燃烧模型的计算方式的介绍

燃烧计算分为非预混燃烧、预混燃烧和部分预混燃烧3种。

1.非预混燃烧

适用于燃料和氧化剂分别来自不同入口的情况，也就是说燃料和氧化剂在燃烧前没有进行过混合，这就是所谓“非预混”的含义。非预混燃烧计算中不使用有限速率化学反应模型，而是用统一的混合物浓度作为未知变量进行求解，因此计算中无需计算代表组元生成或消失的源项，计算速度比有限速率化学反应模型要快，但是非预混燃烧计算需要流场满足一定的条件，即流场必须为湍流，化学反应过程的持续时间非常短，燃料、氧化剂必须来自不同的入口等。在燃料入口和氧化剂入口之外，非预混燃烧允许存在第三个流动入口，这个入口可以是燃料、氧化剂，也可以是不参与燃烧反应的第三种流体的入口。

非预混燃烧计算使用的化学反应模型包括火焰层近似（Flame Sheet Approximation）、平衡流计算和层流火苗（Flamelet）模型3种模型。火焰层近似模型假设燃料和氧化剂在相遇后立刻燃烧完毕，即反应速度为无穷大，其优点是计算速度快，缺点是计算误差较大，特别是对于局部热量的计算可能超过实际值。平衡流计算是用吉布斯自由能极小化的方法求解组元浓度场，这种方法的优点是既避免了求解有限速率化学反应模型，又能够比较精确地获得组元浓度场。层流火苗模型则将湍流火焰燃烧看做由多个层流区装配而成，而在各层流子区中可以采用真实反应模型，从而大大提高计算精度。

非预混燃烧计算中湍流计算采用的是时均化N-S方程，湍流与化学反应的相关过程用概率密度函数（PDF）逼近。计算过程中组元的化学性质用FLUENT软件提供的预处理程序prePDF进行计算处理。计算中采用的化学反应模型可以是前面所述3种模型中的一种。计算结束后将计算结果保存在查阅（Look-up）表格中，FLUENT软件在计算非预混燃烧时则直接从查阅表格中调用数据。

非预混燃烧包括单一混合物浓度计算（Single-Mixture-Fraction Approach）和双混合物浓度计算（Two-Mixture-Fraction Approach）。大致步骤如下：

（1）启动FLUENT6.3并读入网格文件。

（2）选择使用非预混燃烧模型 首先在Viscous Model（粘性计算模型）对话框中选用湍流计算。如果计算采用的是非绝热模型，则还需要在计算中加入热交换计算等内容。然后在Species Mode（l组元模型）对话框中选择Non-Premixed Combustion（非预混燃烧），单击OK按钮后，系统会自动打开一个文件选择对话框，从中可以选择由prePDF创建的PDF 文件。如果需要在计算中引入压缩性效应，则可以返回Species Model（组元模型）对话框，在左下角单击选中Compressibility Effects（压缩性效应）。

（3）定义边界条件 非预混燃烧边界条件的特殊之处在于混合物浓度在边界上的定义。通常平均燃料混合物的浓度在燃料入口，浓度值为1，在氧化剂入口为0；氧化剂则正好相反，即在燃料入口为0，在氧化剂入口为1，也就是假设燃料入口和氧化剂入口流入的是纯净的燃料或氧化剂。

（4）定义物理性质 在指定使用非预混模型后，流体介质即被自动设定为pdf-mixture（pdf混合物），其成分已经在prePDF中指定，并且在FLUENT中无法更改。在FLUENT 的Materials（材料）对话框中只能修改粘度、热导率等输运性质。

（5）开始流场计算 流场计算开始前，先在Species Model（组元模型）对话框中确认各项参数设置无误，特别是需要采用的PDF函数形式等项与预期目的相符后，就可以进行初始化，然后开始迭代计算了。如果计算不收敛，则可以尝试适当调整亚松弛因子重新开始计算。

2.预混燃烧模型

预混燃烧即燃烧前燃料和氧化剂已经充分混合了的燃烧。预混燃烧的火焰传播速度取决于层流火焰传播速度和湍流对层流火焰的相干作用。湍流中的旋涡结构可以使火焰锋面发生变形、起皱，进而影响火焰传播速度。在预混燃烧中，燃烧反应的反应物和燃烧的生成物被火焰区截然分开。

在FLUENT软件中预混燃烧必须使用分离算法，并且只能用于湍流、亚声速流动计算。预混燃烧模型不能与氮氧化物（NO_x）模型同时使用，但是可以与部分预混模型同时使用。预混燃烧不能用于模拟带化学反应的弥散相粒子，但是可以模拟带惰性粒子的流动计算。

预混燃烧模型计算的设置和求解过程如下：

（1）启用预混湍流燃烧模型并设置相关参数 单击Define→Models→Species...命令，在Species Model（组元）对话框中选择Premixed Combustion（预混燃烧）模型，并在下面选择Adiabatic（绝热）或Non-Adiabatic（非绝热）。(www.xing528.com)

（2）定义未燃烧材料的物理性质 单击Define→Materials...命令，在这里定义与预混燃烧有关的混合物性质，包括Laminar Flame Speed（层流火焰传播速度）、Critical Rate of Strain（临界应变率）、Heat of Combustion（燃烧放热）等。

（3）设置过程变量c在流场入口和出口处的值 单击Define→Boundary Conditions...命令，在流场的入口和出口处设置过程变量c，对于未燃烧混合物c=0，对于已燃炖混合物c=1。

（4）初始化过程变量 单击Solve→Initialize→Patch....命令，可以在全流场将c值设为1（已燃），然后让未燃混合物（c=0）从流场入口进入流场，并将火焰推回到火焰稳定器处。另一个比较好的选择是在驻燃区上游用补丁（Patch）方式将c值设为0（未燃），在下游设为1（已燃）。

（5）求解流场并进行后处理。

3.部分预混燃烧模型

部分预混燃烧模型是非预混燃烧模型和预混燃烧模型的综合体，计算中火焰锋面的位置用过程变量c计算，在锋面后面（c=1）是已燃的混合物，锋面前面（c=0）则是未燃的混合物。部分预混燃烧模型适用于混合物混合不充分的燃烧计算。

部分预混燃烧的设置和求解流程如下：

（1）在使用prePDF创建PDF查阅表格时，基本流程与非预混燃烧相同，区别在于在Define Case（定义算例）对话框中选择的选项是Partially Premixed Model（部分预混模型）。

（2）在FLUENT6.3中读入网格文件，并设置好计算中要用到的其他模型，如湍流模型、辐射模型等。

（3）在Species Model对话框中激活Partially Premixed Combustion（部分预混燃烧）模型。如果有必要，可以在对话框中修改Model Constants（模型常数）。在单击OK按钮后，文件选择窗口会自动打开，在这里选择由prePDF创建的包含查阅表格的PDF文件。

（4）在Materials（材料）对话框中，定义计算域中未燃材料的物理性质。

（5）作为边界条件，在流场入口和出口处设置过程变量c和平均混合物浓度及其增量的值。

（6）初始化过程变量，单击Solve→Initialize→Patch...命令。

（7）开始计算，计算结束后对感兴趣的变量进行后处理。