第16章 部分预混燃烧的模拟.doc
16.部分预混燃烧的模拟FLUENT提供了一个模拟部分预混燃烧的模型，它是基于14章讲述的非预混燃烧模型和15张讲述的预混燃烧模型的。关于部分预混燃烧模型按以下章节介绍：16.1概述和局限16.2理论16.3使用部分预混模型16.1概述和局限16.1.1概述部分预混燃烧系统，是带有不均匀燃料氧化剂的混合物的预混燃烧火焰。这种部分预混火焰的情形如，预混的混合物喷射到静止的大气中，带有扩散引导火焰或者冷却气喷嘴的贫油预混燃烧，以及不完整的混合进口的贫油预混燃烧室。FLUENT提供的部分预混模型是非预混模型（14章）和预混模型（15章）的简单结合。预混反应进度变量c，决定火焰前锋的位置。在焰锋后（c1），混合物是燃尽的，所以采用平衡或者.的求解方案；在焰锋（c0）前，组份质量分数、温度、密度通过未燃烧混合物计算。火焰内部（0<c<1），未燃物和已燃物采用线性处理。16.1.2局限非预混和预混模型的基本理论、假设以及各自的局限，直接应用于部分预混模型。特别地，single-mixture-fraction方法只适用于两个进口的情况，这2进口可以是纯燃料、纯氧化剂，或者燃料和氧化剂的混合物。two-mixture-fraction模型的情况下，进口数目限制延展到三个，但是将带来较大的计算量。更多信息，请参考14.1.1和15.1.2。16.2理论部分混合模型，通过求解一个输运方程来求平均反应进度（以决定焰峰的位置），和混合物组份方程和。火焰前方（c0），燃料和氧化剂是混合的但未燃烧，火焰后边（c1）混合物是燃尽了的。16.2.1标量的计算平均标量（如组份质量、温度和密度），用表示示，是通过计算f和c的概率密度函数（PDF）： 在薄火焰的假设下，于是只有未燃反应物和已燃产物存在，平均标量取决于这里下标b和u分别表示已燃和未燃。已燃部分的标量，b，是混合物的函数，通过组分燃料质量f和氧化剂质量（1f）并使混合物平衡b。当非绝热混合物和或考虑层流 的时候，b 依然是热焓和或应力的函数，但是这并不改变基本公式。未燃部分的标量，u，类似地通过组合燃料质量f和氧化剂质量（1f）来计算，但是混合物没有反应。就像非预混模型一样，化学计算和为已燃混合物PDF，在prePDF里面执行，FLUENT已经构建了向上层工作台供使用。在未燃混合物里忽视了湍流波动（PDF）和非绝热的影响，所以平均未燃物的标量只是的函数。这些假设对大多数部分预混燃烧了流动是有效的，做这些假设是为了减少内存需求。未燃的密度、温度、组份质量百分数、比热和热扩散（指示）在prePDF里面用最小二乘法拟合成的三阶多项式。由于未燃物标量是平滑变化、并是的缓慢变化函数，这些多项式拟合通常很精确。在prePDF里面，用户有权改变这些多项式，如果你要改变它们。16.2.2层流火焰速度反应进度模型需要层流火焰速度（公式15.2-4），层流火焰速度取决于混合物组份、温度以及压力。对很好地预混合系统如15章里的，反应流有一种混合物，层流火焰速度在整个火焰域里近似为常数。然而，在部分预混系统里，层流火焰传播速度将随着反应混合物（平很比）的变化而变化，这种变化必须考虑。精确的层流火焰速度理论上很难确定，通常是通过试验或者一维摸拟计算出来。prePDF使用拟合曲线Goyygens89来获得层流火焰速度。这些曲线是为氢气、甲烷、乙炔、乙烯、乙烷和丙烷燃烧火焰设计的。进口油气比从贫油极限到化学恰当比、未然物温度从298k到800k，压力从1到40bars的情况下，这些假设都是有效的。prePDF把曲线拟合成为分段线性多项式。富油极限和贫油极限下的油气比也可以确定，并转化为混合物百分比。混合物如果比贫油极限更贫油或者比富油极限更富油的话，将不会燃烧，将出现0火焰速度。这要求输入数值 10倍层流火焰速度。层流火焰速度的最小和最大的极限就是输入的第一个和最有一个数值。！这些火焰速度对于燃料是纯H2, CH4, C2 H2, C2 H4, C2 H6, 和C3 H8 是比较精确的。如果氧化剂不是空气或者有其它的的燃料，那么这种曲线拟合是不正确的。虽然prePDF缺损是甲烷空气混合物，层流火焰速度多项式和富油或者贫油状态下最可能不正确。层流速度多项式应该由其它项决定，比如别的一些相关文献介绍的测量方法或者详细的1维模拟，然后输入到prePDF。16.3使用部分预混燃烧模型设置和求解部分预混燃烧问题，结合部分非预混和部分预混的设置。16.3.1中给出了这个过程的大致轮廓，同时还有相应的关于到预混和非预混章节里去查询细节的相关信息。部分预混燃烧模型的特殊的输入，在16.3.1和16.3.2中介绍。16.3.1设置和求解步骤1、用prePDF生成一个PDF的查询表。你可以跟着非预混燃烧章节里，14.3.1或者14.4.6讲述的步骤进行设置，在define case面板里，打开 partially premixed model选项。Setup Case.！如果prePDF有警告你，在查询计算阶段，任何关于计算层流火焰速度的函数、计算未燃密度、温度、比热和热扩散率的参数，超出范围的参数都是有效的，你必须在保存PDF文件前改变多项式系数或者分段线性点的系数。Display Partially Premixed Properties.细节请参阅16.3.2。2、读入网格文件到FLUENT，并设置好其它你计划采用的与部分预混燃烧模型相关的模型（湍流、辐射等）3、激活部分预混燃烧模型（a） 打开Species Model 面板里的Partially Premixed Combustion 模型。Define Models Species.（b） 如果必要，改变Species Model面板里的Model Constants（模型常数）。这些对于预混燃烧模型来说是永恒的常数，很多情况下，你不必改变他们的缺损值。详细情况参见15.3.2（c） 点击Species Model面板上的OK后，指定包含你在prePDF里生成的查询图表的PDF文件名，并把它读入FLUENT。4、定义计算域内未燃物质的物理特性Define Materials.FLUENT将自动地为层流火焰速度选择 prepdf-polynomial 函数，指示PDF的查询表的分段线性多项式函数将用来计算层流火焰速度。有可以选择用户自定义函数而不是分段线性多项式函数。参见15.3.4，有关于设定未燃物的其它特性的详细资料。5、设定进出口的火焰进度变量（c）和平均混合物百分数（）和其变异（）。（对于那些包含多个进口的，你必须为平均次要进口部分分数定义边界条件以及其变异量）Define Boundary Conditions.参见14.3.3节，查看关于指导如何设定混合物分数和变异量条件，以及进口热流量和速度进口。！如果你在PDF里面定义燃料为进口预混组分，那么你应该设定set 和 。如果第定义的是纯燃料，那么你必须设定正确的化学恰当比( )，和进口处的。6、初始化进展变量Solve Initialize Patch.详见15.3.6节。7、求解物理问题并执行后处理参见14.3.3节，详见关于设定求解参数的指导。（这些指导是为非预混燃烧计算的，但是也相应适合于部分预混燃烧）。16.3.2在prePDF里改变未燃物组分的特性多项式对于未燃物，prePDF计算温度、密度、热容量、热扩散作为平均组分百分数的函数，（公式16.2-3）和层流火焰速度作为的分段多项式函数。未燃物温度，密度，热容，热扩散是通过CHEMKIN数据库125里的热动力和输运特性计算的。由于它们都是平滑的和的缓慢变化的函数，所以多项式拟合的处理通常非常精确。但是，就像在16.2节里说的，层流火焰速度取决于化学动力学的细节和分子输运特性，不是直接在prePDF里计算得来。相反，详细模拟得到的火焰速度，做了曲线拟合。这些拟合只局限于这些燃料H2, CH4, C2 H2, C2 H4, C2 H6, 和C3 H8，空气为氧化剂，贫油极限恰当比为1，未燃物温度从298 800k，压力从140bar。如果拟的参数调在这些范围外，prePDF将会在你计算查询表时警告你。在这种情况下，必须在部分预混模型特性面板（图16.3.1）里改变分段线性点的的取值，然后再保存PDF文件。Display Partially Premixed Properties.图16.3.1：prePDF里的部分预混模型特性面板对每一个的多项式函数（密度，温度，比热和热扩散），你可以指定c0、c1、c2和c3的值（公式16.2-3里的多项式系数）。也可以对10个不同点指定分段线性混合物百分数（f）和相应的层流火焰速度（sl）。第一个指定的点是下限，最后一点是上限。在上下限范围以外，层流火焰速度是常数并等于极限值。同时注意，你可以为层流火焰速度选择用一个用户自定义函数，这时分段线性拟合就是无关的了。
