非预混燃烧模型模拟甲烷燃烧
燃烧是一种复杂的物理过程和化学过程的综合，它既有流动、扩散、混合等物理现象，又有氧化还原反应并放出光和热的化学现象。通常来讲，燃烧可以分为扩散燃烧和预混燃烧，燃料和氧化剂分开独自进入燃烧区域，边燃烧边扩散混合的过程称为扩散燃烧，这种燃烧类型很常见，比如燃气灶、打火机，扩散燃烧相对稳定，好控制，在易燃易爆场合出现泄漏事故时，如果第一时间能点燃形成扩散燃烧，风险相对还小一点；倘若点火之前，燃料和氧化剂已经在分子水平上混合，这种燃烧类型称为预混燃烧，这种燃烧通常会更完全彻底，同时也是相对更危险的，因为所有燃料的浓度都处在燃爆极限范围，很多爆炸事故都属于这种类型，预混燃烧不稳定，不好控制。燃烧的模拟是一项难度非常大的工作，而且通常都不会很准确，在工程上可能作趋势分析更有意义。各位读者若要进行燃烧模拟，需要对流动（层流&湍流）、传热（包括辐射）、组分输运、甚至相变等基本的模拟要熟悉。在模拟燃烧与化学反应前，我们需要了解一个无量纲数——Damkohlar数（简称Da数），它用来表征化学反应的快慢。Da数等于反应速率与混合速率的比值，或者等于混合时间尺度τF和化学反应时间尺度τC的比值（如下图）。Da数大于1，表征的是快速化学反应，Da数小于，表征的是有限速率（慢速）化学反应，燃烧是一种典型的快速反应。快速化学反应其化学反应过程受湍流混合过程控制，因此对湍流过程的模拟是快速化学反应模拟的基本前提。慢速化学反应其化学反应过程与湍流相互控制（耦合），因此选择合适的反应机理很重要，比如污染物形成、点火与熄火、化学气相沉积（CVD）等场合。FLUENT处理燃烧问题，可采用如下五种模型：其中Species Transport（通用有限速率模型）求解反应物和生成物的输运组分方程，并由用户来定义化学反应机理。反应速率作为源项在组分输运方程中通过阿累纽斯（Arrhenius equation）方程或涡耗散模型得到。该模型无论在层流模型还是湍流模型下，都可以选择。剩下的四种专门的燃烧模型，必须启动湍流模型才能选择。接下来，我们会依次对FLUENT的燃烧与化学反应模型进行相应的演示。今天，我们用非预混燃烧模型来模拟甲烷的燃烧。非预混模型是一种专门针对燃烧问题的快速反应模型，其假设燃烧反应无限快且不可逆，意味着氧化剂和燃料在接触后立即燃烧，其无法模拟燃烧的点火和熄火，不考虑详细的化学反应，前面的详细反应模型才能模拟点火和熄火。该模型不求解单个组分的质量分数输运方程，而是求解混合分数输运方程和一个（或两个）守恒标量的方程，然后从预测的混合分数分布中推导出每一个组分的浓度。该模型通过概率密度函数（PDF）来考虑湍流的影响，燃烧的反应机理则是使用Flame Sheet方法或者化学平衡来计算。该模型中还包含一个层流火焰面（Flamelet）的扩展模型，可以考虑到了在化学平衡状态下的空气动力学分离情况。非预混燃烧模型一般应用于模拟湍流扩散火焰的反应问题，要求整个系统接近化学平衡，为了表征非预混的特性，要求氧化物和燃料以两个（或以上的）进口进入计算区域。创建如下的二维轴对称燃烧器模型，其中心位置为甲烷入口，周围环形为空气入口。划分四边形结构化网格，节点数14820，最小正交质量0.9。采用二维轴对称（带旋转）模型，该模型还可以考虑旋流，很多燃烧器的空气进气都会考虑一定的旋流以强化混合。采用默认的SST k-ω湍流模型，非预混燃烧只能用在湍流中。启用非预混燃烧模型，混合物会自动启用PDF mixture，组分如下图，我们在Boundary面板设置燃料和空气组分，注意要完成PDF表的计算才能进行后续的计算。空气入口边界设置如下，轴向速度5m/s，旋转速度5m/s，温度300K，Mean Mixture Fraction为0，表示氧化剂入口。甲烷入口边界设置如下，速度20m/s，温度300K，Mean Mixture Fraction为1，表示燃料入口。中心线为轴对称边界，壁面为绝热无滑移壁面，出口为压力出口，表压为0Pa，回流Mean Mixture Fraction为0。按如下值设置亚松驰因子，对于燃烧模拟，减小亚松驰因子是非常有必要的，是改善收敛效果的最佳手段。除了残差曲线，能量和质量守恒检查是燃烧问题模拟收敛判据的重要部分。能量报表如下，对于燃烧问题，由于燃烧热的存在，采用Total Sensible Heat Transfer Rate对总能量流进行积分。燃烧腔内的温度、甲烷浓度、一氧化碳浓度、水蒸气浓度、二氧化碳浓度如下图，可以看出出口还有不少的甲烷没有完全燃烧生成CO2。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-12-09
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