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基于fluent的甲烷燃烧二维模拟分析


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 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 Ri ,r 由下面两个式子给出:

Ri ,r ? vi' ,r M w,i A?

?

? YR ? ? min? ' ? k R ? ? v R , r M w, R ?

(1.1)

Ri ,r ? vi' ,r M w,i AB?

?

?Y k? v M

p p N n w, j j j ,r

(1.2)

式中, Y p ——任何一种产物的质量组分;

Y R ——某种产物的质量组分;

A ——经验常数 4.0; B ——经验常数 0.5。

1.2. 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 气味 熔点 沸点 溶解度(常温常压) 分子结构 分子直径 蒸汽压 饱和蒸气压(kPa) 相对密度(水=1) 相对密度(空气=1) 临界温度(℃) 临界压力(MPa) 无色 无味 -182.5℃ -161.5℃ 0.03 正四面体形非极性分子 0.414nm 53.32kPa/-168.8℃ 53.32(-168.8℃) 0.42(-164℃) 0.5548(273.15K、101325Pa) -82.6 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, 300k

0.225m

0.005m

甲烷: 80m/s, 300k 1.8m

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:

2.1. 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。

2.2. 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,并且随温度变化而改变,各个组分的比热也要设置为随温度变化,

2.3. 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。在有可能出现回流的情况下,使用压力出口边界条件来代替其他出口条件常常有 更好的收敛速度。 在使用各种 k-ε 模型对湍流进行计算时,需要给定进口边界上 k 和ε 的估算值。目前没有 理论上的精确计算这两个参数的公式,要么通过试验得到,要么通过近似公式来估算。对于没 有任何已知条件的情况,可根据湍动强度 I 和特征长度 L,由下式粗略估计进口的 k 和ε 分布:

上述各项式中 为水力直径 DH 计算得到的 Reynolds 数,对于圆管,水力直径 DH 等于圆管 直径;It 为湍流强度;L 为关联尺寸,对于充分发展的湍流,可取 L 等于水力直径;l 为湍流 长度尺度; 为平均速度;k 为湍动能;Cu 为经验常数取 0.09;ε 为湍动能耗散率。 分别进行空气入口处、燃料入口处、压力出口处、壁面边界处边界条件的设定。

空气入口 度为 0.23。 燃料入口 度为 1。 压力出口 0.23。 壁面边界

速度大小为 0.5,湍流强度为 0.1,水力直径为 0.44,默认温度为 300k,氧气浓 速度大小为 80,湍流强度为 0.1,水力直径为 0.01,默认温度为 300k,甲烷浓 表压力为 0,湍流强度为 0.1,水力直径为 0.45,默认温度为 300k,氧气浓度为 壁温恒定为 300k。

2.4. 设置求解控制参数
为了更好地控制求解过程,需要在求解器中进行某些设置。主要包括离散格式、设置欠松 弛因子和初始化场变量。FLUENT 为控制方程中的对流项提供了多种不同的离散格式,在默认情 况下,当使用分离式求解器时,所有对流项均用一阶迎风格式离散;当使用耦合求解器时,流 动方程采用二阶精度格式,其它方程采用一阶精度格式。一般来讲,一阶精度格式下的计算容 易收敛,但精度较差。本文中因为选用的分离式求解器,所以采用一阶迎风格式。欠松弛因子 是分离式求解器所使用的一个加速收敛的参数,用于控制每个迭代步所计算的场变量更新,除 耦合方程之外的所有方程,包括耦合隐式求解器中的非耦合方程(如湍流方程),均有与之相 关的欠松弛因子。如果开始计算后,残差曲线逐渐上升,趋向发散,则需要适当减小欠松弛因 子,以保证计算的收敛性。

3.

甲烷燃烧分析
根据设置的残差值在迭代 362 步之后结果收敛,如下图所示:

图 2 残差随迭代收敛情况 温度云图如下图所示:

图 3 温度等值线图 可以看到,随着燃烧的进行,燃烧器的温度不断上升,且在中间区域温度最高,达 2310k。 在甲烷刚刚射入燃烧器时,由于没有充分扩散,温度升高的区域主要集中在燃烧器下部分,之 后由于甲烷与空气的充分混合,使得燃烧器整体温度都上升了。 定压比热等值线图如下:

图 4 定压比热等值线图 可以看到,混合物比热随着反映的进行呈现下降趋势,在甲烷射入入口处比热最高,随着 反应的进行,温度不断升高,混合物比热也不断下降。 甲烷的质量分数等值线图如下图所示:

图 5 甲烷质量分数等值线图 可以看到,甲烷射入燃烧器后便急速燃烧,由于气体燃料与空气混合充分迅速,因此燃烧 快速完全,在燃烧器中部便全部燃烧。 氧气的质量分数等值线图如下图所示:

图 6 氧气质量分数等值线图 可以看到,随着甲烷燃烧的消耗,氧气的质量分数随着反映的进行不断降低,并且在甲烷 的射流区域氧气的质量分数为零,因为射流压力较大,氧气无法与甲烷充分混合,只能和接触 的甲烷燃烧,因此也验证了扩散燃烧的本质。

4.

结论

甲烷作为一种可再生气体料,具有很好的燃烧特性,能够实现很高的热效率,在燃烧过程 中能够与空气实现快速充分的混合,从而达到燃烧快速,彻底的效果,是一种很好地燃料,不 过由于技术等原因,目前只较多应用于天然气、工厂等地方,对于汽车工业还没有应用,不过 甲烷燃料的优点可以给我们寻找新的替代燃料以启示。

5.

参考文献

[1]于勇,张俊明,姜连田. Fluent 入门与进阶教程[M]. 北京:北京理工大学出版社 2008.9. [2]唐家鹏. Fluent14.0 超级学习手册[J].北京:人民邮电出版社,2013.4. [3] 王凯楠 , 侯献军 , 闫少杰, 余其旺 , 徐楠楠 . 基于 Fluent 的天然气燃烧特性研究 [J]. 汽车科技 2011(3): 12-14. [4] 孙石,李文姬. FLUENT 在动力机械中的应用 [J]. 长春工程学院学报:自然科学版 ,2010(4): 46-48.

6.

致谢
谢谢我的导师吴志军教授。


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