PDF输运方程模型模拟燃烧实例简析

李中朋 李泽宇 马强

摘 要：现如今环境污染日益剧烈，尤其是空气污染更是严重影响人们的日常生活。我们知道空气中的污染物大部分来自化石能源的燃烧排放，如何找到一种最优化的燃烧方式成为了研究的新课题。商业软件Fluent就给我们提供了一种非常好的思路，通过对燃烧过程的模拟，可以更好地了解燃烧过程，从而通过前期设计控制最终排放达到环境保护的目的。

关键词：环保 模拟燃烧 PDF输运 Fluent

中图分类号：TK16 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0240-01

谈到CFD软件，我们总会想起FLUENT，它拥有丰富的物理模型这使其应用非常广泛，从机翼空气流动到熔炉燃烧，从鼓泡塔到玻璃制造，从血液流动到半导体生产，从洁净室到污水处理工厂的设计，另外软件强大的模拟能力还扩展了在旋转机械、气动噪声、内燃机和多相流系统等领域的应用。其中燃烧模型是FLUENT软件优于其它CFD软件的最主要的特征之一，它包含多种燃烧模型、辐射模型及与燃烧相关的湍流模型，适用于各种复杂情况下的燃烧问题，包括固体火箭发动机和液体火箭发动机中的燃烧过程、燃气轮机中的燃烧室、民用锅炉、工业熔炉及加热器等。今天，全球数以千计的公司得益于FLUENT的这一工程设计与分析软件。

在模拟燃烧领域Fluent软件有可以模拟大多数气相燃烧问题的气相燃烧模型、可以模拟分散相燃烧问题的分散相燃烧模型，可以模拟绝大多数情况下的NOx生成问题和烟尘生成问题的污染模型以及热辐射模型。其中气相燃烧模型又包含PDF模型、非平衡反应模型、预混燃烧模型。下面我们就通过一个实例来具体了解一下PDF输运方程模型模拟燃烧的大致过程。该算例的目的用来展示使用PDF输运模型设置和求解火焰的步骤，算例相对简单，燃烧室为轴对称结构，具体尺寸如图1。

该燃烧室的最大直径为280，主体部分长度为600。

进料部分采用燃料中心进气和空气环空进气的方式。

我们先来分析一下计算基础：要做的是甲烷和空气的模拟燃烧，CH4的燃烧产物有CO、CO、H2O三种，空气中成分O2：N2=0.21：0.79，CH4的低位发热量为5.02e+07。根据已有的化学基础，我们可以知道该燃烧过程的生成物有：C、H2O、CH4、CO、CO2、H、O2、N2几种。

下面进行具体的计算步骤。

第一步用prepdf建表，打开prepdf后首先定义以上八种组分，需要注意的是燃料甲烷中只有C、H两种组分，且分别为0.2、0.8。输入低位发热量。设置完成后首先计算绝热情况，保持300k温度。然后计算非绝热过程，在操作过程中最高温度要比刚才计算的温度高个200K左右，而且计算时间也要长很多。最后计算完成后导出PDF。

第二步是在Fluent中的操作，打开软件后首先导入用Gambit设计完并划分好网格的Mesh文件。检查完确认无误之后我们就可以设置模型参数了。需要打开能量方程、湍流模型，组分输运里面选择non-Pre，并导入之前建好的PDF。然后是设置边界条件，燃料也就是甲烷采用速度入口，可以根据实际情况修改，分别输入速度、温度。组分这里燃料是1，氧化剂是0。氧化剂采用质量入口，當然也可以根据实际情况修改。

然后进行初始化，设置显示残差曲线，等到计算收敛后我们就能看到计算结果了。计算3000步后的残差线，如图2所示。

现在就可以得到计算后的温度云图了。

从上面可以看出Fluent软件用户界面友好，算法健壮，新用户容易上手。除此之外FLUENT还提供专门的工具用来生成几何模型及网格创建。GAMBIT允许用户使用基本的几何构建工具创建几何，它也可用来导入CAD文件，然后修正几何以便于CFD分析，为了方便灵活的生成网格，FLUENT还提供了TGrid，这是一种采用最新技术的体网格生成工具。这两款软件都具有自动划分网格及通过边界层技术、非均匀网格尺寸函数及六面体为核心的网格技术快速生成混合网格的功能。对于涡轮机械，可以使用G/Turbo，熟悉的术语及参数化的模板可以帮助用户快速的完成几何的创建及网格的划分。

在现如今计算机硬件发展速度迅猛的形势下，完全可以用Fluent对大部分的燃烧情况进行模拟，这种模拟我相信在环境保护领域可以起到很多的作用，通过洞悉燃烧过程，设计合理的燃烧室，优化污染物的排放可以使一些化工、钢铁企业减少污染物的排放，降低空气中的PM2.5含量，保护大气环境。

参考文献

[1] 李鹏飞.精通CFD[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[2] 周力行.多相湍流反应流体力学[M].北京：国防工业出版社，2002.