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Fluent燃烧模型


FLUENT软件的燃烧模型介绍
Fluent软件中包含多种燃烧模型、辐射模型及与燃烧相关的湍流模型,适用于各种复杂情况下的燃烧问题,包括固体火箭发动机和液体火箭发动机中的燃烧过程、燃气轮机中的燃烧室、民用锅炉、工业熔炉及加热器等。燃烧模型是FLUENT软件优于其它CFD软件的最主要的特征之一。下面对Fluent软件的燃烧模型作一简单介绍:
一、气相燃烧模型


· 有限速率模型
这种模型求解反应物和生成物输运组分方程,并由用户来定义化学反应机理。反应率作为源项在组分输运方程中通过阿累纽斯方程或涡耗散模型。有限速率模型适用于预混燃烧、局部预混燃烧和非预混燃烧。
应用领域:该模型可以模拟大多数气相燃烧问题,在航空航天领域的燃烧计算中有广泛的应用。
PDF模型
该模型不求解单个组分输运方程,但求解混合组分分布的输运方程。各组分浓度由混合组分分布求得。 PDF模型尤其适合于湍流扩散火焰的模拟和类似的反应过程。在该模型中,用概率密度函数PDF来考虑湍流效应。 该模型不要求用户显式地定义反应机理,而是通过火焰面方法(即混即燃模型)或化学平衡计算来处理,因此比有限速率模型有更多的优势。
应用领域:该模型应用于非预混燃烧(湍流扩散火焰),可以用来计算航空发动机的环形燃烧室中的燃烧问题及液体/固体火箭发动机中的复杂燃烧问题。
非平衡反应模型
层流火焰模型是混合组分/PDF模型的进一步发展,从而用来模拟非平衡火焰燃烧。在模拟富油一侧的火焰时,典型的平衡火焰假设失效。该模型可以模拟形成Nox的中间产物。
应用领域:该模型可以模拟火箭发动机的燃烧问题和RAMJET及SCRAMJET的燃烧问题。

预混燃烧模型
该模型专用于燃烧系统或纯预混的反应系统。在此类问题中,充分混合的反应物和反应产物被火焰面隔开。通过求解反应过程变量来预测火焰面的位置。湍流效应可以通过层流和湍流火焰速度的关系来考虑。
应用领域:该模型可以用来模拟飞机加力燃烧室中的复杂流场模拟、气轮机、天然气燃炉等。
二、分散相燃烧模型
除了可以模拟各种气相燃烧问题以外,FLUENT5还提供了模拟分散相燃烧问题(液体燃料燃烧、喷射燃烧、固体颗粒燃烧等)的燃烧模型:
在拉格朗日坐标下,模拟分散相(包括固体颗粒/油滴/气泡等)在瞬态和稳态下的运动轨迹
多种球形和非球形粒子的曳力规律
线性分布或Rosin-Rammler方程的粒子大小分布
连续相的湍流效应对粒子传播的影响
分散相的加热/冷却
液滴的汽化和蒸发
燃烧粒子,包括油滴的挥发过程和焦碳的燃烧
连续相与分散相的耦合
模拟油滴在湍流的影响而产生的扩散效应时,FLUENT可以采用粒子云模型和随机轨道模型。
随机轨道模型
该模型利用离散的随机跟踪法模拟瞬态湍流速度脉动对粒子轨迹的影响。
粒子云模型
该模型追踪粒子平均轨道的粒子云的形成和演化的统计过程。粒子云浓度通过粒子平均轨迹的概率密度函数来表示。
在FLUENT中,需定义油滴在初始状态的位置、速度、尺寸和温度分布及油滴的物性,根据这些设置计算粒子的轨迹和传热/传质,并可以计算粒子与连续相的相互影响。FLUENT中还提供了丰富的关于粒子运动中曳力、汽化、喷射、破碎、碰撞等子模型,供用户来选择。计算得到的粒子的轨迹和传热传质可以通过图形界面和文本界面显示出来。
三、污染模型
NOx模拟
Fluent软件提供了三种NOx形成的模型:Thermal NOx、Prompt NOx和Fuel NOx形成模型。从而可以模拟绝大多数情况下的NOx生成问题。
烟尘模型(Soot Model)
Fluent软件可以考虑单步和两步的烟尘生成问题。烟尘的燃烧由有限速率模型模拟,并考虑了烟尘对辐射吸收的影响。

四、热辐射模型
Discrete Transfer Radiation Model (DTRM)
DTRM模型的优点是简单, 且可以适用的计算对象的尺度范围较大, 其缺点是没有包含散射和不能计算非灰的辐射。提高模型中射线的数量可以提高DTRM模型的精度,但计算量也明显增加。
P-1模型
P-1模型是P-N模型的简化,适用于大尺度辐射计算。对比DTRM模型,其优点在于计算量更小,且包含散射效应。当燃烧计算域的尺寸比较大时,P-1模型非常有效。另外P-1模型可应用在较为复杂的计算域中。
The Rosseland Model
Rosseland模型是最为简化的辐射模型,只能应用于大尺度辐射计算。其优点是速度最快,需要内存最少。
Discrete Ordinates (DO) Model
DO模型是所有四种模型是最为复杂的辐射模型,从小尺度到大尺度辐射计算都适用,且可计算非-灰度辐射和散射效应,但需要较大计算量。
纵上所述,我们可以看到,无论在模型数量上,还是在模型先进性上,FLUENT软件提供了远远优于其它商用CFD软件的燃烧模型。例如,在气相燃烧模型上,Star-CD仅仅提供了传统的有限速率模型和PDF模型,而缺乏在航空航天领域燃烧问题中应用最为重要的非平衡火焰模型和预混模型;在分散相模型上,与Star-CD相比,Fluent软件同样提供了更为丰富、更为先进的物理模型。

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