基于fluent的甲烷燃烧二维模拟分析

基于fluent的甲烷燃烧二维模拟 陈飞 1434422 (同济大学汽车学院，上海) 摘要: 目前，由于环境污染和排放法规的日趋严格，降低排放已经成为了汽车工业的重点，而寻求清洁的替代燃料是一种较为有效的解决办法。甲烷属于可再生气体燃料，可以实现与空气的良好预混，利用fluent进行甲烷燃烧的数值模拟进行仿真分析。Fluent提供了涡耗散模型用于求解燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流控制的单步或双步总包燃烧反应。根据模拟结果分析甲烷作为车用替代燃料的可行性。 关键词: 替代燃料;燃烧的数值模拟;甲烷燃烧;fluent仿真 1. 引言 燃烧是燃料与氧化剂之间的发光发热的化学反应，根据反应前各组分的分布，可以分为预混燃烧，扩散燃烧和部分预混燃烧。其中预混燃烧较多的应用于汽车工业的车用汽油发动机。目前，由于环境污染和排放法规的日趋严格，降低排放已经成为了汽车工业的重点，而寻求清洁的替代燃料是一种较为有效的解决办法。 1.1. 燃烧的数值模拟 燃烧的数值模拟是通过CFD软件实现对实际燃烧过程的仿真模拟，求解流畅流动特性及其混合特性，温度场、组分浓度场以及颗粒和污染物排放等，从而提供实际燃烧过程的参考，对于产品研发，科学研究都有很大的意义。 燃烧的数值模型主要运用模拟软件根据燃烧模型进行仿真，目前可用于燃烧数值模拟的软件有FLUENT,STAR-CD,CHEMKIN,KIVA等。燃烧模型主要根据不同燃烧的特点设置求解参数，包括如下内容:稀疏相模型、输运控制方程、燃烧模型、辐射换热模型、污染物模型。 Fluent提供了涡耗散模型用于求解燃料快速燃烧，整体反应速率由湍流控制的单步或双步 R总包燃烧反应。其中对于反应r中的物质i的产生速率由下面两个式子给出: i,r ,,Y,'R,,RvMA,min (1.1) ,i,ri,rw,i',,RkvMR,rw,R,, Y,p,p'RvMAB,,,,, (1.2) irirwiNnkvM,,,jrwjj Y式中，——任何一种产物的质量组分; p ——某种产物的质量组分; YR ——常数4.0; A ——经验常数0.5。 B 1.2. 甲烷性质介绍 甲烷在自然界的分布很广，甲烷是最简单的有机物，是天然气，沼气，坑气等的主要成分，俗称瓦斯。也是含碳量最小(含氢量最大)的烃，也是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。它可用来作为燃料及制造氢气、炭黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料，属于可再生能源。 1 甲烷气体物理性质 颜色 无色 气味 无味 -182.5? 熔点 沸点 -161.5? 溶解度(常温常压) 0.03 分子结构 正四面体形非极性分子 分子直径 0.414nm 53.32kPa/-168.8? 蒸汽压 53.32(-168.8?) 饱和蒸气压(kPa) 相对密度(水=1) 0.42(-164?) 0.5548(273.15K、101325Pa) 相对密度(空气=1) -82.6 临界温度(?) 4.59 临界压力(MPa) 甲烷属于气体燃料，燃烧时较易与空气充分混合，因此燃烧的热效率较高，从而较少污染物排放。 2. 甲烷燃烧仿真模型搭建 本文计算的案例如下图所示: 火焰石湍流扩散火焰，在进口处甲烷以80m/s的速度从喷嘴射入，周围空气以0.5m/s的速度射入燃烧器，过量空气系数为1.28。在甲烷与空气之间用一层外墙隔开。甲烷的雷诺数为5700。甲烷与空气的反应采用最常见的单步总包反应，而且认为反应是扩散控制的，因此使用涡耗散模型对其进行模拟。 Air: 0.5m/s, 300k 0.225m 甲烷: 80m/s, 300k 0.005m 1.8m 图1 二维湍流扩散燃烧器中的甲烷燃烧 运用fluent进行甲烷燃烧的二维仿真模拟，需要设置诸如求解器，边界条件等计算参数，详细设置如下: 2.1. 选择求解模型 求解器是求解网格方程的。。FLUENT的求解器分为分离式和耦合式两种。分离式求解器适用于不可压和微可压流动，耦合式求解器用于高速可压流动。本研究涉及的喷射压力下，流体处于不可压和微可压状态，故选用分离式求解器。该方法是顺序地、逐一地求解关于u、v、w、p等的方程。即先在全部网格上逐个解出每个方程。由于控制方程式是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在计算得到收敛结果之前要经过多轮迭代。本文采用压力基求解器。因为本例流动入口处雷诺数达到了5700，为湍流，又是简单的突扩流动，所以选用标准k-epsilon模型，避免函数法。采用涡耗散模型组分运输和化学反应的模型。 2.2. 定义材料 采用fluent自带数据库中的甲烷即可，但是根据模型的简化，需要选择不可压缩理想气体，并且设置比热为混合物平均，并且随温度变化而改变，各个组分的比热也要设置为随温度变化， 2.3. 设置边界条件 边界条件是对网格边界的约束，并设定流体进入计算区域时的状态。本文选择压力进出口边界。压力边界条件用于定义流动入口的压力以及其它标量属性。它即可以适用于可压缩流，也可以用于不可压缩流。压力边界条件可用于压力已知但是流动速度和速率未知的情况。这一情况可用于很多实际问题，比如浮力驱动的流动。压力边界条件也可用来定义外部或无约束流的自由边界。在有可能出现回流的情况下，使用压力出口边界条件来代替其他出口条件常常有更好的收敛速度。 -ε模型对湍流进行计算时，需要给定进口边界上k和ε的估算值。目前没有在使用各种k 理论上的精确计算这两个参数的公式，要么通过试验得到，要么通过近似公式来估算。对于没有任何已知条件的情况，可根据湍动强度I和特征长度L，由下式粗略估计进口的k和ε分布: 上述各项式中 为水力直径DH计算得到的Reynolds数，对于圆管，水力直径DH等于圆管直径;It为湍流强度;L为关联尺寸，对于充分发展的湍流，可取L等于水力直径;l为湍流长度尺度; 为平均速度;k为湍动能;Cu为经验常数取0.09;ε为湍动能耗散率。 分别进行空气入口处、燃料入口处、压力出口处、壁面边界处边界条件的设定。 空气入口 速度大小为0.5，湍流强度为0.1，水力直径为0.44，默认温度为300k，氧气浓度为0.23。 燃料入口 速度大小为80，湍流强度为0.1，水力直径为0.01，默认温度为300k，甲烷浓度为1。 压力出口 表压力为0，湍流强度为0.1，水力直径为0.45，默认温度为300k，氧气浓度为0.23。 壁面边界 壁温恒定为300k。 2.4. 设置求解控制参数 为了更好地控制求解过程，需要在求解器中进行某些设置。主要包括离散格式、设置欠松弛因子和初始化场变量。FLUENT为控制方程中的对流项提供了多种不同的离散格式，在默认情况下，当使用分离式求解器时，所有对流项均用一阶迎风格式离散;当使用耦合求解器时，流动方程采用二阶精度格式，其它方程采用一阶精度格式。一般来讲，一阶精度格式下的计算容易收敛，但精度较差。本文中因为选用的分离式求解器，所以采用一阶迎风格式。欠松弛因子是分离式求解器所使用的一个加速收敛的参数，用于控制每个迭代步所计算的场变量更新，除耦合方程之外的所有方程，包括耦合隐式求解器中的非耦合方程(如湍流方程)，均有与之相关的欠松弛因子。如果开始计算后，残差曲线逐渐上升，趋向发散，则需要适当减小欠松弛因子，以保证计算的收敛性。 3. 甲烷燃烧分析 根据设置的残差值在迭代362步之后结果收敛，如下图所示: 图2 残差随迭代收敛情况 温度云图如下图所示: 图3 温度等值线图 可以看到，随着燃烧的进行，燃烧器的温度不断上升，且在中间区域温度最高，达2310k。在甲烷刚刚射入燃烧器时，由于没有充分扩散，温度升高的区域主要集中在燃烧器下部分，之后由于甲烷与空气的充分混合，使得燃烧器整体温度都上升了。 定压比热等值线图如下: 图4 定压比热等值线图 可以看到，混合物比热随着反映的进行呈现下降趋势，在甲烷射入入口处比热最高，随着反应的进行，温度不断升高，混合物比热也不断下降。 甲烷的质量分数等值线图如下图所示: 图5 甲烷质量分数等值线图 可以看到，甲烷射入燃烧器后便急速燃烧，由于气体燃料与空气混合充分迅速，因此燃烧快速完全，在燃烧器中部便全部燃烧。 氧气的质量分数等值线图如下图所示: 图6 氧气质量分数等值线图 可以看到，随着甲烷燃烧的消耗，氧气的质量分数随着反映的进行不断降低，并且在甲烷的射流区域氧气的质量分数为零，因为射流压力较大，氧气无法与甲烷充分混合，只能和接触的甲烷燃烧，因此也验证了扩散燃烧的本质。 4. 结论 甲烷作为一种可再生气体料，具有很好的燃烧特性，能够实现很高的热效率，在燃烧过程中能够与空气实现快速充分的混合，从而达到燃烧快速，彻底的效果，是一种很好地燃料，不过由于技术等原因，目前只较多应用于天然气、工厂等地方，对于汽车工业还没有应用，不过甲烷燃料的优点可以给我们寻找新的替代燃料以启示。 5. 参考文献 [1]于勇,张俊明,姜连田. Fluent入门与进阶教程[M]. 北京:北京理工大学出版社2008.9. [2]唐家鹏. Fluent14.0超级学习手册[J].北京:人民邮电出版社,2013.4. [3] 王凯楠,侯献军,闫少杰,余其旺,徐楠楠. 基于Fluent的天然气燃烧特性研究[J]. 汽车科技 2011(3): 12-14. [4] 孙石,李文姬. FLUENT在动力机械中的应用[J]. 长春学院学报:自然科学版,2010(4): 46-48. 6. 致谢 谢谢我的导师吴志军教授。