基于fluent的甲烷燃烧二维模拟分析Word格式文档下载.docx

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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。

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

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（-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

甲烷:

80m/s,300k

0.005m

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 

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，氧气浓度为0.23。

燃料入口 

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，甲烷浓度为1。

压力出口 

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0.23。

壁面边界 

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。