fluent 中各种燃烧模型WORD版(3)

?

NOx 主要由NO（nitric oxide）所组成，此外还包括少量的 NO2和N2O。其中，NO是造成光化学烟雾、酸雨以及臭氧空洞的主要元凶。FLUENT 中提供了NOx产生的如下反应机理：

（1） Thermal NOx - Zeldovich机理（大气中N的氧化产物），在高温条件下，该机理很重要， （2） Prompt NOx – Fenimore机理，该机理对NOx 的生成贡献相对较小，但在富燃料区缺很重要，

（3） Fuel NOx -经De Soete，Williams等人发展的经验机理(燃料中含N组分的氧化产物)，在富含N的煤燃烧过程中占主要地位（燃烧温度通常较低）， （4） NOx reburn chemistry- 通过在富燃料区使NO与碳氢化合物发生反应以减少NOx的化学反应过程。

? 在FLUENT中将求解NOx的输运方程，对Thermal NOx机理和Prompt NOx机理，仅仅求解NO的输运方程：

对Fuel NOx机理，除求解上述方程外，还要求解与NO生成密切相关的组分NH3和HCN的输运方程：

?

湍流流动中NO的生成中还要考虑湍流和化学反应之间的相互作用，为此，FLUENT求解密度加权的时均NS方程以求解温度，速度和组分（或平均混合物分数）。为计算NO的生成速率，须利用平均流场的信息求计算区域内每点的时均NO生成速率，可以采用PDF的方法： 对单变量：

对两变量：

相同的处理也适用与NH3和HCN。

6.6.2 烟（soot）模型

? FLUENT提供了烟生成的两种模型，即Khan和Greeves的单步模型（One-step model））以及Tesner的两步模型（Two-Step model）。

? 对于单步模型，FLUENT求解烟质量分数的输运方程：

（6-6）

上式中，Rsoot代表烟净生成速率源项，即：

(6-7)

其中，烟形成速率Rsoot,form由如下的经验关系式来获得：

烟燃烧速率Rsoot,comb则如下计算：

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以上各式中的符号含义如下：Cs－模型常数，Pfuel－燃料分压，Φ－当量比，r－当量比指数，E/R－活化温度，A－模型常数，Yox，Yfuel－氧化剂和燃料的质量分数，νsoot，νfuel－烟和燃料的计量系数。 ?

对于两步模型，首先预测核（radical nuclei）的形成，然后再计算在这些核上烟的生成。因此，FLUENT将计算上述两个标量的输运方程，即式（6-6）和下式：

其中，b*nuc为正交的核浓度，R*nuc为正交的核的净生成速率。 Rsoot仍遵循（6-7）式的形式，其中

对R*nuc则有，

其中：

上式中出现的各种参数和系数在FLUENT中均设有默认值，具体的改动和参见FLUENT6.0使用手册第17章。 ? 此外，烟模型还可考虑烟与辐射之间的相互作用，此部分内容将在热辐射中介绍。

6.7 FLUENT中燃烧模拟计算的步骤和原则

Start in 2D or 3D

（1） 确定物理模型的应用范围，

?

（2） 划分计算网格（必要时应根据初步计算结果调整网格疏密）， （3） 确定求解量和计算收敛判据。

Boundary conditions

（4） 燃烧问题通常对进口边界条件十分敏感，利用已知的（或合理的）速度和标量分布作为边界条件是必要的， （5） 壁面传热对于整个计算也是很重要的，若已知，应指定壁面温度，而非指定边界条件中的内部对流、辐射等。

?

Initial conditions

（6） 尽管稳态问题的解不依赖于初始条件，但很差的初始条件会导致问题不能收敛（由于输运方程的数量和非线性），

?

（7） 对一些燃烧问题，可先求解冷态问题，以此为初始条件求气相燃烧问题，再求解离散相问题，再求解有辐射的问

题， （8） 对强旋流，应逐渐增加其涡旋度。 Underrelaxation Factors

（9） 松弛的效果是针对高度非线性问题的，

?

? ? ?

Decrease the diverging residual URF in increments of 0.1 使用混合物分数PDF模型时应松弛密度（0.5）

对高浮力流应松弛速度 ? 对高速流动应松弛压力

（10） 一旦获得稳定解，应尝试增加所有量的松弛因子以尽可能地接近默认值。

Discretization

（11） 首先以一阶精度的方法离散控制方程，收敛后再以二阶精度离散以提高计算结果的精度， （12） 对三角形或四边形网格，二阶离散是尤为必要的。

? ?

Discrete Phase Model

为增强计算的稳定性，应

（13） Increase number of stochastic tracks (or use particle cloud model) （14） Decrease DPM URF and increase number of gas phase iterations per DPM

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Magnussen model

（15） 为有限速率/涡耗散方法(Arrhenius/Magnussen) 的默认方法，

?

? ?

对非预混（扩散）火焰，应关闭有限速率方法选项 预混火焰需要Arrhenius项，因此反应物早期不燃烧

（16） 可能需要高温初始化/补丁（initialization/patch）， （17） 使用依赖于温度的等压比热Cp以减少高温时的不合理性。

Mixture fraction PDF model

（18） 适合于所研究的问题符合该模型的假设，

（19） 在PDF表中使用足够的离散点以保证插值的精确（在不增加计算时间的前提下），

?

（20） 使用beta PDF的形状。

Turbulence

（21） 应首先由standard k-? model开始计算，

?

（22） 再转化到RNG k-? , Realizable k-? 或雷诺应力模型（RSM）以获得与实验数据较好的一致并/或分析结果对湍流模

型的敏感性。 ?

Judging Convergence

（23） 收敛残差应小于10-3，其中对温度、组分等标量应小于10-6

，

（24） 质量和能量通量必须保证平衡，

（25） 应监控感兴趣的变量（如，出口的平均温度）， （26） 保证流场变量的等值线光滑、可靠和稳定。

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