从网格到NOx 预测：手把手教你用 Fluent 做甲烷燃烧全流程仿真
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导读：大家好，我是仿真秀专栏作者-许沛。一名研发工程师，做了十几年 Fluent 流体仿真，前 ANSYS 技术支持工程师，给数百家企业做过 Fluent 培训——从航空航天到能源化工，从高校实验室到工厂一线，见过各种各样的仿真问题，也踩过数不清的坑。即日起，我会在仿真秀官网分享Fluent流体仿真专业技能和工程经验，欢迎大家关注。
本文主要围绕气体组分输运、湍流混合及甲烷气体燃烧模拟展开，基于Ansys Fluent平台 完成燃烧仿真建模、求解计算与结果分析，整体内容分为以下6部分：组分输运与气体燃烧介绍、先决条件、问题描述、背景、设置与求解、和工程仿真经验总结，如有不当，欢迎读者朋好友批评指正。
一、组分输运与气体燃烧概述
本教程聚焦于化学组分混合规律与气体燃料燃烧特性研究，依托涡耗散模型（eddy-dissipation model），针对圆柱形燃烧器内的甲烷在空气中的燃烧过程开展数值模拟。通过本教程，可完整掌握湍流燃烧仿真的全套流程，具体可实现以下核心操作：
• 针对含化学组分混合、化学反应的湍流流动，完成物理模型启用、材料属性定义及边界条件设置；
• 基于压力求解器完成气体燃烧仿真模型的初始化与迭代求解；
• 通过图形化后处理手段，分析反应流场的温度、速度、组分浓度等核心结果；
• 精准预测燃烧过程中热力型、prompt型NOx的生成规律；
• 借助自定义场函数，完成NO浓度的ppm量级换算与计算。
二、先决条件
学习本教程前，需完成本手册配套入门教程的学习，熟练掌握Ansys Fluent的轮廓视图、功能区操作逻辑。教程中部分基础操作步骤将不再逐一赘述。
若需深入了解化学反应建模的理论依据与高阶设置，可查阅Fluent用户指南与Fluent理论指南。
三、问题描述
本教程的仿真对象为圆柱形燃烧器内的湍流扩散火焰燃烧过程，模型结构如图1（湍流扩散火焰炉中甲烷气体的燃烧）所示。
燃烧系统的核心工况参数如下：燃烧器中心小型喷嘴以80 m/s的高速喷射甲烷燃料，环境空气以0.5 m/s的速度同轴流入燃烧器，系统总体当量比为0.76，对应28%的过量空气系数。高速甲烷射流在初始阶段自由膨胀，受燃烧器外壁干扰极小，可有效卷吸低速空气并完成组分混合。基于甲烷射流直径计算的流动雷诺数约为5.7*10^3，流动处于充分湍流状态。
图1：湍流扩散火焰炉中甲烷气体的燃烧
四、背景
本教程采用广义涡耗散模型分析甲烷-空气燃烧系统，结合全局单步反应机理模拟燃烧过程，假设甲烷燃料完全氧化生成二氧化碳与水，忽略中间产物生成，对应的化学反应方程式如下：
该反应基于化学计量系数、物质生成焓及反应速率控制参数完成定义。模型核心假设为：湍流混合过程是燃烧反应的速率限制环节，化学反应速率远快于湍流掺混速率，湍流与化学反应的耦合作用通过涡耗散模型实现精准建模。
五、设置与求解
本节详细阐述本次燃烧仿真的完整设置与求解流程，包含准备工作、网格处理、模型设置、边界条件定义、迭代求解、后处理及NOx污染物预测九大核心步骤。
5.1 准备
正式开展仿真计算前，需完成环境配置与文件准备，具体操作如下：
（1）下载配套文件 species_transport.zip，并将压缩包解压至自定义工作目录，获取网格文件 gascomb.msh；
（2）通过Fluent Launcher启动Ansys Fluent软件；
（3）软件启动模式选择Solution求解模式；
（4）维度设置为2D；
（5）启用双精度计算模式（Double Precision）；
（6）本地并行计算核心数（Solver Processes）设置为1。
5.2 网格
完成软件初始化后，导入仿真网格文件，操作路径为：File → Read → Mesh...
在文件选择对话框中，将文件类型筛选为All Mesh Files (.msh .MSH)，选中目标网格文件gascomb.msh，点击OK完成网格导入。
5.3 常规设置
（1）网格检查
操作路径：Domain → Mesh → Check → Perform Mesh Check。软件将自动完成网格质量全维度检测，需确保控制台输出的网格最小体积为正值，无负体积、畸形网格等问题。
（2）网格缩放
本次网格原始建模单位为毫米，需统一缩放为国际标准单位米，操作路径：Domain → Mesh → Scale...，具体步骤：
在Mesh Was Created In下拉列表中选择mm；
点击Scale按钮执行缩放操作；
视图长度单位（View Length Unit In）设置为m；
确认模型X轴最大值为1.8 m、Y轴最大值为0.225 m，单位统一为SI标准单位；
关闭网格缩放对话框。
（3）二次网格检查
网格缩放、重构、合并等操作后，需再次执行网格检查（Domain → Mesh → Check → Perform Mesh Check），确保网格质量未发生劣化，保障求解稳定性。
（4）网格显示与探查
通过Domain → Mesh → Display...调用默认设置显示网格，模型网格为四边形结构化网格，如图2所示。
图2：燃烧器模型的四边形网格
额外功能：在图形窗口右键点击网格节点，可在控制台查看对应区域名称、网格参数等信息，便于快速区分同类型边界区域。
（5）求解域设置
操作路径：Setup → General，在Solver组框的2D Space列表中选择Axisymmetric（轴对称模型）。软件控制台将弹出警告：对称区域5实际为模型中心轴线，若保留对称边界类型，迭代过程易出现浮点计算错误，需后续修改边界类型。
5.4 模型
（1）启用能量方程
操作路径：Physics → Models → Energy，开启能量守恒方程，适配燃烧传热计算需求。
(2) 湍流模型设置
操作路径：Physics → Models → Viscous...，保留默认的$k$-$\omega$ SST湍流模型，所有参数维持默认设置，点击OK确认。
(3) 组分输运与燃烧反应模型
操作路径：Physics → Models → Species...，完成核心燃烧模型配置：
模型类型选择Species Transport（组分输运模型）；
在Reactions组框中启用Volumetric（体积反应）；
混合材料（Mixture Material）选择预定义的methane-air甲烷-空气体系；
湍流-化学耦合模式（Turbulence-Chemistry Interaction）选择Eddy-Dissipation（涡耗散模型），该模型适用于湍流混合主导的快速燃烧反应；
点击OK完成模型配置。
5.5 材料
本教程直接调用Fluent数据库内置的甲烷-空气混合材料，仅核查默认参数，无需自定义改性，操作路径：Setup → Materials → Mixture → methane-air → Edit...。
(1) 组分设置：点击Mixture Species右侧Edit，保留默认的组分构成，无需添加或删减物质组分，确认后关闭窗口；
(2) 反应设置：点击Reactions右侧Edit，涡耗散模型仅启用混合速率参数，保留Mixing Rate组框默认值，阿伦尼乌斯速率参数自动失效，确认后关闭窗口；
(3) 物性参数：密度选择incompressible-ideal-gas（不可压缩理想气体），比热选择mixing-law（混合定律），热导率、粘度、质量扩散系数均保留默认值；
(4) 点击Change/Create保存材料设置，关闭配置对话框。
本次计算假设粘度、热导率、质量扩散系数等输运物性为常数，仅密度和比热随工况变化。由于模型流动为充分湍流状态，分子输运的影响远小于湍流输运，该假设可满足计算精度要求。
5.6 边界条件
（1）中心轴线边界修改
操作路径：Setup → Boundary Conditions → Symmetry → symmetry-5，将边界类型由Symmetry修改为Axis（轴边界），避免模型半径归零处出现数值计算异常。
（2）空气入口边界（velocity-inlet-8）
操作路径：Setup → Boundary Conditions → Inlet → velocity-inlet-8 → Edit...，参数配置如下：
区域命名为air-inlet；
入口速度大小（Velocity Magnitude）设置为0.5 m/s；
湍流定义方式选择Intensity and Hydraulic Diameter，湍流强度10%，水力直径0.44 m；
热边界：温度默认300 K；
组分边界：氧气质量分数（o2）设置为0.23；
点击Apply保存设置并关闭窗口。
（3）燃料入口边界（velocity-inlet-6）
操作路径：Setup → Boundary Conditions → Inlet → velocity-inlet-6 → Edit...，参数配置如下：
区域命名为fuel-inlet；
入口速度大小设置为80 m/s；
湍流定义方式选择Intensity and Hydraulic Diameter，湍流强度10%，水力直径0.01 m；
热边界：温度默认300 K；
组分边界：甲烷质量分数（ch4）设置为1；
点击Apply保存设置并关闭窗口。
（4）出口边界（pressure-outlet-9）
操作路径：Setup → Boundary Conditions → Outlet → pressure-outlet-9 → Edit...，参数配置如下：
表压（Gauge Pressure）默认0 Pa；
湍流定义方式选择Intensity and Hydraulic Diameter，回流湍流强度10%，回流水力直径0.45 m；
热边界：回流总温度默认300 K；
组分边界：回流氧气质量分数0.23；
点击Apply保存设置并关闭窗口。
注：出口回流参数用于迭代过程中出现局部回流的工况，合理设置可保障求解稳定性。
（5）燃烧器外壁边界（wall-7）
操作路径：Setup → Boundary Conditions → Wall → wall-7 → Edit...，参数配置如下：
区域命名为outer-wall；
热边界条件选择Temperature，壁面温度恒定300 K；
点击Apply保存设置并关闭窗口。
（6）燃料喷嘴壁面边界（wall-2）
操作路径：Setup → Boundary Conditions → Wall → wall-2 → Edit...，参数配置如下：
区域命名为nozzle；
热边界条件保留默认热通量模式，热通量为0 W/m²，设置为绝热壁面；
点击Apply保存设置并关闭窗口。
5.7 初始反应求解
首先完成基础燃烧流场求解，暂不考虑NOx污染物生成，后续再开展污染物专项计算。
（1）求解方法设置：Solution → Solution → Methods，全部保留默认参数；
（2）残差监控设置：Solution → Reports → Residuals，启用残差绘图功能，便于实时观察迭代收敛状态；
（3）流场初始化：采用默认Hybrid混合初始化方法，点击Initialize完成全域场变量初始化；
（4）初始文件保存：File → Write → Case...，保存案例文件为gascomb1.cas.h5；
（5）迭代计算设置：Solution → Run Calculation，时间尺度因子（Time Scale Factor）设置为5，迭代步数设置为200，点击Calculate开始计算；
（6）结果保存：迭代完成后，通过File → Write → Case & Data...，保存完整案例与数据文件gascomb1.cas.h5、gascomb1.dat.h5。
5.8 后处理
通过通量报告、云图显示、面积分计算等方式，分析燃烧流场的温度、速度、组分分布特性。
（1）热通量报告
操作路径：Results → Reports → Fluxes...，选择总热传递速率（Total Sensible Heat Transfer Rate），全选所有边界，点击Compute计算。结果显示模型能量平衡偏差极小，燃烧反应能量守恒精度良好。
(2) 温度分布云图显示
操作路径：Results → Graphics → Contours → New...，命名为contour-temp，启用填充云图、带状着色，变量选择Static Temperature（静态温度），保存并显示云图，结果如图3所示。燃烧区域峰值温度约2300 K。
图3：温度分布云图
(3) 速度矢量显示
操作路径：Results → Graphics → Vectors → New...，命名为vector-vel，矢量样式选择箭头，缩放比例0.01，启用固定矢量长度、缩放头部0.1，保存并显示。云图可清晰观察到空气被高速甲烷射流卷吸、掺混的流动规律，结果如图4所示。
图4：速度矢量
(4) 组分质量分数分布云图显示
依次创建组分云图，分别展示甲烷、氧气、二氧化碳、水的质量分数分布：
甲烷质量分数：contour-ch4-mass-fraction（图5）；
氧气质量分数（图6）；
二氧化碳质量分数（图7）；
水质量分数（图8）。
图5：CH4质量分数分布云图
图6：O2质量分数分布云图
图7：CO2质量分数分布云图
图8：H2O质量分数分布云图
(5) 出口参数积分计算
操作路径：Results → Reports → Surface Integrals...，完成出口关键参数计算：
质量加权平均出口温度：选择Mass-Weighted Average、静态温度，选取出口边界pressure-outlet-9，计算得出口平均温度约1840 K，计算公式如下：
面积加权平均出口速度：选择Area-Weighted Average、速度幅值，计算得出口平均速度约3.37 m/s，计算公式如下：
计算完成后，保存当前案例文件gascomb1.cas.h5。
5.9 NOx预测
基于已收敛的基础燃烧流场，开启NOx污染物模型，分别计算热力型、prompt型NOx的生成特性，量化两种机制的贡献占比，并通过自定义场函数完成NO浓度ppm换算。
（1）NOx模型启用与参数设置
操作路径：Setup → Models → Species → NOx → Edit...，核心配置如下：
反应路径：同时启用Thermal NOx（热力型）与Prompt NOx（快速型）；
燃料组分选择ch4；
湍流耦合模式：PDF模式选择temperature，PDF类型为beta，采样点数20，温度方差选择transported；
生成参数：热力型NOx的氧自由基模型选择partial-equilibrium（部分平衡）；快速型NOx燃料碳原子数为1，当量比设置为0.76；
应用设置并关闭对话框。
（2）求解方程筛选
操作路径：Solution → Controls → Equations...，仅保留Pollutant no（NO污染物）与温度方差方程，关闭其余方程。因NO浓度极低，对基础燃烧流场影响可忽略，固定流场求解污染物可大幅提升计算效率。
（3）收敛标准与迭代计算
残差设置：Solution → Reports → Residuals，将NO污染物残差绝对收敛标准设置为1e-06；
迭代求解：提交25步迭代计算，完成双机制NOx耦合求解；
保存文件：保存案例与数据文件gascomb2.cas.h5、gascomb2.dat.h5。
（4）双机制NOx结果分析
创建NO质量分数分布云图（contour-no-mass-fraction），关闭填充模式，展示全域NO浓度分布（图9）。通过出口面积分计算，得耦合机制下出口NO质量分数约0.00445。
图9：NO质量分数分布云图——Prompt和Thermal NOx生成
（5）单一热力型NOx求解
关闭prompt NOx机制，仅保留热力型NOx；
提交25步迭代计算；
查看NO浓度云图（图10），计算得纯热力型NOx出口质量分数约0.00441；
保存文件gascomb2-thermal.cas.h5、gascomb2-thermal.dat.h5。
图10：NO质量分数分布云图——热力型NOx生成
（6）单一prompt型NOx求解
关闭热力型NOx机制，仅保留prompt NOx；
提交25步迭代计算；
查看NO浓度云图（图11），计算得纯prompt型NOx出口质量分数约9.87e-05；
保存文件gascomb2-prompt.cas.h5、gascomb2-prompt.dat.h5。
图11：NO质量分数分布云图——Prompt NOx生成
注：两种单一机制结果之和不等于耦合计算结果，核心原因是NO生成与消耗存在可逆反应，不同机制间存在耦合抵消效应。同时本模型为贫燃火焰，prompt型NOx生成量远低于热力型NOx。
（7）自定义场函数计算NO ppm浓度
采用干基换算公式计算NO ppm浓度，消除水蒸气对浓度计量的影响，公式如下：
操作路径：User Defined → Field Functions → Custom...，场函数创建步骤：
选取NO物质的量分数变量，输入计算公式：molef-pollut-pollutant-0*10^6/(1-molef-h2o)；
定义新场函数名称为no-ppm，保存并加载函数；
创建NO ppm浓度分布云图（contour-no-ppm），结果如图13所示，浓度分布规律与NO质量分数基本一致。
图12：自定义场函数计算器对话框
图13：NO ppm分布云图——Prompt NOx生成
六、工程仿真总结
本教程基于Ansys Fluent完成了甲烷-空气湍流燃烧的组分输运、混合反应及污染物生成全流程模拟。通过调用软件内置甲烷-空气混合体系，结合涡耗散模型精准模拟湍流燃烧过程，该建模方法可迁移应用于各类气相反应流仿真场景。
通过结果分析可知，本燃烧系统的NOx污染物生成以热力型NOx为主，该机制对火焰温度高度敏感。在实际仿真与工程应用中，需精准把控燃烧温度的计算精度，避免温度高估导致NOx生成量预测失真。如果你认真想把燃烧仿真学透、用到实际工作中，推荐你看看我在仿真秀平台的系统课程《Fluent燃烧仿真专题实战》。
本课程以ANSYS Fluent 17.0版本软件为主，系统讲解燃烧模拟（含化学反应）模块的原理与使用方法。涵盖涡耗散燃烧模型、非预混燃烧模型、预混燃烧模型、部分预混燃烧模型及火焰面燃烧模型，同时介绍化学反应与表面化学反应、颗粒和液雾反应、辐射计算方法、污染物模拟等内容，并配合典型案例进行实操练习。
第 1 讲：燃烧概述
（1）燃烧仿真整体概念
（2）Fluent 燃烧仿真模块总览
（3）各类燃烧模型适用场景介绍
第 2 讲：燃烧的物质输运
（1）组分输运模型原理
（2）化学反应设置、求解策略、关键参数讲解
第 3 讲：燃烧‑EDM 案例
（1）涡耗散EDM燃烧模型完整实操案例
（2）模型设置、边界条件、求解调试演示
第 4 讲：燃烧 ‑NOx 案例
（1）NOx 污染物生成机理
（2）Fluent 污染物模型设置
（3）排放预测完整案例实操
第 5 讲：燃烧 ‑non‑premixed ppt
（1）非预混燃烧模型理论 PPT 讲解
（2）PDF/Pre‑PDF 基础理论与使用前提
第 6 讲：燃烧‑nonpre‑sample
（1）非预混燃烧完整实操案例
（2）前处理、模型设置、求解与结果分析
第 7 讲：燃烧‑premixed‑ppt
（1）预混燃烧模型理论知识
（2）部分预混燃烧原理、适用工况讲解
第 8 讲：燃烧-预混燃烧案例
（1）预混燃烧完整工程案例实操演示
（2）参数调试与结果解读
第 9 讲：燃烧‑dpm‑pptDPM
（1）离散相模型理论
（2）颗粒、喷雾、液滴反应燃烧基础理论
第 10 讲：燃烧 10 液滴燃烧
（1）液滴燃烧完整案例
（2）雾化液滴燃烧仿真设置、异相反应实操训练
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此外仿真秀精选100余门研发仿真精品视频课限时秒杀1元起售，并叠加专属券，秒杀课程覆盖从基础到前沿的完整学习路径；活动期间，仿真秀还发起案例征集，以"我的研发仿真故事——从工具到智能的进阶之路"为题，面向工程师征集攻坚实录、工具进化、AI接入、成长与团队四类真实故事，图文或视频，通过即获满意现金稿酬和百人千万"内容扶持计划，优秀作品还将在仿真秀APP、官网、公众 号、视频号四端专题展示并邀请连麦直播。整个主题月既是一场系统化的技术充电，也是工程师用AI重塑研发工作流的一次集中练兵。
