第15章 预混燃烧模拟

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1、第十五章预混燃烧模拟FLUENT有一个预混湍流燃烧模型，基于反应过程参数方法。有关这一模型的内容按以下节次给出：l15.1概述和限制l15.2预混燃烧模型l15.3使用预混燃烧模型15.1概述和限制15.1.1概述在预混燃烧中，燃料和氧化剂在点火之前进行分子级别的混合。火焰前锋传入未燃烧的反应物产生燃烧。预混燃烧的例子有吸气式内燃机，稀薄燃气轮机的燃烧器，气体泄露爆炸。预混燃烧比非预混燃烧更难以模拟。原因在于（亚音速）预混燃烧通常做为薄层火焰产生，并被湍流拉伸和扭曲。火焰传播的整体速率受层流火焰速度和湍流涡旋控制。层流火焰速度由物质和热量逆流扩散到反应物并燃烧

2、的速率决定。为得到层流火焰速度，需要确定内部火焰结构以及详细的化学动力学和分子扩散过程。由于实际的层流火焰厚度只有微米量级或更小，求解所需要的开销是不可承受的。湍流的影响是使传播中的层流火焰层皱折、拉伸，增加了薄层的面积，并因此提高了火焰速度。大的湍流涡使火焰层皱折，而小的湍流涡，如果它们比层流火焰的厚度还小，将会穿过火焰层并改变层流火焰结构。与之相比，非预混燃烧可以极大地简化为一个混合问题（例如，14.1节中介绍的混合物组分方法）。预混燃烧模拟的要点在于捕获湍流火焰速度，它受层流火焰速度和湍流的影响。在预混火焰中，燃料和氧化剂在进入燃烧设备之前已经紧密混合。

3、反应在燃烧区发生，这一区域将未燃烧的反应物和燃烧产物隔开。部分预混火焰具有预混和扩散火焰两方面的性质。它们发生在有额外的氧化剂或燃料气流进入预混系统，或是当扩散火焰离开燃烧器以在燃烧前产生某些预混的情况。预混和部分预混火焰FLUENT的有限速率公式(见13章)模拟。还可以参阅16章了解更多有关FLUENT部分预混燃烧模型方面的信息。如果火焰是完全预混合的，则只有一股具有单一混合比的气流进入燃烧器，可以使用预混燃烧模型。15.1.2限制在使用预混燃烧模型时有以下限制：l必须使用非耦合求解器。预混燃烧模型在两种耦合求解器中都不能得到。l预混燃烧模型只对湍流、亚音速

4、模型有效。这一类型的火焰成为爆燃。在爆炸中，可燃混合物被冲击波后面的热量点燃，这一类型的燃烧可以使用非耦合和耦合求解器用有限速率模型模拟。有关限速率模型见13章。l预混燃烧模型不能和污染物（如碳烟和NOx）模型一起使用。但完全预混系统可以用部分预混模型（见16章）模拟。l不能用预混燃烧模型模拟反应的离散相粒子。只有惰性粒子可以使用预混燃烧模型。15.2预混燃烧理论湍流预混燃烧模型基于Zimont等人的工作[275，276，278]，涉及求解一个关于反应过程变量的输运方程。这一方程的封闭基于湍流火焰速度的定义。15.2.1火焰前锋的传播在许多工业预混系统中，燃烧

5、发生在一个非常薄的火焰层中。当火焰前锋移动时，未燃的反应物燃烧，变为燃烧产物。因此预混燃烧模型用火焰层将反应的流场分为已燃物区和未燃物区。反应的传播等同于火焰前锋的传播。火焰前锋传播的模拟通过求借一个关于标量c的输送方程，c为（Favre平均）反应进程变量。其中为反应进程变量；为梯度湍流流量的施密特数；为反应进程源项(s-1)进程变量定义为：其中，为产物数量；为第种物质的质量分数；为经过绝热完全燃烧后第种物质的质量分数。根据这一定义，混合物燃烧前；混合物燃烧后。在所有的流动入口，将定义为边界条件，要么是0，要么是1；方程15.2-1中的平均反应速率在[276]

6、进行了建模：其中，为未燃混合物密度；为湍流火焰速度。存在其他反应速率模型[27]，并且可以指定用户定义的函数。参见UDF手册获取用户定义函数的详细资料。15.2.2湍流火焰速度预混燃烧模型的关键是，即垂直于火焰表面的湍流火焰速度的预测，湍流火焰速度受以下因素影响：l层流火焰速度，因此由燃料浓度、温度和分子扩散性质以及化学动力学的决定；l大涡引起的火焰前锋皱折和拉伸，小涡引起的火焰前锋加厚。在FLUENT中，通过这样一个关于起皱和加厚了的火焰前锋的模型来计算湍流火焰速度[276]：其中，——模型常数；——均方速度(m/s)；——层流火焰速度(m/s)；——未燃混

7、合物的摩尔传热系数（热扩散）(m2/s)；——湍流长度尺度；——湍流时间尺度(s)；——化学反应时间尺度湍流长度尺度可以由下式计算：其中为湍流耗散速率。模型基于火焰团内小尺度湍流平衡假定，导致了一个只与大尺度湍流参数有关的湍流火焰速度表达式。文献[276]中推荐A的缺省值为0.52，对于大多数预混火焰都是适合的。缺省的值为0.37，对于大多数预混火焰也是适合的。当流动中最小的湍流涡(Kolomogrov尺度)小于火焰厚度，并穿过火焰区时，这一模型确实是适用的，这称为反应区，燃烧区，并且可以用Karlovitz数Ka来数量化，Ka大于1，定义为：其中，——火焰特

8、征时间尺度；——最小（Kolomogr