp；

选择Filled选项、Banded；

在Contours of中选择 Temperature → Static Temperature；

 峰值温度约为 2300 K。

10.3 速度矢量图

Results → Graphics → Vectors → New\...

命名为 vector-vel，样式为 arrow；缩放系数为0.01

点击Vector Options

启用Fixed Length，Scale Head设置为0.1

注：Fixed Length表示箭头长大不表示速度大小，速度大小仅通过颜色描述。

通过速度矢量图，可清晰看到空气被高速甲烷射流夹带。

10.4 CH₄ 质量分数云图

设置云图明显为contour-ch4-mass-fraction

Contours of 选择 Species → Mass fraction of ch4

10.5 O₂、CO₂、H₂O 质量分数云图

 O₂质量分数云图

CO₂质量分数云图

H₂O 质量分数云图

10.6 计算出口平均温度

Results → Reports → Surface Integrals...

类型为Mass-Weighted Average，变量为Static Temperature；

表面选择pressure-outlet-9

质量平均计算公式

出口平均温度约为 1840 K。

10.7 计算出口平均速度

类型为Area-Weighted Average，变量为 Velocity Magnitude。

面积平均计算公式

出口平均速度约为 3.31 m/s。

11.1 启用 NOx 模型

Setup → Models → Species → NOx Edit...

勾选Thermal NOx 和 Prompt NOx

Fuel Species选择燃料物种为 ch4

点击Turbulence Interaction Mode

PDF Mode 设为 temperature；

注：

• 在燃烧模拟中，湍流会引起温度和物种浓度的波动，这些波动对化学反应速率，尤其是NOx的生成有显著影响。

  
  

• 选择“temperature”，Fluent 将考虑这些湍流引起的温度波动对平均反应速率的影响，从而更准确地预测 NOx 的形成。

  
  

• PDF Type 选择 beta，PDF Points 设为 20；PDF Points 从10增加到20，以获得更准确的NOx预测。

温度方差模式设为“transported”；

Thermal 页面中，[O] Model设为“partial-equilibrium”；

Prompt 页面Fuel Carbon Number设置为1，Equivalence Ratio设为 0.76；

注：

• Fuel Carbon Number 是指燃料分子中碳原子的数量，对于甲烷CH₄而言，该值为 1。

• Equivalence Ratio是一个无量纲参数，用于描述燃料与氧化剂之间的比例关系。设置等效比为 0.76 表示采用贫燃混合，有助于减少 Prompt NOx 的生成。

11.2 控制仅求解 NO 物种与温度方差

Solution → Controls → Equations...

取消其他变量，仅保留Pollutant no和Temperature Variance。

注：

在燃烧模拟完成后，利用已获得的流场、温度场和主要物种浓度（如 CH₄、O₂、CO₂、H₂O）等数据，单独求解 NO 的输运方程。

由于 NO 的浓度通常较低，对整体燃烧过程的影响可以忽略，因此这种方法在计算效率和准确性之间取得了良好的平衡。

11.3 运行 25 次迭代

运行 25 次迭代

12.1  NO质量分数云图

命名为contour-no-mass-fraction，Contours of 中选择 NOx → Mass fraction of Pollutant no。

12.2 出口平均 NO 质量分数

Results → Reports → Surface Integrals...

计算出口平均 NO 质量分数：约为 0.00445。

仅保留 Thermal NOx，保存并运行25次迭代。

14.1 NO质量分数云图

仅热机制下 NO 浓度略低

14.2 NOx 出口质量分数

仅热 NOx 出口质量分数约为 0.00441。

禁用 Thermal NOx，仅启用 Prompt NOx，运行25次迭代。

火焰为贫燃，Prompt NOx 较低

16.1 NO质量分数云图

当燃烧处于贫燃（Φ < 1）状态时，燃料中的碳氢自由基浓度较低，限制了 Prompt NOx 的生成。此外，贫燃条件下的温度较低，也不利于 Prompt NOx 的形成。

因此，在贫燃火焰中，Prompt NOx 的生成量通常较低。

16.2 Prompt NOx 出口质量分数

 Prompt NOx 出口质量分数约为 9.87e-05。

注：热力NO（thermal NO） 和 快速 NO（prompt NO） 的质量分数并不简单相加得出总 NO 的浓度；单独计算热力 NO 和快速 NO 的生成量，然后将其相加，可能会高估实际的 NO 浓度。

16.3 自定义函数计算 NO ppm

16.4  NO ppm云图

Contours of 选择Custom Field Functions下的no-ppm

本案例模拟了甲烷-空气湍流扩散火焰中的燃烧过程，采用单步反应机理和不含辐射的简化模型，该方法可有效捕捉主要反应特征。

为进一步提高预测精度，建议引入中间产物和辐射效应，尤其是在壁温较低的条件下，辐射对温度分布影响显著，需加以考虑。