多组分与燃烧分析
从高效锅炉到澎湃航发，从清洁燃烧到污染控制，燃烧过程的精准模拟是现代工业设计的基石。面对湍流、化学反应、多相流的复杂交织，选择合适的模型，探究主流燃烧模型的核心原理
分享人：某飞仿真工程师
一、燃烧模拟：挑战与机遇并存
燃烧无处不在（锅炉、加热炉、燃气轮机、火箭发动机...），但其模拟却充满挑战：
１、湍流主导： 绝大多数实际燃烧过程都处于高度湍流状态。
2、强非线性： 化学反应速率对温度、浓度极其敏感，变化剧烈。
3、强耦合难题： 湍流脉动与化学反应速率相互影响、深度耦合。
4、复杂机理： 真实燃料的详细化学反应包含数十种组分、数百步基元反应，计算刚性大（反应时间尺度差异巨大）。
应对之道： FLUENT提供了多种燃烧模型，核心思路是合理简化：
简化化学反应机理： 如总包反应。
弱化化学，强调混合： 认为混合速率是控制步骤（如PDF模型）。
火焰结构建模： 如层流火焰面、预混火焰传播模型。
二、FLUENT燃烧模型“全家桶”
FLUENT主要提供四大类燃烧模型，应对不同燃烧形态：
1、有限速率模型 (Finite-Rate Model)
核心： 直接求解 每个化学组分的质量分数输运方程。化学反应速率由用户定义的机理（如总包反应或简化机理）决定。
速率计算： 化学反应源项通常取Arrhenius（动力学控制）速率和湍流混合速率（EBU模型，k/ε控制）中的较小值。
物理意义： 强调湍流混合（决定燃料/氧化剂接触或热量传递）是限制总反应速率的关键因素。
设置要点： 需定义所有组分及其物性、化学反应方程式及速率常数。FLUENT V5+内置了常用燃料的mixture material database，用户也可自定义。
2、非预混燃烧模型 (PDF / 混合物分数模型)
核心： 仅适用于扩散火焰（非预混）。假设化学反应无限快，达到局部化学平衡。控制体内状态（温度、密度、组分）仅由燃料与氧化剂的混合程度决定。
关键变量：混合分数 f
定义为基于元素的守恒标量 (例如：f = (Zk - Zk,ox) / (Zk,fuel - Zk,ox))。
物理意义：在简单系统中，f 可理解为当地燃料的质量分数。
前提： 化学反应极快（混合控制），满足局部平衡（可通过prePDF计算查表）。
适用系统： 单燃料/单氧化剂、多燃料入口、多氧化剂入口的扩散火焰（PPT中图示清晰展示了这几种情况）。
3、预混燃烧模型 (Premixed Combustion Model)
核心： 适用于燃料与氧化剂在燃烧前已充分预混合的情况。火焰以“火焰前锋”的形式传播，分隔未燃预混气和已燃产物。
关键变量：反应进展变量 c。求解 c 的输运方程来描述火焰前锋的位置和传播。
4、Zimont模型 (V5+)： 一个常用模型，计算湍流火焰速度 Ut，它取决于：预混气的当量比。湍流引起的火焰面皱褶和增厚效应。 湍流拉伸可能导致的火焰淬熄。分子扩散。
注意： 绝热燃烧可直接使用；非绝热（有热损失）需额外求解焓方程。
部分预混燃烧模型 (Partially Premixed Combustion Model)
核心： 处理系统中同时存在预混火焰区域和非预混（扩散）火焰区域的复杂情况（如预混火焰稳定器后的扩散燃烧）。
方法： 同时求解 混合分数 f (描述混合状态) 和 反应进展变量 c (描述预混火焰的传播)。
三、其他关键模块
燃烧模拟的成功离不开配套模型的支持：
稀疏相模型 (DPM)： 处理液滴/颗粒的输运、蒸发、燃烧及与连续相的耦合。
湍流模型： 提供湍流信息(k, ε等)，是燃烧模型（尤其有限速率、PDF、预混）的基础。可选k-ε系列、RSM、LES (V5+)等。
辐射模型： 高温燃烧中辐射换热至关重要。可选DTRM、P-1、Rosseland、DO (V5+)等。
污染物模型： 预测NOx (V5+支持再燃化学)、碳烟(soot)等排放物。
四、如何选择？实战建议
明确火焰类型： 是纯扩散？纯预混？还是混合？这是模型选择的第一依据。
关注化学时间尺度： 如果化学反应非常快（相比混合），PDF模型是扩散火焰的高效选择。若化学动力学作用显著或需关注中间产物，有限速率模型更合适（但计算成本高）。
预混火焰： 优先考虑预混燃烧模型或Zimont模型，它们直接模拟火焰传播物理。
复杂系统： 存在预混和扩散区域时，部分预混模型是理想选择。
资源与精度权衡： PDF模型计算最快，有限速率模型最灵活但最贵，预混模型介于其间。LES能捕捉瞬态细节但计算量巨大。
善用数据库： 优先使用FLUENT V5+内置的mixture material database简化设置。
结语：
燃烧模拟是连接基础研究与工程应用的桥梁。理解FLUENT中各类燃烧模型的核心思想、适用边界和相互配合，是成功模拟工业燃烧装置、优化性能、降低排放的关键第一步。掌握好这些“火焰控制器”，您就能在虚拟世界中更精准地驾驭燃烧的力量！
