【燃烧案例】03：燃烧器预混燃烧-析模界

内容纲要

本案例利用ANSYS中的有限速率化学模型对锥形燃烧器内燃烧过程进行仿真计算。取自ANSYS官方tutorials教程。

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问题描述

本案例考虑的锥形燃烧器结构如图所示。燃烧器中心位置存在一个小型喷嘴，甲烷-空气混合气体（当量比0.6）以60 m/s的速度，650K的温度进入燃烧室燃烧。燃烧过程涉及甲烷，氧气，二氧化碳，CO，H2O和N2之间的几个复杂的反应。高速气流在燃烧器内反向，通过同轴出口流出燃烧器。

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Fluent设置

2.1 准备工作

准备网格文件conreac.msh，本案例的网格采用外部导入
以2D、Double Precision方式启动Fluent
选择菜单File → Read → Mesh读入网格文件conreac.msh

2.2 General设置

双击模型树节点General，右侧面板中设置2D Space为Axisymmetric
点击Scale...按钮检查网格尺寸是否需要缩放，本例网格尺寸无需缩放

2.3 Models

右键选择模型树节点Models > Energy，选择弹出菜单项On激活能量方程

右键选择节点Models > Viscous，选择弹出菜单项Model → Realizable k-epsilon激活湍流模型

鼠标双击模型树节点Models > Species打开组分模型设置对话框，如下图所示设置

激活模型Species Transport
激活选项Volumetric
选择Mixture Material为methane-air-2step
设置Turbulence-Chemistry Interaction为Finite-Rate/Eddy-Dissipation
点击OK按钮关闭对话框

提醒：Fluent中预置了一些常用的燃烧混合物材料，用户在使用的过程中可根据需要进行选择。如本例中选择的甲烷-空气燃烧两步反应模型，其中包含了6种组分。

2.4 Materials设置

1、从材料库中添加材料no

鼠标双击模型树节点Materials > Fluid > air，弹出材料属性设置对话框
点击按钮Fluent Database...弹出材料数据库
选择材料nitrogen-oxide(no)，点击按钮Copy添加材料
点击Close按钮关闭对话框

2、向混合材料中添加no

鼠标双击模型树节点Materials > Mixture > methane-air-2step弹出材料属性设置对话框
点击Mixture Species右侧的Edit...按钮，弹出混合材料编辑对话框

添加材料no至混合物列表中，如下图所示，调整材料顺序确保n2位于列表的最下方

3、定义化学反应

材料属性编辑对话框中设置Cp为Mixing-law，设置Thermal Conductivity为0.0241 w/m-k
点击Reaction右侧按钮Edit...弹出化学反应定义对话框

设置Total Number of Reactions为5，如下图所示设置第1个化学反应

本案例中涉及到5个化学反应：

涉及到的参数如表所示。

表中PEF为指前因子，AE为活化能。

表中的数据来自于文献Nicol, D.G.A,Chemical and Numerical Study of NOx and Pollutant Formation in Low-Emissions Combustion, Ph.D. Dissertation, University of Washington (1995) 。该反应机理适用于1 atm，温度650K，燃料-空气平衡比范围为0.45~0.70，其中单位为kmole、m3、s，K