CFD燃燒仿真技術(shù)教程

FLUENT燃燒模擬培訓(xùn)一、FLUENT燃燒模擬簡介1、燃燒的應(yīng)用近代燃燒科學(xué)的發(fā)展化學(xué)熱力學(xué)（19世紀）：燃燒裝置作為熱力學(xué)體系，研究初態(tài)和終態(tài)之間的關(guān)系；化學(xué)動力學(xué)（1930）：鏈式反應(yīng)機理，提出火焰?zhèn)鞑ジ拍睿环磻?yīng)流體力學(xué)、燃燒空氣動力學(xué)（1950）：采用經(jīng)典力學(xué)方法來研究燃燒過程；計算燃燒學(xué)（1970）：采用計算機數(shù)值模擬求解燃燒問題。計算燃燒學(xué)的發(fā)展1960-1970：Spalding得到了邊界層燃燒問題數(shù)值解，接著提出了湍流燃燒模型；Spalding進一步建立了多相化學(xué)流體力學(xué)方程組，并提出相應(yīng)的數(shù)值解法；1980-至今：迅速發(fā)展時期，能對復(fù)雜幾何形狀的燃燒裝置和復(fù)雜燃燒過程進行數(shù)值模擬，如燃氣輪機、火箭發(fā)動機等系統(tǒng)中的多相湍流反應(yīng)過程。燃燒模擬的應(yīng)用廣泛應(yīng)用與均相和非均相燃燒過程模擬燃燒爐鍋爐加熱器燃氣輪機火箭發(fā)動機求解內(nèi)容流場流動特性及其混合特性溫度場組分濃度場顆粒和污染物排放TemperatureinagasfurnaceCO2massfractionStreamfunction2、FLUENT軟件數(shù)值模擬簡介連續(xù)性方程：動量守恒方程（N-S方程）：能量方程：組分守恒方程：FLUENT求解器基于壓力或密度解法隱式或顯式2D、3D、對稱、旋轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)速度絕對或相對值3、燃燒模擬概要稀疏相模型液滴/顆粒動力學(xué)非均相反應(yīng)液化蒸發(fā)輸運控制方程質(zhì)量動量(湍流)能量化學(xué)組分燃燒模型預(yù)混局部預(yù)混非預(yù)混燃燒污染物模型輻射換熱模型FLUENT燃燒模擬概述組分與化學(xué)反應(yīng)概述氣相反應(yīng)：氣體燃燒、Nox等污染物的生成；固體壁面處的表面反應(yīng)：化學(xué)蒸汽沉積；粒子表面反應(yīng)：炭粒燃燒等。FLUENT可以模擬的幾種化學(xué)反應(yīng)：FLUENT中的反應(yīng)流模型快速化學(xué)模型預(yù)混模型非預(yù)混模型部分預(yù)混模型有限速度化學(xué)模型層流有限速度模型渦耗散模型(EDM)渦耗散概念模型(EDC)組分PDF輸運模型其它模型離散相模型(DPM)污染物生成模型(PollutantFormationModels)表面反應(yīng)燃燒模擬的難點湍流：大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)流動都是湍流，時間和空間尺度較大，DNS方法并不適用；化學(xué)：現(xiàn)實中的化學(xué)反應(yīng)不能用單一反應(yīng)方程來表示，很多反應(yīng)機理還不清楚；湍流與燃燒的交互作用：反應(yīng)率的變化與湍流中物質(zhì)混合程度又密切關(guān)系。4、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)計算化學(xué)反應(yīng)速率的Arrhenius公式：可用于計算層流燃燒問題5、湍流流動與化學(xué)反應(yīng)湍流流動與化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用湍流燃燒的數(shù)值模擬難點與挑戰(zhàn)多數(shù)實際的燃燒過程是湍流；化學(xué)反應(yīng)速率高度非線性，

湍流－化學(xué)反應(yīng)高度耦合，相互作用很重要；真實化學(xué)反應(yīng)機理包含數(shù)十個組分,數(shù)百個基元反應(yīng)，并且方程組極具剛性(基元化學(xué)反應(yīng)時間尺度相差大)。實際處理方法簡化化學(xué)反應(yīng)機理有限速率燃燒模型考慮湍流及其混合、弱化反應(yīng)化學(xué)混合分數(shù)模型平衡化學(xué)的PDF模型層流火焰面模型進展變量模型Zimont

模型（預(yù)混模型）湍流燃燒湍流燃燒：湍流+化學(xué)反應(yīng)+傳熱傳質(zhì)特征：強非線性、高度耦合與關(guān)聯(lián)、高度隨機性。湍流燃燒模擬基本思想：（1）分別獨立描述湍流流動和化學(xué)反應(yīng)過程；（2）考慮湍流流動與化學(xué)反應(yīng)的相互作用。關(guān)鍵：計算化學(xué)反應(yīng)速率。湍流燃燒湍流燃燒的主要影響因素：湍流混合；

分子擴散；

化學(xué)動力學(xué)。根本目標：

非線性源項的封閉；

湍流流動與化學(xué)反應(yīng)的耦合。FLUENT燃燒模型有限速率模型

求解組分的質(zhì)量分數(shù)輸運方程，化學(xué)反應(yīng)機理由用戶自己定義。非預(yù)混燃燒模型

該模型中并不求解單個組分的輸運方程，而是求解一個或者兩個守恒標量（混合分數(shù)）的輸運方程。

預(yù)混燃燒模型模擬完全混合的燃燒問題。充分混合的燃燒物和產(chǎn)物被火焰前鋒分隔，求解出的化學(xué)反應(yīng)進展變量來描述該火焰前峰的位置。部分預(yù)混燃燒模型

該模型用來處理系統(tǒng)中同時具有非預(yù)混和充分預(yù)混的情況。該方法同時求解了混合分數(shù)和反應(yīng)進展變量。二、Gambit網(wǎng)格劃分基本步驟：（1）構(gòu)建幾何模型，生成面和體；（2）按照線、面、體依次進行網(wǎng)格劃分；（3）定義進出口邊界條件、壁面及區(qū)域。構(gòu)建幾何模型網(wǎng)格劃分定義邊界條件及區(qū)域邊界層邊界層：在和邊或面相鄰的區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點步長。它們用于初步控制網(wǎng)格密度，從而控制特定區(qū)域內(nèi)計算模型中有效信息的數(shù)量。Jan.11.2012Inventory#002600FLUENT示例：流體流過管道的圓柱的計算模型，正常情況下，在緊靠管道壁面的區(qū)域內(nèi)流體速度梯度很大，而靠近管路中心很小，通過對壁面加入一個邊界層，用戶可以增大靠近壁面區(qū)域的網(wǎng)格密度。邊界層網(wǎng)格劃分第一列高度增長因子邊界層列數(shù)過渡類型作用邊界層處速度梯度大邊界層ModifyBoundaryLayer中，用戶須修改的信息和CreateBoundaryLayer命令中一樣。1）2）3）4）5)自動生成View3DBoundaryLayers邊界層網(wǎng)格劃分線網(wǎng)格劃分網(wǎng)格大?。〝?shù)量）

根據(jù)實際裝置尺寸而定；變量變化劇烈的區(qū)域應(yīng)該稠密一些；

長寬比應(yīng)盡量接近于1，（某個個方向變化率較大時可采用狹長容積）。比例因子

相鄰控制容積尺寸比值應(yīng)保持在0.8-1.2之間。MeshEdges命令允許用戶進行一條或多條邊的網(wǎng)格劃分1）應(yīng)用分級設(shè)定的邊2）分級方案3）網(wǎng)格節(jié)點步長（間隔數(shù)目）4）邊網(wǎng)格劃分選項邊網(wǎng)格劃分邊的網(wǎng)格劃分2）分級方案Gambit提供了以下類型的邊網(wǎng)格劃分分級方案：

SuccessiveRatioFirstLengthLastLengthFirstLastRatioLastFirstRatioExponent

Bi-exponentBellShaped非對稱格式，產(chǎn)生的分級形式不需要關(guān)于邊的中心對稱對稱格式，限制關(guān)于邊中心對稱的分級類型線網(wǎng)格劃分狹長型網(wǎng)格長寬比不要超過5；燃燒反應(yīng)的區(qū)域網(wǎng)格盡量細化。面網(wǎng)格劃分進行一個面網(wǎng)格劃分，用戶必須設(shè)定以下參數(shù)：1）要網(wǎng)格劃分的面2）網(wǎng)格劃分的形式3）網(wǎng)格節(jié)點的間距4）面網(wǎng)格劃分選項面網(wǎng)格劃分X表示Elements和Type能夠匹配面網(wǎng)格劃分Quad：四邊形網(wǎng)格Tri：三角形網(wǎng)格Quad/Tri:主要是四邊形網(wǎng)格，用戶指定位置為三角形網(wǎng)格。Map：普通結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格Pave：非結(jié)構(gòu)化單元網(wǎng)格面網(wǎng)格劃分舉例三角形網(wǎng)格不一定比四邊形網(wǎng)格差，要保證局部網(wǎng)格的稠密性；避免在幾何圖形中出現(xiàn)尖角、死角結(jié)構(gòu)；適當控制網(wǎng)格的長寬比（最好不要超過5）平整面網(wǎng)格SmoothFacesMeshes命令將調(diào)整一個或者多個面網(wǎng)格節(jié)點的位置用戶需設(shè)定以下參數(shù)：1）要平整的網(wǎng)格面2）平整方式L-WLaplalian：在每個節(jié)點周圍使用單元的平均變長（趨向平均單元邊長）CentroidArea：平衡相鄰單元的面積Winslow：優(yōu)化單元格的正交性（僅僅適用于四邊形單元）劃分體網(wǎng)格MeshVolumes命令設(shè)置參數(shù)：1、要進行網(wǎng)格劃分的體積2、網(wǎng)格劃分形式3、網(wǎng)格節(jié)點步長4、網(wǎng)格劃分選項體網(wǎng)格劃分Hex：六面體網(wǎng)格Hex/Wedge：六面體或五面體網(wǎng)格；Tet/Hybird：四面體網(wǎng)格為主；Map：六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；Cooper：掃描體積網(wǎng)格類型Tet/Hybird：四面體網(wǎng)格為主；體網(wǎng)格光順化SmoothVolumeMeshes在一個或多個體積上光順化網(wǎng)格節(jié)點。1、選擇要光順化的體積；2、光順化方案L-WLapiacian:使每個節(jié)點周圍單元平均邊長；Equipotential：使節(jié)點周圍單元體積相等。體網(wǎng)格劃分技巧首先畫線網(wǎng)格和部分面網(wǎng)格；盡量采用五面體和六面體網(wǎng)格，以控制網(wǎng)格數(shù)量；復(fù)雜結(jié)構(gòu)考慮分塊畫網(wǎng)格，避免把所有幾何組合成一個整體；體網(wǎng)格劃分技巧重點注意使用Hex-Cooper畫網(wǎng)格方法。對于壁面厚度不必畫網(wǎng)格，到FLUENT邊界條件處設(shè)置。定義為wall邊界條件定義壁厚及導(dǎo)熱網(wǎng)格質(zhì)量檢查網(wǎng)格歪斜度：越小網(wǎng)格質(zhì)量越高，如果出現(xiàn)>0.97時會報錯。網(wǎng)格總數(shù)網(wǎng)格質(zhì)量檢查1、選擇檢查的網(wǎng)格類型；2、調(diào)整不同平面，查看網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；3、查看網(wǎng)格質(zhì)量分布。網(wǎng)格質(zhì)量較差情況質(zhì)量不好扭曲的網(wǎng)格低質(zhì)量網(wǎng)格通常出現(xiàn)在幾何模型的連接區(qū)域，結(jié)構(gòu)簡化很重要！！網(wǎng)格質(zhì)量差的區(qū)域網(wǎng)格劃分失?。∠嗲械牡胤阶钊菀壮霈F(xiàn)扭曲的網(wǎng)格，可在允許范圍內(nèi)適當?shù)匾苿泳嚯x。網(wǎng)格質(zhì)量控制方法1、根據(jù)所研究的幾何模型，在保證模擬真實性的基礎(chǔ)上盡量簡化幾何結(jié)構(gòu)，盡量避免出現(xiàn)尖銳的角區(qū)域；2、盡可能采用Gambit默認的網(wǎng)格劃分方案去進行網(wǎng)格劃分；3、以模擬計算結(jié)果作為評價標準實例演練一、3d網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分例子對稱結(jié)構(gòu)要進行簡化；燃燒區(qū)域網(wǎng)格細化；大小網(wǎng)格之間一定要有過渡；想辦法提高網(wǎng)格質(zhì)量，這是引起計算發(fā)散的最主要原因；一定要進行網(wǎng)格獨立性檢驗（5mm），注意網(wǎng)格數(shù)量。燃燒+輻射模型：網(wǎng)格數(shù)量控制在200萬個以內(nèi)。經(jīng)驗ICEM畫網(wǎng)格軟件幾何修補能力分塊畫網(wǎng)格技術(shù)六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為主，正交網(wǎng)格，混合網(wǎng)格支持多種模擬軟件接口，具有高級網(wǎng)格編輯功能。網(wǎng)格劃分總結(jié)反復(fù)調(diào)試確定網(wǎng)格疏密程度，確保獲得網(wǎng)格獨立解，以至于在進一步加密網(wǎng)格后對數(shù)值計算結(jié)果無影響—網(wǎng)格獨立性檢驗；這是進行任何數(shù)值模擬的前提與基礎(chǔ)?。。【W(wǎng)格劃分總結(jié)根據(jù)計算結(jié)果反過來修改網(wǎng)格，使網(wǎng)格的疏密程度分布與計算物理場(速度、壓力等)的局部變化率更好地適應(yīng)—網(wǎng)格自適應(yīng)。網(wǎng)格自適應(yīng)步驟舉例：Adapt-Gradiant-1、選擇需要調(diào)整的量2、輸入細化閾值3、計算需要調(diào)整的網(wǎng)格數(shù)量4、進行網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格自適應(yīng)舉例溫度梯度原網(wǎng)格調(diào)整后的網(wǎng)格三、有限速率燃燒模型層流有限速率模型有限速率/渦耗散模型（EDM）渦耗散模型（EDM）渦耗散概念模型（EDC）有限速率模型概述用總包機理反應(yīng)描述化學(xué)反應(yīng)過程.求解化學(xué)組分輸運方程，反應(yīng)速率以源項形式出現(xiàn)：組分j的源項(產(chǎn)生或消耗）是機理中所有k個反應(yīng)的凈反應(yīng)速率:

Rjk

：第k個化學(xué)反應(yīng)生成或消耗的j組分。（根據(jù)Arrhenius速率公式、漩渦耗散等理論進行計算）.

1、層流有限速率模型特點：使用Arrhenius公式計算反應(yīng)速率作為源項，忽略湍流脈動的影響。使用范圍：反應(yīng)緩慢、湍流脈動較小的燃燒。E:反應(yīng)活化能CA、CB：反應(yīng)物濃度a、b：化學(xué)反應(yīng)計量數(shù)K0：指前因子Arrhenius化學(xué)動力學(xué)的高度非線性性，模擬結(jié)果一般不精確！三種特殊情況1、有逆向反應(yīng)反應(yīng)速率公式反應(yīng)r中反應(yīng)物i的化學(xué)計量數(shù)反應(yīng)r中生成物i的化學(xué)計量數(shù)反應(yīng)r的正向速率常數(shù)反應(yīng)r中反應(yīng)物i的化學(xué)計量數(shù)反應(yīng)r中每種反應(yīng)物或生成物j的正向反應(yīng)速度指數(shù)反應(yīng)r中每種反應(yīng)物或生成物j的逆向反應(yīng)速度指數(shù)三種特殊情況2、第三體的影響3、壓力獨立反應(yīng)

反應(yīng)發(fā)生在高壓和低壓限制之間，不僅僅依賴于溫度。FLUENT相關(guān)設(shè)置1、選擇模型2、定義材料FLUENT相關(guān)設(shè)置3、定義化學(xué)反應(yīng)特殊情況指前因子和活化能化學(xué)反應(yīng)式使用不多，不做舉例介紹FLUENT相關(guān)設(shè)置4、設(shè)置點火區(qū)域Solve-initiaze-patch2、渦耗散模型快速燃燒假設(shè)：化學(xué)反應(yīng)速率與湍流混合（擴散）速率相比無窮快，即湍流燃燒過程由燃料和氧化劑的混合過程控制。整體反應(yīng)速率由湍流混合控制；Damkohiler數(shù)：渦耗散模型概述非預(yù)混火焰中：湍流“緩慢地”通過對流作用，使燃料和氧化劑進入反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)內(nèi)快速地燃燒；非預(yù)混火焰中：湍流作用使冷的反應(yīng)物和熱的生成物進入反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)快速地燃燒；燃料和氧化劑進入反應(yīng)區(qū)快速地發(fā)生反應(yīng)，燃燒成為混合限制的，即擴散控制的燃燒；忽略了復(fù)雜、未知的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)速率；渦耗散模型概述假設(shè)：認為化學(xué)反應(yīng)速率取決于未燃氣體微團在湍流作用下破碎成更小微團的速率；公式：特征：突出了湍流混合對燃燒速率的控制作用；缺點：未考慮分子輸運和化學(xué)動力學(xué)因素的影響，過于粗糙。渦耗散模型理論YP：產(chǎn)物的質(zhì)量分數(shù)YR：反應(yīng)物的質(zhì)量分數(shù)A、B：經(jīng)驗常數(shù)，A=4.0，B=0.5；

反應(yīng)速率計算（取較小者）反應(yīng)r中反應(yīng)物i的化學(xué)計量數(shù)反應(yīng)r中生成物i的化學(xué)計量數(shù)控制反應(yīng)速率渦耗散模型理論反應(yīng)速率由大渦混合時間尺度控制，只要出現(xiàn)>0的情況，燃燒即可進行，故不需要點火源；常用于非預(yù)混火焰；但在預(yù)混火焰中，反應(yīng)物一進入計算區(qū)域就開始燃燒，該模型計算的燃燒會出現(xiàn)超前性，故一般不單獨使用。FLUENT相關(guān)設(shè)置1、選擇能量方程和湍流模型2、選擇渦耗散模型FLUENT相關(guān)設(shè)置3、在設(shè)置材料處產(chǎn)看相關(guān)反應(yīng)反應(yīng)速率由大渦混合時間尺度控制，不需要設(shè)置點火源。FLUENT相關(guān)設(shè)置4、初始化時設(shè)置產(chǎn)物質(zhì)量比例為0.01，用于啟動反應(yīng)。渦耗散模型的使用適用條件：湍流（高Re數(shù)），快速化學(xué)反應(yīng)（高Da數(shù)），預(yù)混、非預(yù)混、部分預(yù)混；案例：氣體反應(yīng)、煤燃燒；限制條件：（1）混合時間和反應(yīng)時間相似時不可靠；（2）沒有從化學(xué)動力學(xué)角度去控制中間物質(zhì)；（3）不能模擬點燃、熄滅等動力學(xué)細節(jié)現(xiàn)象。渦耗散模型舉例燃氣入口點火燃燒：150m/s煙氣出口物理模型實例演練二、渦耗散模型模型及邊界條件功率：16kw,天然氣作為燃料；模型：渦破碎燃燒模型（EDC），

離散坐標輻射模型（DO）；管壁：601合金，3mm厚，發(fā)射率0.85；爐溫：950℃空氣預(yù)熱溫度：627℃排煙壓力：-500pa3、有限速率/渦耗散模型簡單結(jié)合了Arrhenius公式和渦耗散方程。避免預(yù)混燃燒中，ED模型出現(xiàn)的提前燃燒問題。有限速率/渦耗散模型同時計算Arrhenius公式和渦耗散方程；凈反應(yīng)速率取兩個速率中的較小值。Arrhenius速率：作為動力學(xué)開關(guān)，阻止反應(yīng)發(fā)生在火焰穩(wěn)定器之前；點燃后，渦耗散速率一般小于Arrhenius速率。有限速率/渦耗散模型優(yōu)缺點優(yōu)點：結(jié)合了動力學(xué)因素和湍流因素；缺點：只能用于單步或雙步反應(yīng)。（1）多步反應(yīng)機理基于Arrhenius速率，每個反應(yīng)的都不一樣；（2）渦耗散模型中，每個反應(yīng)都有同樣的湍流速率；（3）不能預(yù)測化學(xué)動力學(xué)控制的物質(zhì)，如活性物質(zhì)。4、渦耗散概念模型Eddy-DissipationConceptEDC模型理論是渦耗散模型的擴展，在湍流流動中包括了詳細的化學(xué)反應(yīng)機理，假定化學(xué)反應(yīng)都發(fā)生在小渦當中，反應(yīng)時間由小渦的生存時間和化學(xué)反應(yīng)本社所需要的時間來共同控制；小渦的尺度由下式計算：認為物質(zhì)在這個尺度中，反應(yīng)經(jīng)過一個時間尺度：容積比率常數(shù)，=2.1377時間尺度常數(shù)，=0.4082EDC模型理論FLUENT中，小渦的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在等條件下，初始條件為單元中當前的組分和溫度，速率計算采用Arrhenius公式，采用數(shù)值積分的方法來計算經(jīng)過一個時間后的反應(yīng)物狀態(tài)。源項計算公式：組分守恒方程EDC模型特點湍流反應(yīng)中考慮了詳細的化學(xué)反應(yīng)機理；數(shù)值積分計算開銷很大，計算速度較慢；在快速化學(xué)反應(yīng)假定無效的情況下使用該模型，即低Da數(shù)，如快速熄滅火焰中中CO緩慢燃燒、NOx的生成等；推薦使用雙精度求解器，避免反應(yīng)速率中指前因子和活化能產(chǎn)生的誤差。EDC模型的使用適用條件：湍流，低Da數(shù)，預(yù)混、非預(yù)混和部分預(yù)混燃燒；案例：（1）湍流反應(yīng)中的預(yù)混合有限比例現(xiàn)象；（2）CO的緩慢燃燒；（3）NOx的形成.限制條件：占用CPU資源較多，默認使用ISAT算法加速EDC模型FLUENT設(shè)置1、選擇EDC模型容積比例常數(shù)時間比例常數(shù)EDC模型FLUENT設(shè)置2、查看化學(xué)反應(yīng)（define-materials-reaction）計算化學(xué)反應(yīng)速率，定義活化能和指前因子FLUENT相關(guān)設(shè)置3、設(shè)置點火高溫區(qū)域Solve-initiaze-patch5、有限速率模型總結(jié)模型層流有限速率有限速率/EDMEDMEDC特點使用Arrhenius計算燃燒速率，忽略湍流脈動影響反應(yīng)速率取Arrhenius和渦耗散方程較小者反應(yīng)速率由湍流混合控制在湍流流動中包含了詳細的化學(xué)反應(yīng)機理適用條件層流火焰單步、雙步反應(yīng)非預(yù)混火焰快速化學(xué)反應(yīng)假定無效的情況缺點不適合湍流燃燒不適合多步反應(yīng)忽略了復(fù)雜的化學(xué)動力學(xué)因素占用計算機內(nèi)存很大三、非預(yù)混模型非預(yù)混燃燒：燃料和氧化劑以相異流進入反應(yīng)區(qū)。非預(yù)混模型假設(shè)前提：反應(yīng)是受混合速率控制，即已經(jīng)到達化學(xué)平衡狀態(tài)，每個單元內(nèi)的組分及性質(zhì)由燃料和氧化劑的湍流混合強度所控制。非預(yù)混模型基本思想：（1）熱化學(xué)減少成單一參數(shù)：混合分數(shù)f，f表示所有組分中未知燃料流元素（C、H等）的局部質(zhì)量分數(shù)；（2）質(zhì)量分數(shù)是一個守恒的量，控制方程中不含源項，燃燒被簡化為一個混合問題。模型：平衡混合分數(shù)的PDF模型。（PDF：ProbabilityDensityFunction:概率密度函數(shù)）非預(yù)混模型概述只適應(yīng)用于非預(yù)混(擴散)火焰燃燒假定化學(xué)反應(yīng)過程受混合速率控制滿足局部化學(xué)平衡.控制體（計算單元）組分、物性決定于燃料和氧化劑在該處的混合程度.化學(xué)反應(yīng)機理不明確.用化學(xué)平衡計算來處理化學(xué)反應(yīng)(PDF表).只求解混合物分數(shù)及其方差的輸運方程,無需求解組分的輸運方程.可以嚴格考慮湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用1、非預(yù)混模型理論定義混合分數(shù)fZi：元素i的質(zhì)量分數(shù)Zi,ox：氧化劑入口處i元素的質(zhì)量分數(shù)Zi,fuel：燃料入口處i元素的質(zhì)量分數(shù)f=0時，已經(jīng)完全燃燒，f=1時，未開始燃燒。f表示的計算控制容積里燃料的質(zhì)量分數(shù)。非預(yù)混模型理論由于湍流的紊態(tài)對流通常超過分子擴散，故組分傳輸方程可以被減少為一個單一的關(guān)于混合分數(shù)f的方程。平均混合分數(shù)脈動值的方程：Sm為液體或固體燃料傳入氣相中的量；混合分數(shù)的優(yōu)點（1）將化學(xué)反應(yīng)減少為一個或二個守恒的混合分數(shù)；（2）所有的熱化學(xué)標量（組分濃度、密度和溫度）均唯一與混合分數(shù)有關(guān)；（3）給定系統(tǒng)中的化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)，流場中任意一點的混合分數(shù)值可用于計算組分濃度、密度和溫度值。由f計算組分濃度平衡假設(shè)：對于化學(xué)平衡來說，為使其總存在分子水平上，化學(xué)反應(yīng)足夠迅速，根據(jù)最小吉布斯自由能法則，對于某個特定的燃燒系統(tǒng)，一個f值對應(yīng)著一個確定的組分濃度。平衡假設(shè)化學(xué)平衡假設(shè)化學(xué)反應(yīng)很快到達平衡.可以考慮中間組分.絕熱與非絕熱選擇以下幾種情況必須使用非絕熱預(yù)混模型方法：與壁面有對流或輻射傳熱入口燃料和氧化劑溫度不同有顆?；蛞旱未嬖?、湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用之前模型給出的是混合分數(shù)f與組分濃度、密度、溫度之間的瞬時關(guān)系，對于紊態(tài)流動，這些值存在脈動，需要求解的是這些脈動量的時間平均值，也就是解決湍流與化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用問題。概率密度函數(shù)法（PDF）概率密度函數(shù)法-PDF右圖表示在時間T內(nèi)f隨時間的脈動值；左圖的橫坐標p(f)即為概率密度函數(shù)，表示流動花在狀態(tài)f的時間分數(shù)；概率密度函數(shù)p(f)P(f)描述了湍流中f的瞬時脈動值，因此可以用來計算依賴于f的時間平均值，計算公式為：其中時均值在FLUENT中表示的是組分濃度、密度或溫度。P(f)函數(shù)分布來源：根據(jù)濃度脈動值方面的測量，由實驗觀察結(jié)果得到，主要有兩個數(shù)學(xué)函數(shù)，雙函數(shù)、

函數(shù)。PDF計算結(jié)果PDF計算結(jié)果溫度和混合分數(shù)的關(guān)系PDF計算結(jié)果組分與混合分數(shù)的關(guān)系3、非預(yù)混模型的使用條件分離的燃料和氧化劑入口的擴散燃燒當使用單一混合時，燃料和氧化劑可以使單質(zhì)或混合物，可以有多個燃料和氧化劑入口，但各個燃料或氧化劑入口的成分必須相同。單個混合分數(shù)模擬系統(tǒng)Fuel/air擴散火焰:多氧化劑入口的擴散火焰:多燃料進口的擴散火焰:非預(yù)混模型的使用條件當使用兩個混合分數(shù)時，可定義：兩種不同組分燃料+一種氧化劑流、氣液/氣煤/液煤混合物+一種氧化劑、兩種不同組分氧化劑+一種燃料。必須是湍流非預(yù)混模型小結(jié)優(yōu)點:可以計算中間組分.考慮分裂影響.考慮湍流－化學(xué)反應(yīng)之間作用.無需求解組分輸運方程（特別是多組分），簡化計算量性能好，經(jīng)濟缺點:系統(tǒng)必須滿足（靠近）局部平衡.不能用于可壓速或非湍流流動.不能用于預(yù)混燃燒.4、FLUENT設(shè)置步驟1、選擇非預(yù)混模型2、定義化學(xué)模型選擇平衡化學(xué)模型選擇絕熱或非絕熱定義二次流經(jīng)驗流（一般用于煤粉燃燒，氣相燃料不適用）需要輸入燃料的低位發(fā)熱量和比熱。FLUENT設(shè)置步驟3、定義邊界查找需要的物質(zhì)燃料和氧化劑的化學(xué)成分選擇需要添加的物質(zhì)定義溫度FLUENT設(shè)置步驟4、計算查詢表5、顯示計算結(jié)果煤粉燃燒模擬三種模擬選項：煤作為唯一燃料：使用二混合分數(shù)，一個是焦炭100%C(s)，另一個是揮發(fā)分；煤作為唯一燃料：使用單混合分數(shù)，煤的成分包括焦炭和揮發(fā)分；煤和其它燃料（氣體或液體）一起使用：使用二混合分數(shù)，分別代表兩種燃料；兩種模擬方法傳統(tǒng)方法：選擇煤燃燒系統(tǒng)的組分列表（如，C3H8,CH4,CO,CO2,H2O(l),H2O,H2,O，C(s),O2,和N2），還可以選擇灰分ash，按照質(zhì)量分數(shù)輸入。近似分析重量％kg（DAF）Moles（DAF）摩爾分數(shù)（DAF）揮發(fā)分C3H8CO固定碳（C(s)）灰3060100.18330.11670.6-0.04170.04170.6-0.07150.07150.8570-總量0.58341.0兩種模擬方法經(jīng)驗燃料法（EmpiricalStream）：選擇C、H、O、N、S作為基本元素，按照經(jīng)驗值輸入元素的質(zhì)量分數(shù)。元素Wt％（DAF）Wt%（DAF）C89.389.3H5.05.0O3.43.4N1.52.3S0.8-兩種模擬方法經(jīng)驗燃料法：也可把煤分為焦炭和揮發(fā)分，用二混合分數(shù)來處理，焦炭輸入C(s),揮發(fā)分采用元素分析值。揮發(fā)分元素分析值元素質(zhì)量Wt%摩爾摩爾分數(shù)C（89.3～69.6）0.655.40.24H5.00.16160.70O3.40.110.70.03N2.30.080.60.03總量30.422.7實例演練三、非預(yù)混模型氧化劑入口燃料1入口燃料2入口出口5、層流火焰面模型Equilibrium：化學(xué)平衡假設(shè)，燃燒系統(tǒng)總處于平衡狀態(tài)；SteadyFlamelet：局部化學(xué)平衡會導(dǎo)致不真實的結(jié)果，有些燃燒存在非平衡效應(yīng)，如射流火焰的抬舉和吹熄現(xiàn)象。層流火焰面模型基本思想：（1）把離散、定常層流火焰成為小火焰，并用之近似模擬紊流火焰；（2）假定個體的小火焰和層流火焰擁有相似的結(jié)構(gòu)，小火焰是由計算或?qū)嶒灥玫降?；?yōu)點：將實際的動力效應(yīng)融合在紊流火焰之中；局限：適用于相對高速的化學(xué)反應(yīng)中，不適合于燃燒速度緩慢的火焰，如點火、熄火和Nox的生成（應(yīng)選擇EDC模型）?；鹧娴姆瞧胶庑詳U散火焰中，燃料和氧化劑遇到活化中心發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量和組分由火焰中心揮發(fā)出去，增加了局部的不平衡性，不平衡性是由于紊流所產(chǎn)生的空氣動力學(xué)應(yīng)變引起的。小火焰模型認為紊流是由紊流流動區(qū)域內(nèi)很薄的局部一維層流小火焰構(gòu)成？？層流火焰面模型把混合分數(shù)PDF擴展到模擬中度化學(xué)非平衡燃燒模擬中；計算方法：解輸運方程中的混合分數(shù)變化，為考慮非平衡效果，計算擴散標量，也就是火焰應(yīng)變比例。小火焰模型理論用混合分數(shù)f和標量函數(shù)來表述化學(xué)反應(yīng)。

（D：擴散系數(shù)）

用來量化燃燒非平衡偏離，當值趨于0時，化學(xué)反應(yīng)區(qū)域平衡，當值增加時，燃燒的非平衡型增加。模型中溫度和組分濃度完全是f和的函數(shù)。小火焰模型的假設(shè)和限制條件模型中只能用單混合分數(shù)，不允許使用雙混合分數(shù)；假定混合分數(shù)f遵循-pdf函數(shù)，耗散標量遵循雙δ-pdf函數(shù)；以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的氣流不能用于小火焰模型。小火焰模型的使用適用條件：高速湍流，適度的非平衡，非預(yù)混；案例：（1）預(yù)測噴流火焰中的發(fā)射和吹出現(xiàn)象；（2）內(nèi)燃機（柴油機非定?；鹧孀幽Ｐ停┫拗茥l件：不能模擬點火、熄滅和低Da數(shù)情況。FLUENT設(shè)置需要從CHEMKIN導(dǎo)入物質(zhì)的熱力性質(zhì)、傳輸和反應(yīng)數(shù)據(jù)。四、預(yù)混燃燒模型預(yù)混燃燒：燃料和氧化劑在點火之前進行分子級別的混合，反應(yīng)在燃燒區(qū)域發(fā)生，這個區(qū)域?qū)⑽慈紵姆磻?yīng)物和燃燒產(chǎn)物分開。如吸氣式內(nèi)燃機、稀薄燃氣輪機的燃燒器、氣體泄漏爆炸等。預(yù)混燃燒模擬的難點預(yù)混燃燒通常作為薄層火焰產(chǎn)生，被湍流拉伸或扭曲，火焰?zhèn)鞑サ恼w速率受層流火焰速度和湍流漩渦控制；為得到層流火焰速度，需要確定內(nèi)部火焰結(jié)構(gòu)和詳細的化學(xué)動力學(xué)及分子擴散過程，實際的火焰厚度只有微米級別；湍流作用使得傳播中的層流火焰杯皺折、拉伸，增加了薄層面積，提高了火焰速度；關(guān)鍵：捕獲湍流火焰速度，受層流火焰速度和湍流的影響。預(yù)混模型使用限制必須使用非耦合求解器；（define-models-solver:Pressurebased）只對湍流、亞音速模型有效；不能和污染物模型（如NOx）一起使用；不能模擬離散相粒子的反應(yīng)，只有惰性粒子才能與預(yù)混模型一起使用。1、預(yù)混模型理論火焰前鋒的傳播：預(yù)混燃燒時，火焰發(fā)生在一個非常薄的火焰層中，火焰前鋒移動時，未燃反應(yīng)物燃燒變?yōu)楫a(chǎn)物，火焰層將反應(yīng)的流場分為已燃物區(qū)和未燃物區(qū)，反應(yīng)的傳播等同于火焰前鋒的傳播預(yù)混燃燒--Zimont模型反應(yīng)進程變量c：Yp：當前產(chǎn)物的質(zhì)量分數(shù)；Ypad：完全絕熱燃燒后產(chǎn)物的質(zhì)量分數(shù)；標量c的輸運方程：Sct：施密特數(shù)，Sc為反應(yīng)進程源項：Ut：湍流火焰速度，求解的關(guān)鍵。受兩個因素影響：層流火焰速度；渦流引起的火焰前鋒的折皺、拉伸和加厚。求解湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣萓t時考慮：（1）預(yù)混燃料當量比（2）湍流引起的火焰前鋒皺折和增厚（3）湍流拉伸引起的火焰前鋒淬熄（4）分子擴散湍流火焰速度化學(xué)反應(yīng)時間尺度。湍流火焰速度FLUENT中計算火焰速度公式：A模型常數(shù)，u’速度均方值，Ul層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，為熱擴散系數(shù)，為湍流時間長度尺度，湍流時間尺度，湍流化學(xué)反應(yīng)時間尺度。湍流長度尺寸常數(shù)CD湍流火焰速度常數(shù)A拉伸系數(shù)湍流施密特數(shù)Sct拉伸系數(shù)為了考慮火焰面拉伸所導(dǎo)致的吹熄現(xiàn)象，在反應(yīng)源項中乘以一個拉伸因子G，即：其中：以上各式中出現(xiàn)的一些常數(shù)值在FLUENT默認條件下為：A=0.52，CD=0.37，μstr=0.26，Sct=0.7溫度的計算絕熱溫度計算：模型假設(shè)未燃混合物溫度Tu和絕熱條件下燃燒產(chǎn)物溫度Tad之間成線性變化。溫度計算非絕熱溫度計算：求解能量輸運方程中得到系統(tǒng)中能量的得失，包括化學(xué)反應(yīng)熱源、輻射產(chǎn)生熱損失等，以焓表示的能量方程為：Sh,rad：輻射導(dǎo)致的熱損失；Sh,chem：化學(xué)反應(yīng)得到的熱量反應(yīng)進程源項：Hcomb:每1kg燃料產(chǎn)生的熱量，Yfuel：未燃混合物中燃料的質(zhì)量分數(shù)。密度的計算絕熱火焰

非絕熱火焰預(yù)混燃燒模型的使用適用條件：湍流、快速化學(xué)反應(yīng)、預(yù)混合；案例：（1）預(yù)混合反應(yīng)流系統(tǒng)；（2）低預(yù)混合燃氣渦輪燃燒室。限制條件：不能模擬點火、熄滅和低Da數(shù)的情況。FLUENT相關(guān)設(shè)置1、選擇預(yù)混模型2、確定絕熱或非絕熱（如果有fluent材料庫中的模型，可以首先選擇一種）FLUENT相關(guān)設(shè)置2、定義材料屬性絕熱未燃反應(yīng)物密度未燃反應(yīng)物溫度絕熱燃燒產(chǎn)物溫度動力黏度熱擴散系數(shù)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰R界變化率（火焰拉伸）FLUENT相關(guān)設(shè)置2、定義材料屬性非絕熱未燃反應(yīng)物密度未燃反應(yīng)物溫度比熱導(dǎo)熱率動力黏度熱擴散系數(shù)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰R界變化率（火焰拉伸）燃燒熱未燃物質(zhì)量分數(shù)FLUENT相關(guān)設(shè)置3、設(shè)置邊界條件（關(guān)鍵在于設(shè)置反應(yīng)進程量C的值）C=0:未燃混合物C=1：燃燒后的混合物FLUENT相關(guān)設(shè)置計算后處理進程變量CDamkohler數(shù)（混合時間/反應(yīng)時間）拉伸因子湍流火焰速度靜態(tài)溫度產(chǎn)物生成速率層流火焰速度臨界應(yīng)力速率未燃燃料質(zhì)量分數(shù)FLUENT相關(guān)設(shè)置顯示質(zhì)量分數(shù)—用戶定義函數(shù)未燃混合物中某種物質(zhì)濃度：已燃混合物中某種物質(zhì)濃度：Define-customfieldfunction預(yù)混模型總結(jié)適用條件湍流快速化學(xué)反應(yīng)只有預(yù)混合限制條件不能模擬運動學(xué)細節(jié)中的實際現(xiàn)象（如點燃、熄滅和低Da數(shù)）。實例演練四：預(yù)混燃燒混合燃料入口1混合燃料入口2煙氣出口五、部分預(yù)混燃燒模型部分預(yù)混燃燒系統(tǒng)：帶有不均勻燃料-氧化劑的混合物的預(yù)混燃燒火焰。如：預(yù)混的混合物噴射到靜止的大氣中。幾種燃燒方式比較預(yù)混燃燒擴散燃燒部分預(yù)混燃燒部分預(yù)混模型思想非預(yù)混模型和預(yù)混模型的結(jié)合。非預(yù)混模型：預(yù)混模型：部分預(yù)混模型理論預(yù)混火焰c決定火焰前鋒的位置。（1）燃盡帶c=1：混合物已燃，采用守恒標量f-PDF或?qū)恿骰鹧婷婺Ｐ颓蠼?；?）未燃氣體c=0：各標量按照未燃燒的混合物分數(shù)來計算；（3）燃燒帶0<c<1：未燃物和已燃物采用線性處理；平衡標量計算：f和c的概率密度函數(shù)。部分預(yù)混模型理論在未燃混合物里忽視了湍流波動(PDF)和非絕熱的影響，故計算的標量只是的函數(shù)，這個假設(shè)對于大多數(shù)部分預(yù)混燃燒時有效的，以便于減少內(nèi)存的需求；層流火焰速度：理論上很難確定，通常經(jīng)過試驗或一維計算得來，F(xiàn)LUENT中使用擬合曲線Goyygens來確定，這些火焰速度對于燃料是純H2,CH4,C2H2,C2H4,C2H6,和C3H8

是比較精確的，但如果氧化劑不是空氣，這種曲線擬合可能不正確。部分混合模型的使用適用條件：湍流，均衡或非均衡，部分預(yù)混；案例（1）有稀釋冷卻孔的燃氣渦輪燃燒室；（2）同時有預(yù)混合非預(yù)混混合流的系統(tǒng)。限制條件：混合時間和反應(yīng)時間相似時不可靠；不能模擬點火、熄滅等現(xiàn)象。FLUENT相關(guān)設(shè)置1、選擇非預(yù)混燃燒選擇創(chuàng)建PDF表設(shè)置平衡、是否絕熱選擇二次流FLUENT相關(guān)設(shè)置2、設(shè)置燃料、氧化劑燃料和氧化劑的質(zhì)量分數(shù)定義燃料時一定要注意：（1）如果定義的燃料是進口預(yù)混組分，那么入口邊界條件的f=1；（2）如果定義的是純?nèi)剂?，則入口邊界條件0<f<1，應(yīng)根據(jù)入口處的成分計算；FLUENT相關(guān)設(shè)置3、計算PDF表FLUENT相關(guān)設(shè)置4、設(shè)置材料屬性導(dǎo)熱率和動力粘度可設(shè)置為隨溫度變化層流火焰速度采用了分段函數(shù)擬合，無需設(shè)置FLUENT相關(guān)設(shè)置5、邊界條件定義燃料時一定要注意：（1）如果定義的燃料是進口預(yù)混組分，那么入口邊界條件的f=1；（2）如果定義的是純?nèi)剂?，則入口邊界條件0<f<1，應(yīng)根據(jù)入口處的成分計算；實例演練五：部分預(yù)混燃燒入口20%CH480%air出口六、聯(lián)合PDF燃燒模型基本思想：直接求解關(guān)于概率密度函數(shù)PDF輸運方程，求處所有與流動、燃燒有關(guān)的參數(shù)。聯(lián)合PDF燃燒模型優(yōu)點：1、取消了其他模型的假設(shè)前提，對于守恒方程中的對流項、非線性化學(xué)反應(yīng)項、壓力項可以精確處理；2、可以提供流場的完整信息；3、可以模擬著火、熄火、湍流燃燒和污染物的生成過程。PDF模型方程速度PDF方程；標量PDF方程；速度標量聯(lián)合PDF方程；速度、耗散率和標量聯(lián)合的PDF方程。速度與標量聯(lián)合PDF方程聯(lián)合PDF燃燒模型可以精確、詳細地模擬湍流和詳細化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)之間的相互作用。被認為是模擬湍流燃燒最精確的方法??！缺點：需要極大的計算機存儲量和計算時間。（Brewster：4302個非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，計算甲烷-空氣湍流燃燒，在HP工作站上計算約210h）該模型在大尺寸工業(yè)裝置模擬受限。??！很多研究者認為這是湍流燃燒模擬的發(fā)展方向。燃燒模型總結(jié)層流有限速率：層流；ED：一步或兩步反應(yīng)；ED/有限速率：EDC：NO緩慢燃燒、Nox生成非預(yù)混：(1)平衡法：擴散燃燒(2)火焰面模型：擴散燃燒預(yù)混：預(yù)混燃燒部分預(yù)混：部分預(yù)混綜合PDF輸運：所有燃燒燃燒模型使用經(jīng)驗任何一種模型都有一定的假設(shè)條件，模型建立過程中都或多或少地忽略了一部分影響因素，因此沒有任何一個模型的計算結(jié)果是精確的；選擇模型時，首先必須滿足其基本使用條件，在此基礎(chǔ)上，使用不同模型進行模擬，將計算結(jié)果與實驗或工業(yè)測試結(jié)果比較，最終選擇確定最佳模型。七、表面化學(xué)反應(yīng)氣相化學(xué)反應(yīng)：化學(xué)反應(yīng)按照體積定義，化學(xué)組分生成和消耗速率成為組分守恒方程中的源項；表面反應(yīng)和化學(xué)蒸汽沉積：受化學(xué)動力學(xué)和表面擴散速率的控制，要確定表面組分的沉積速率，表面化學(xué)反應(yīng)速率的定義和計算時按照單位表面積定義的。表面化學(xué)反應(yīng)理論第r個壁面的表面化學(xué)反應(yīng)：第r個反應(yīng)的速率為（假設(shè)與凝固態(tài)無關(guān)）

（Arrehnius計算）++表面化學(xué)反應(yīng)理論壁面處每個組分i的凈生成或消耗速率為：表面化學(xué)反應(yīng)建模的目標是計算壁面上氣態(tài)組分和吸收組分的濃度。表面化學(xué)反應(yīng)理論假設(shè)每個氣態(tài)組分的質(zhì)量流量與其生成/消耗速率相平衡。mdep為表面反應(yīng)的質(zhì)量沉積速率通過以上方程可以求出壁面上組分i的質(zhì)量分數(shù)Yi和凈生成速率Ri，F(xiàn)LUENT這些表達式來計算氣相組分濃度。表面化學(xué)反應(yīng)理論HeatofSurfaceReaction包括表面化學(xué)反應(yīng)的熱量，F(xiàn)LUENT默認缺省設(shè)置，忽略表面反應(yīng)熱。MassDepositionSource計算來自表面的凈質(zhì)量流量的動量。FLUENT相關(guān)設(shè)置1、選擇組分傳輸及化學(xué)反應(yīng)-湍流模型；2、選擇體積及表面反應(yīng)；3、選擇是否需要考慮壁面反應(yīng)熱和表面質(zhì)量流量動量。FLUENT相關(guān)設(shè)置3、定義材料（常規(guī)設(shè)置）4、定義壁面邊界條件。（define-b.c-wall-species）標明化學(xué)反應(yīng)對該壁面有無影響。定義壁面處的組分濃度。八、微粒表面的化學(xué)反應(yīng)煤粉的燃燒炭粒的燃燒過程微粒表面反應(yīng)理論微粒表面化學(xué)反應(yīng)速率：

：微粒表面組分侵蝕速率kg/s（計算微粒直徑）；Ap：微粒表面面積；Yj：組分濃度；

：效率因子；Rjr：微粒表面化學(xué)反應(yīng)速率kg/s；Pn氣體組分分壓；D0,r：反應(yīng)r的擴散率系數(shù)；Rkin,r：反應(yīng)r的動力學(xué)速率；N：反應(yīng)r的階數(shù)。FLUENT相關(guān)設(shè)置1、選擇組分傳輸模型混合物材料體積和顆粒表面反應(yīng)湍流-化學(xué)相互作用模型九、離散相的模擬Define-models-discretemodel應(yīng)用：煤粉燃燒，顆粒與氣體的相互運動。多相流模擬方法歐拉-歐拉法：以空間點為時間對象，對連續(xù)相和顆粒在歐拉框架下求解N-S方程。歐拉-拉格朗日法：以單個粒子為對象，連續(xù)相在歐拉框架下求解，粒子在拉格朗日框架下求解，即discretemodel，首先計算連續(xù)場，再結(jié)合流場求每一個顆粒的受力，F(xiàn)LUENT可以模擬顆粒的傳熱傳質(zhì)，即燃燒等化學(xué)反應(yīng)；使用條件：離散相比較稀疏的情況，忽略顆粒之間的相互作用，一般要求顆粒體積分數(shù)小于10%-12%。FLUENT離散相模型功能離散相重力、慣性、布朗運動等；湍流漩渦作用對顆粒造成的影響；顆粒的加熱、冷卻（惰性粒子）；液滴的蒸發(fā)與沸騰；顆粒燃燒：揮發(fā)分析出及焦炭的燃燒。運用：顆粒分離與分級、噴霧干燥、液體中氣泡的攪渾、液體燃料燃燒、煤粉燃燒。離散相模型使用限制不能使用周期性邊界條件；預(yù)混燃燒模型只能使用不帶化學(xué)反應(yīng)的顆粒；不能使用動網(wǎng)格技術(shù)，離散相設(shè)定為從一個表面進入流場，粒子所在平面不能隨網(wǎng)格一起運動；最好不要使用多參考坐標系，顆粒軌道的顯示可能沒有意義；離散相模型計算過程在拉格朗日坐標系下，求解顆粒、液滴、氣泡的軌道.并與連續(xù)相（氣相）進行熱、質(zhì)量和動量的耦合求解。稀疏相體積分數(shù)必須<10%質(zhì)量分數(shù)可以比較高不考慮顆粒之間作用、顆粒破碎模擬湍流彌撒隨機軌道（Stochastictracking）顆粒云團模型（Particlecloud）顆粒軌道模型

uniform,Rosin-Rammler

Rosin-Rammlerlogarithmic計算連續(xù)相流動場計算顆粒軌道更新連續(xù)相源項模型選擇粒徑分布方式（根據(jù)實驗確定）顆粒彌散模型顆粒軌道模型Monte-Carlo方法模擬湍流顆粒彌散(discreterandomwalks)顆粒運動計算中考慮氣體的平均速度及隨機湍流脈動速度的影響。每個軌道包含了一群具有相同特性的顆粒，如相同的初始直徑，密度等.考慮湍流彌散尤為重要更復(fù)合真實物理過程，但計算量更大。可以通過光滑源項、消除與氣相的耦合來強化計算穩(wěn)定性；Coalparticletracksinanindustrialboiler顆粒云團模型用平均速度決定顆粒的平均軌道；假定平均軌道為3D多變量的Gaussian分布，計算顆粒偏離的范圍；該模型計算精確度下降：（1）氣相性質(zhì)T、P等使用云平均；（2）有大量顆粒循環(huán)運動。優(yōu)點：減少了計算量，增加了穩(wěn)定性經(jīng)典算例：煤粉燃燒煤粉燃燒系統(tǒng)為一個簡單的10m*1m的二維管道，對稱結(jié)構(gòu)，取一半模擬，2D管道進口為兩股流動，空氣入口尺寸、速度如圖所示；溫度為300K的煤粒在高速流附近以0.2kg/s的質(zhì)量流量進入爐膛，使用非預(yù)混pdf和離散相進行模擬。讀取網(wǎng)格，檢查質(zhì)量File-read-case-coalpdfanddpm.msh;檢查網(wǎng)格：Grid-check;定義長度單位：grid-scale;平滑網(wǎng)格質(zhì)量：grid-smooth/swapgrid.定義求解器Define-models-solver求解方式空間模型Axisymmetric:圓柱問題轉(zhuǎn)2DSwirl：3D旋轉(zhuǎn)問題時間模型穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)能量及湍流方程Define-models-energy能量方程使用絕熱系統(tǒng)時不需要Define-models-viscous湍流模型一般選擇k-epsilon模型定義非預(yù)混PDF模型Define-models-species–transport&reaction化學(xué)參數(shù)定義Non-premisedcombustionCreatetableEquilibriumNon-AdiabaticEmpiricallyfuelstream燃料熱值和比熱（3.53e+07J/kg,1000J/kg.K）定義煤的成分Boundary燃料成分、氧化劑成分（注意質(zhì)量分數(shù)、摩爾分數(shù)）燃料、氧化劑溫度煤的元素分析值舉例定義系統(tǒng)中平衡的化學(xué)物質(zhì)根據(jù)燃料類型和燃燒系統(tǒng)來確定。煤粉燃燒一般取下列13種物質(zhì)：C、C<s>、CH4、CO、CO2、H、H2、H2O、N、N2、O、O2、OH-自動設(shè)置。Control系統(tǒng)不包含的物質(zhì)（一般是N、O化物）計算PDF表平均混合分數(shù)點數(shù)平均混合分數(shù)標化個數(shù)最大組分數(shù)平均焓值點數(shù)最低溫度點擊開始計算查看PDF表2D或3D顯示X軸變量顯示PDF結(jié)果圖溫度分布、濃度分布、密度分布保存pdf表：file-write-pdf，和case文件保存在同一個路徑下，以便以后讀取。選擇輻射模型Define-models-radiationFLUENT提供了五種輻射模型，只有P1模型和DO模型可以計算氣體與顆粒之間的輻射換熱。建立離散相Define-models-discretephase選擇流體與顆粒相互作用；設(shè)定每次顆粒計算后的連續(xù)相計算步數(shù)；Maxnumberofsteps：中止顆粒軌跡；Lengthscale：控制每一次步數(shù)大小；（LengthScale控制離散相軌跡綜合中用到的每一次步數(shù)的大小。這兒用到的值0.01m意味著10m長的一段軌跡要計算1000步左右。）創(chuàng)建離散相煤射入軌跡Define-injections-create創(chuàng)建離散相煤射入軌跡射流名稱射入形式、射入流數(shù)量顆粒形式：燃燒材料(可自定義屬性)粒徑分布顆粒流性質(zhì)（射入點坐標、速度、溫度、粒徑、質(zhì)量流量）湍流彌散模型顆粒流性質(zhì)定義材料屬性Define-materials混合成分各組分氣體固體燃燒顆粒定義連續(xù)相材料Define-materials-mixture需要定義四個變量：導(dǎo)熱率、動力粘度；吸收系數(shù)、散射系數(shù)。不需要定義的量：密度、比熱（PDF表）Absorptioncoefficient：計算輻射方程的氣體吸收系數(shù)，一般選擇wsggm-cell-based，吸收系數(shù)隨氣體成分變化而變化。定義各組分材料屬性fluid可定義的屬性：比熱摩爾質(zhì)量、標準焓、熵、溫度；不需要定義的屬性：密度（PDF）定義燃燒顆粒的屬性Combusting-particle密度、比熱、導(dǎo)熱率；LatentHeat:揮發(fā)分蒸發(fā)耗熱量；VaporizationTemperature:液化溫度；VolatileComponentFraction:揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)；BinaryDiffusivity：顆粒表面氧化劑擴散率；ParticleEmissivity：顆粒輻射系數(shù)；ParticleScatteringFactor：顆粒散射系數(shù)；SwellingCoefficient：膨脹系數(shù)；BurnoutStoichiometricRatio：燃盡系數(shù)；（PDF模型不使用）CombustibleFraction：煤粒中C質(zhì)量分數(shù)；Devolatilizationmodel：揮發(fā)模型singlerate；Combustionmodel：燃燒模型kinetics/diffusionlimited定義燃燒顆粒的屬性?。。∫韵氯齻€值必須與PDF中設(shè)置的一致VaporizationTemperature:液化溫度；VolatileComponentFraction:揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)；CombustibleFraction：煤粒中C質(zhì)量分數(shù)；PDF燃料屬性Particle燃料屬性設(shè)置入口邊界條件Define-boundarycondition-inlet入口速度、溫度、湍流強度、水利直徑；Species：設(shè)為0，因為所有的燃料都是離散相，已經(jīng)在顆粒射入處完成設(shè)置。設(shè)置出口及壁面邊界Outlet/wall初始化流場并開始計算Solve-initialize/initializeSolve-iterate模擬結(jié)果溫度場模擬結(jié)果CO質(zhì)量濃度能量守恒報告Report-Flux-Totalheattransferrate正值表示熱量進入?yún)^(qū)域，負值表示熱量傳出區(qū)域，總焓的凈非平衡值（大約47kw）表示從離散相加入的所有焓值）離散相信息Display-particletracks-summary顆粒平均停留時間為0.3182s，區(qū)域內(nèi)揮發(fā)分和碳完全燃燒得到顆粒運動軌跡Display-particletracks觀看動畫：display-particle

tracks-pulse實例演練六、煤粉燃燒燃燒模擬步驟總結(jié)打開求解器（2D或3D）檢查物理模型適用性網(wǎng)格獨立性檢驗（很多人忽略！?。。。。?；求解參數(shù)、收斂條件設(shè)置邊界條件燃燒經(jīng)常對進口邊界條件十分敏感正確的進口標量和速度的分布很難估計壁面熱條件；盡可能優(yōu)先給定邊界溫度，很難給定對流換熱或者輻射換熱量

初始條件穩(wěn)態(tài)解跟初始值無關(guān)，但給的初始值不好，由于各個方程之間不和諧和輸運方程的非線性，導(dǎo)致解分歧或發(fā)散不收斂。先求解冷態(tài)流動、接著氣體燃燒、顆粒燃燒、再考慮輻射；對于強旋流動，漸漸增加旋流速度；燃燒模擬步驟總結(jié)低松弛因子松弛因子改變對結(jié)果影響是高度非線性的采用混合分數(shù)PDF模型時，密度采用低松弛(0.5)考慮浮力流動中，速度采用低松弛因子高速流動中壓力采用低松弛因子一旦解較為穩(wěn)定,盡可能讓松弛因子提高到系統(tǒng)默認值(溫度，0.9；P是1；旋流速度，組分（混合分數(shù)）也是1或接近1。離散化開始用一階精度,收斂后用二階精度提高求解精度對于三角形或四面體網(wǎng)格，二級精度離散尤為關(guān)鍵離散相模擬–增加穩(wěn)定性,增加隨機軌道數(shù)目(或者采用顆粒云團模型)低松弛因子，增加每次耦合計算中顆粒相計算后氣相疊代次數(shù)燃燒模擬步驟總結(jié)ED模型默認設(shè)置finiterate/eddy-dissipation(Arrhenius/ED)對于非預(yù)混(擴散)火焰，關(guān)掉有限速率模型對于預(yù)混火焰，應(yīng)該采用Arrhenius項，使得反應(yīng)物不至于過早燃燒。需要高溫點火，保證反應(yīng)進行（initialization/patch）考慮比熱Cp隨溫度變化，以便計算的溫度不至于過高而不切合實際。混合分數(shù)PDF模型如果符合該模型假設(shè)，可以選用該模型建表中要保證有足夠多的點以便保證插值精度，同時要不影響計算時間。燃燒模擬步驟總結(jié)湍流開始用標準k-e模型收斂后轉(zhuǎn)變?yōu)镽NGk-e,Realizablek-e

或RSM，可以與實驗結(jié)果比較、也可以比較結(jié)果受湍流模型的影響情況收斂判斷一般變量殘差小于10-3，溫度、

P-1和組分的殘差要小于10-6

質(zhì)量和能量必須守城；監(jiān)視和檢查所關(guān)心的變量(如：出口平均溫度)檢查變量的等值線圖是否光滑、合理及穩(wěn)定不變。FLUENT經(jīng)典問題1殘差震蕩和不收斂的問題？殘差：FLUENT計算是一個逐漸收斂的過程，即各個網(wǎng)格內(nèi)的值不斷趨于最終值的過程。殘差是當前步計算的各個網(wǎng)格中的值（如質(zhì)量流量、壓力、速度、溫度、湍動能等）與上一步計算值偏差的平均。殘差的震蕩與不收斂原因：高精度格式；網(wǎng)格劃分過粗；網(wǎng)格質(zhì)量差；流場邊界復(fù)雜，流動復(fù)雜；松弛因子過高；殘差的震蕩與不收斂網(wǎng)格過粗：殘差本身反應(yīng)的就是網(wǎng)格內(nèi)計算值的波動，網(wǎng)格過粗會導(dǎo)致網(wǎng)格面積過體積過大，進而使計算值波動較大，要進行網(wǎng)格獨立性檢驗；當使用分塊畫網(wǎng)格技術(shù)時，相臨面或體的網(wǎng)格尺寸不能相差太大，一般要小于2，這是連續(xù)性方程出現(xiàn)高殘差的原因；網(wǎng)格質(zhì)量差：通常如果幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而又使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時，在gambit檢查質(zhì)量就會顯示局部網(wǎng)格質(zhì)量較差的區(qū)域，一般skew值在0.7以上就要引起注意；網(wǎng)格質(zhì)量是引起計算結(jié)果發(fā)散的最主要原因，一定要想辦法改善，如簡化結(jié)構(gòu)、使用分塊化網(wǎng)格技術(shù)等。殘差震蕩與不收斂流場邊界復(fù)雜：由于一般使用非滑移性邊界條件，邊界區(qū)域速度梯度比較大，在不影響模擬真實性的前提下，盡量對邊界進行簡化；流動區(qū)域復(fù)雜：在流場中避免出現(xiàn)尖點、死角等突變結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量差，以及局部變量的變化梯度過大而帶來殘差震蕩，尖點、死角也要進行適當簡化。殘差震蕩與不收斂松弛因子：（p:當前步結(jié)果，p*:上一步結(jié)果，p:迭代變化值）Solve-control-solution殘差震蕩與不收斂松弛因子一般小于1，成為亞松弛，就是將本層次計算與上一層次計算的結(jié)果差值作適當縮減，避免由于差值過大而引起迭代過程的發(fā)散。一般情況下，F(xiàn)LUENT對松弛因子都會有默認值，如壓力0.3、密度1、動量0.7、湍動能0.8、耗散能0.8、湍流粘度1，這些因子對于大多數(shù)流動都不需要改動；但是如果出現(xiàn)計算不穩(wěn)定或發(fā)散時，就需要考慮降低松弛因子。殘差震蕩與不收斂松弛因子舉例網(wǎng)格質(zhì)量不差，粗細適宜，但計算發(fā)散，考慮松弛因子??！殘差的震蕩與不收斂原因：高精度格式；網(wǎng)格劃分過粗；網(wǎng)格質(zhì)量差；流場邊界復(fù)雜，流動復(fù)雜；松弛因子過高；FLUENT經(jīng)典問題2如何判斷收斂？觀察點處的值不再隨計算步數(shù)的增加而變化；（選取一個最關(guān)心的量，如T、Re、質(zhì)量流量等）各參量殘差隨計算步數(shù)的增加而降低，最后趨于平緩；滿足質(zhì)量守恒與能量守恒；當滿足前兩個判據(jù)時，不一定表示結(jié)果已經(jīng)收斂，因為如果松弛因子比較小，各參數(shù)每步變化不大，一定要考慮第三個判據(jù)。收斂問題一般情況下，殘差越小越好，流場越穩(wěn)定；但殘差曲線是全場求平均的結(jié)果，有時候其大小并不一定代表計算結(jié)果的好壞，關(guān)鍵要看計算結(jié)果是否符合物理事實；比如在用PDF模型和DPM模型求解燃燒問題，由于顆粒與流場之間的相互作用，殘差會非常震蕩，但計算結(jié)果的溫度場、速度場都是比較均勻的，并且也符合實際物理現(xiàn)象。FLUENT經(jīng)典問題3網(wǎng)格劃分是不是越密越好？不是。實際網(wǎng)格密度：在工程允許的偏差范圍內(nèi)，數(shù)值解幾乎不再變化。網(wǎng)格劃分密度數(shù)值計算與實驗值誤差來源：物理模型近似差：幾何結(jié)構(gòu)簡化、2D/3D簡化；差分方程的離散誤差；迭代計算誤差；舍入誤差：由計算方法和計算機字長決定。網(wǎng)格劃分密度誤差=離散誤差+舍入誤差。網(wǎng)格數(shù)增加時，離散誤差減小，但舍入誤差增大。正確的網(wǎng)格密度確定方法：(1)根據(jù)經(jīng)驗進行大致劃分，將計算