ansys fluent 基础知识学习燃烧模拟（6）

### ANSYS Fluent 燃烧模拟基础学习（六） #### 一、燃烧模拟的重要性 燃烧模拟在多个领域中扮演着至关重要的角色，特别是在工业设计与分析方面。这不仅包括传统意义上的锅炉、内燃机和火箭发动机的设计优化，还涵盖了火灾安全、燃烧污染物生成等重要现象的研究。准确模拟燃烧过程有助于提高设备效率、减少有害排放，并确保人员和环境的安全。 #### 二、ANSYS Fluent 燃烧模拟方法概览 ANSYS Fluent 是一款强大的工程仿真软件，能够模拟广泛的燃烧（反应流）问题。为了确保模拟结果的准确性与可靠性，在选择物理模型时需根据具体的研究对象和目标进行合理选择。以下是 Fluent 中几种主要的燃烧模拟方法： ##### 2.1 气相燃烧模型 - **有限速率模型（Magnussen 模型）**：适用于预混、部分预混和扩散燃烧情况。通过简化化学反应机理，如单步反应，来降低计算复杂度。 - **守恒标量的 PDF 模型**：适用于单或二组分混合物分数的情况，特别是非预混燃烧。这种方法假设反应已达到化学平衡状态。 - **层流火焰面模型**：特别适用于扩散燃烧模拟。该模型基于层流对撞扩散火焰面的概念。 - **Zimont 模型**：一种专门用于预混燃烧的模型。 ##### 2.2 离散相模型 - **煤燃烧模型**：用于模拟固体燃料（如煤）的燃烧过程。 - **喷雾燃烧模型**：针对液体燃料喷雾燃烧的特殊模型。 ##### 2.3 热辐射模型 - **DTRM (Discrete Transfer Radiation Model)**：适用于复杂几何结构的热辐射模拟。 - **P-1 模型**：简化版的辐射传输模型，适用于快速初步分析。 - **Rosseland 模型**：适用于高温气体辐射。 - **Discrete Ordinates 模型**：高精度的辐射传输模型。 ##### 2.4 污染物模型 - **NOx 模型**：用于预测氮氧化物的生成。 - **烟（Soot）模型**：用于模拟碳黑颗粒的形成过程。 #### 三、气相燃烧模型详解 ##### 3.1 化学动力学模拟 实际燃烧过程中，化学反应速率是非线性的，并且不同组分之间的反应时间尺度差异巨大。为了简化计算并降低成本，Fluent 提供了多种化学动力学处理手段： - **有限速率燃烧模型**：适用于预混、部分预混和扩散燃烧。 - **混合物分数方法**：包括平衡化学的 PDF 模型和非平衡化学的层流火焰面模型，主要用于扩散燃烧。 - **反应进度方法 (Zimont 模型)**：专门用于预混燃烧。 - **混合物分数和反应进度方法的结合**：适用于部分预混燃烧。 ##### 3.2 有限速率模型 该模型采用总包机理来简化复杂的化学反应机理。通过求解组分的输运方程，可以得到每种组分的时均质量分数值。化学反应速率可以根据 Arrhenius 公式、混合速率或“eddy-breakup”速率计算。虽然这种方法简单直观，但在某些情况下可能缺乏真实性，尤其是在混合时间和反应时间尺度相近时。 ##### 3.3 守恒标量的 PDF 模型 守恒标量的 PDF 模型适用于非预混燃烧问题。它假设反应受到混合速率的控制，即反应已经达到化学平衡状态。通过求解混合物分数及其方差的输运方程，可以获得组分和温度场的信息。该模型的主要优点是可以预测中间组分的浓度，但只适用于接近局部化学平衡状态的流动体系。 ##### 3.4 层流火焰面模型 层流火焰面模型将湍流扩散火焰视为一系列层流对撞扩散火焰面的集合。这种模型可以处理非化学平衡状态下的燃烧问题，特别适用于扩散燃烧。相比守恒标量的 PDF 模型，它提供了更广泛的适用范围。 #### 四、结论 通过上述介绍可以看出，ANSYS Fluent 提供了丰富的工具和技术来模拟燃烧过程。不同类型的燃烧模型适用于不同类型的问题，选择合适的模型是确保模拟结果准确性的关键。无论是预混燃烧还是扩散燃烧，或者是考虑热辐射和污染物生成等问题，Fluent 都能提供相应的解决方案。掌握这些基础知识对于从事燃烧相关的科研工作者和工程师来说至关重要。