基于fluent的甲烷燃烧二维模拟分析

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1、基于fluent的甲烷燃烧二维模拟分析陈飞1434422(同济大学汽车学院，上海)摘要:目前，由于环境污染和排放法规的日趋严格，降低排放已经成为了汽车工业的重点，而寻求清洁的替代燃料是一种较为有效的解决办法。甲烷属于可再生气体燃料，可以实现与空气的良好预混，利用fluent进行甲烷燃烧的数值模拟进行仿真分析。Fluent提供了涡耗散模型用于求解燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流控制的单步或双步总包燃烧反应。根据模拟结果分析甲烷作为车用替代燃料的可行性。关键词:替代燃料；燃烧的数值模拟；甲烷燃烧；fluent仿真

2、1.引言燃烧是燃料与氧化剂之间的发光发热的化学反应，根据反应前各组分的分布，可以分为预混燃烧，扩散燃烧和部分预混燃烧。其中预混燃烧较多的应用于汽车工业的车用汽油发动机。目前，由于环境污染和排放法规的日趋严格，降低排放已经成为了汽车工业的重点，而寻求清洁的替代燃料是一种较为有效的解决办法。1.1.燃烧的数值模拟燃烧的数值模拟是通过CFD软件实现对实际燃烧过程的仿真模拟，求解流畅流动特性及其混合特性，温度场、组分浓度场以及颗粒和污染物排放等，从而提供实际燃烧过程的参考，对于产品研发，科学研究都有很大的意义。燃烧的

3、数值模型主要运用模拟软件根据燃烧模型进行仿真，目前可用于燃烧数值模拟的软件有FLUENT,STAR-CD,CHEMKIN,KIVA等。燃烧模型主要根据不同燃烧的特点设置求解参数，包括如下内容：稀疏相模型、输运控制方程、燃烧模型、辐射换热模型、污染物模型。Fluent提供了涡耗散模型用于求解燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流控制的单步或双步总包燃烧反应。其中对于反应r中的物质i的产生速率由下面两个式子给出：（1.1）（1.2）式中，——任何一种产物的质量组分；——某种产物的质量组分；——经验常数4.0；——经验常

4、数0.5。1.1.甲烷性质介绍甲烷在自然界的分布很广，甲烷是最简单的有机物，是天然气，沼气，坑气等的主要成分，俗称瓦斯。也是含碳量最小（含氢量最大）的烃，也是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。它可用来作为燃料及制造氢气、炭黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料，属于可再生能源。表1甲烷气体物理性质颜色无色气味无味熔点-182.5℃沸点-161.5℃溶解度（常温常压）0.03分子结构正四面体形非极性分子分子直径0.414nm蒸汽压53.32kPa/-168.8℃饱和蒸气压（kPa）53.32(-

5、168.8℃）相对密度（水=1）0.42(-164℃）相对密度（空气=1）0.5548（273.15K、101325Pa）临界温度（℃）-82.6临界压力（MPa）4.59甲烷属于气体燃料，燃烧时较易与空气充分混合，因此燃烧的热效率较高，从而较少污染物排放。2.甲烷燃烧仿真模型搭建本文计算的案例如下图所示：火焰石湍流扩散火焰，在进口处甲烷以80m/s的速度从喷嘴射入，周围空气以0.5m/s的速度射入燃烧器，过量空气系数为1.28。在甲烷与空气之间用一层外墙隔开。甲烷的雷诺数为5700。甲烷与空气的反应采用最常

6、见的单步总包反应，而且认为反应是扩散控制的，因此使用涡耗散模型对其进行模拟。Air:0.5m/s,300k0.225m甲烷:80m/s,300k0.005m1.8m图1二维湍流扩散燃烧器中的甲烷燃烧运用fluent进行甲烷燃烧的二维仿真模拟，需要设置诸如求解器，边界条件等计算参数，详细设置如下：1.1.选择求解模型求解器是求解网格方程的方案。。FLUENT的求解器分为分离式和耦合式两种。分离式求解器适用于不可压和微可压流动，耦合式求解器用于高速可压流动。本研究涉及的喷射压力下，流体处于不可压和微可压状态，故选

7、用分离式求解器。该方法是顺序地、逐一地求解关于u、v、w、p等的方程。即先在全部网格上逐个解出每个方程。由于控制方程式是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在计算得到收敛结果之前要经过多轮迭代。本文采用压力基求解器。因为本例流动入口处雷诺数达到了5700，为湍流，又是简单的突扩流动，所以选用标准k-epsilon模型，避免函数法。采用涡耗散模型组分运输和化学反应的模型。1.2.定义材料采用fluent自带数据库中的甲烷即可，但是根据模型的简化，需要选择不可压缩理想气体，并且设置比热为混合物平均，并且随温度变化

8、而改变，各个组分的比热也要设置为随温度变化，1.3.设置边界条件边界条件是对网格边界的约束，并设定流体进入计算区域时的状态。本文选择压力进出口边界。压力边界条件用于定义流动入口的压力以及其它标量属性。它即可以适用于可压缩流，也可以用于不可压缩流。压力边界条件可用于压力已知但是流动速度和速率未知的情况。这一情况可用于很多实际问题，比如浮力驱动的流动。压力边界条件也可用来定义外部或无约束流的自由边界。在