PDF輸運(yùn)方程模型模擬燃燒實(shí)例簡析

李中朋 李澤宇 馬強(qiáng)

摘 要：現(xiàn)如今環(huán)境污染日益劇烈，尤其是空氣污染更是嚴(yán)重影響人們的日常生活。我們知道空氣中的污染物大部分來自化石能源的燃燒排放，如何找到一種最優(yōu)化的燃燒方式成為了研究的新課題。商業(yè)軟件Fluent就給我們提供了一種非常好的思路，通過對燃燒過程的模擬，可以更好地了解燃燒過程，從而通過前期設(shè)計控制最終排放達(dá)到環(huán)境保護(hù)的目的。

關(guān)鍵詞：環(huán)保 模擬燃燒 PDF輸運(yùn) Fluent

中圖分類號：TK16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0240-01

談到CFD軟件，我們總會想起FLUENT，它擁有豐富的物理模型這使其應(yīng)用非常廣泛，從機(jī)翼空氣流動到熔爐燃燒，從鼓泡塔到玻璃制造，從血液流動到半導(dǎo)體生產(chǎn)，從潔凈室到污水處理工廠的設(shè)計，另外軟件強(qiáng)大的模擬能力還擴(kuò)展了在旋轉(zhuǎn)機(jī)械、氣動噪聲、內(nèi)燃機(jī)和多相流系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。其中燃燒模型是FLUENT軟件優(yōu)于其它CFD軟件的最主要的特征之一，它包含多種燃燒模型、輻射模型及與燃燒相關(guān)的湍流模型，適用于各種復(fù)雜情況下的燃燒問題，包括固體火箭發(fā)動機(jī)和液體火箭發(fā)動機(jī)中的燃燒過程、燃?xì)廨啓C(jī)中的燃燒室、民用鍋爐、工業(yè)熔爐及加熱器等。今天，全球數(shù)以千計的公司得益于FLUENT的這一工程設(shè)計與分析軟件。

在模擬燃燒領(lǐng)域Fluent軟件有可以模擬大多數(shù)氣相燃燒問題的氣相燃燒模型、可以模擬分散相燃燒問題的分散相燃燒模型，可以模擬絕大多數(shù)情況下的NOx生成問題和煙塵生成問題的污染模型以及熱輻射模型。其中氣相燃燒模型又包含PDF模型、非平衡反應(yīng)模型、預(yù)混燃燒模型。下面我們就通過一個實(shí)例來具體了解一下PDF輸運(yùn)方程模型模擬燃燒的大致過程。該算例的目的用來展示使用PDF輸運(yùn)模型設(shè)置和求解火焰的步驟，算例相對簡單，燃燒室為軸對稱結(jié)構(gòu)，具體尺寸如圖1。

該燃燒室的最大直徑為280，主體部分長度為600。

進(jìn)料部分采用燃料中心進(jìn)氣和空氣環(huán)空進(jìn)氣的方式。

我們先來分析一下計算基礎(chǔ)：要做的是甲烷和空氣的模擬燃燒，CH4的燃燒產(chǎn)物有CO、CO、H2O三種，空氣中成分O2：N2=0.21：0.79，CH4的低位發(fā)熱量為5.02e+07。根據(jù)已有的化學(xué)基礎(chǔ)，我們可以知道該燃燒過程的生成物有：C、H2O、CH4、CO、CO2、H、O2、N2幾種。

下面進(jìn)行具體的計算步驟。

第一步用prepdf建表，打開prepdf后首先定義以上八種組分，需要注意的是燃料甲烷中只有C、H兩種組分，且分別為0.2、0.8。輸入低位發(fā)熱量。設(shè)置完成后首先計算絕熱情況，保持300k溫度。然后計算非絕熱過程，在操作過程中最高溫度要比剛才計算的溫度高個200K左右，而且計算時間也要長很多。最后計算完成后導(dǎo)出PDF。

第二步是在Fluent中的操作，打開軟件后首先導(dǎo)入用Gambit設(shè)計完并劃分好網(wǎng)格的Mesh文件。檢查完確認(rèn)無誤之后我們就可以設(shè)置模型參數(shù)了。需要打開能量方程、湍流模型，組分輸運(yùn)里面選擇non-Pre，并導(dǎo)入之前建好的PDF。然后是設(shè)置邊界條件，燃料也就是甲烷采用速度入口，可以根據(jù)實(shí)際情況修改，分別輸入速度、溫度。組分這里燃料是1，氧化劑是0。氧化劑采用質(zhì)量入口，當(dāng)然也可以根據(jù)實(shí)際情況修改。

然后進(jìn)行初始化，設(shè)置顯示殘差曲線，等到計算收斂后我們就能看到計算結(jié)果了。計算3000步后的殘差線，如圖2所示。

現(xiàn)在就可以得到計算后的溫度云圖了。

從上面可以看出Fluent軟件用戶界面友好，算法健壯，新用戶容易上手。除此之外FLUENT還提供專門的工具用來生成幾何模型及網(wǎng)格創(chuàng)建。GAMBIT允許用戶使用基本的幾何構(gòu)建工具創(chuàng)建幾何，它也可用來導(dǎo)入CAD文件，然后修正幾何以便于CFD分析，為了方便靈活的生成網(wǎng)格，F(xiàn)LUENT還提供了TGrid，這是一種采用最新技術(shù)的體網(wǎng)格生成工具。這兩款軟件都具有自動劃分網(wǎng)格及通過邊界層技術(shù)、非均勻網(wǎng)格尺寸函數(shù)及六面體為核心的網(wǎng)格技術(shù)快速生成混合網(wǎng)格的功能。對于渦輪機(jī)械，可以使用G/Turbo，熟悉的術(shù)語及參數(shù)化的模板可以幫助用戶快速的完成幾何的創(chuàng)建及網(wǎng)格的劃分。

在現(xiàn)如今計算機(jī)硬件發(fā)展速度迅猛的形勢下，完全可以用Fluent對大部分的燃燒情況進(jìn)行模擬，這種模擬我相信在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域可以起到很多的作用，通過洞悉燃燒過程，設(shè)計合理的燃燒室，優(yōu)化污染物的排放可以使一些化工、鋼鐵企業(yè)減少污染物的排放，降低空氣中的PM2.5含量，保護(hù)大氣環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1] 李鵬飛.精通CFD[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2] 周力行.多相湍流反應(yīng)流體力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.