焦爐煤氣燃燒的數(shù)值模擬

7.2焦爐煤氣燃燒的數(shù)值模擬7.2.1案例簡介本案例是利用有限速率反應(yīng)模型，對焦爐煤氣的燃燒過程進行數(shù)值模擬。燃燒室二維模型如圖7-2-1所示，燃燒室長2000mm，高500mm，焦爐煤氣從左側(cè)10mm高的進口高速流入，助燃空氣在左側(cè)490mm進口流入，氣體燃料與空氣在燃燒室內(nèi)充分混合并燃燒，利用數(shù)值模擬計算得出燃燒室內(nèi)溫度場、速度場以及組分濃度等數(shù)據(jù)。圖7-2-1燃燒室二維模型7.2.2Fluent求解計算設(shè)置1．啟動Fluent-3D（1）雙擊桌面Fluent14.0圖標，進入啟動界面。（2）選中Dimension→3D單選按鈕，選中DoublePrecision復(fù)選按鈕，取消對DisplayOptions下的三個復(fù)選按鈕的選擇。（3）其它保持默認設(shè)置即可，單擊OK按鈕進入Fluent14.0主界面窗口。2．讀入并檢查網(wǎng)格（1）執(zhí)行菜單欄中的File→Read→Mesh命令，在彈出的SelectFile對話框中讀入pollutant.msh三維網(wǎng)格文件。（2）執(zhí)行菜單欄中的Mesh→Info→Size命令，得到如圖7-2-3所示的模型網(wǎng)格信息：共有22531個節(jié)點，44730個網(wǎng)格面，22200個網(wǎng)格單元。（2）執(zhí)行菜單欄中的Mesh→Check命令。反饋信息如圖7-2-4所示，可以看到計算域三維坐標的上下限，檢查最小體積和最小面積是否為負數(shù)。圖7-2-3Fluent網(wǎng)格數(shù)量信息圖7-2-4Fluent網(wǎng)格信息3．求解器參數(shù)設(shè)置（1）單擊選擇左邊workspace中ProblemSetup→General命令，在出現(xiàn)的General面板中進行求解器的設(shè)置。（2）保持面板中的Scale下默認單位為m，保持默認設(shè)置，如圖7-2-6所示。圖7-2-6求解參數(shù)設(shè)置（3）單擊選擇ProblemSetup→Model命令，對求解模型進行設(shè)置，如圖7-2-7所示。（4）雙擊Models→Energy-off選項（或選中Energy-off，點擊Edit），打開Energy（能量方程）對話框。（5）在彈出的對話框中選擇EnergyEquation選項，如圖7-2-8所示，單擊OK按鈕，啟動能量方程。（6）在Models面板中雙擊Viscous-Laminar選項，彈出ViscousModel對話框，湍流模型選擇其中的k-epsilon(2eqn)選項，如圖7-2-9所示，單擊OK完成設(shè)置。 圖7-2-7能量方程選擇 圖7-2-8能量方程的啟動圖7-2-9湍流模型選擇（7）再次在Models面板中雙擊Species-off選項，彈出SpeciesModel窗口，選中SpeciesTransport單選按鈕，Reactions下選中Volumetric復(fù)選按鈕，Option下選中InletDiffusion復(fù)選按鈕，Turbulence-ChemistryInteraction下選擇Finite-Rate/Eddy-Dissipation按鈕，如圖7-2-10所示，單擊OK。圖7-2-10組分傳輸模型選擇4．定義材料物性（1）單擊選擇ProblemSetup→Materials命令，在出現(xiàn)的Materials面板中對所需材料進行設(shè)置，如圖7-2-11所示。（2）雙擊面板中的Materials→Mixture選項，彈出材料物性參數(shù)設(shè)置對話框，如圖7-2-12所示。（3）材料物性參數(shù)設(shè)置對話框中，單擊FLUENTDatabase按鈕，彈出材料數(shù)據(jù)庫窗口，MaterialType下選擇fluid選項，選擇流體材料下的co(carbon-monoxide)選項，如圖7-2-13所示，單擊Copy按鈕，復(fù)制一氧化碳物性參數(shù)到材料創(chuàng)建窗口。（4）在材料創(chuàng)建窗口，單擊Change/Create按鈕，保存一氧化碳的物性參數(shù)。（5）重復(fù)上述操作，分別從材料庫復(fù)制加載Ch4，CO2，H2的材料屬性。圖7-2-11材料選擇面板圖7-2-12混合物物性參數(shù)圖7-2-13一氧化碳物性參數(shù)選擇5，修改混合物的材料屬性（1）還是在材料物性參數(shù)設(shè)置對話框中，單擊MixtureSpecies右側(cè)的Edit按鈕，彈出材料組分窗口，調(diào)整SelectedSpecies下的各個組分，最終組分為ch4、o2、co2、h2o、h2、co、n2，如圖7-2-14所示。注意：n2一定是在列表的最后位置。圖7-2-14混合物物性修改6．設(shè)置化學(xué)反應(yīng)方程（1）材料物性參數(shù)設(shè)置對話框中，單擊Reaction右側(cè)的Edit按鈕，彈出Reactions窗口，設(shè)置TotalNumberofReactions為3，表示有3個化學(xué)反應(yīng)。ID設(shè)為1，NumberofReactants設(shè)置為2，表示反應(yīng)物為2種，Species下兩個下拉菜單分別選擇ch4和o2，Stoich.Coefficient分別設(shè)置為1和2；NumberofProducts設(shè)置為2，表示生成物為2種，Species下兩個下拉菜單分別選擇co2和h2o，Stoich.Coefficient分別設(shè)置為1和2，其他保持默認，這樣就完成了甲烷與氧氣化學(xué)反應(yīng)的設(shè)置。如圖7-2-15所示。（2）重復(fù)上述操作，ID分別選擇2和3，完成h20和o2，co和o2的化學(xué)反應(yīng)設(shè)置。分別如圖7-2-16和圖7-2-17所示。圖7-2-15甲烷與氧氣的化學(xué)反應(yīng)設(shè)置圖7-2-16氫氣與氧氣的化學(xué)反應(yīng)設(shè)置圖7-2-17一氧化碳與氧氣的化學(xué)反應(yīng)設(shè)置5．區(qū)域條件設(shè)置（1）單擊選擇ProblemSetup→CellZoneConditions命令，在彈出的CellZoneConditions面板中對區(qū)域條件進行設(shè)置，如圖7-2-18所示。（2）選擇面板中的Zone→fluid選項，單擊Edit彈出Fluid窗口，MaterialName右側(cè)下拉菜單選擇mixture-air選項，如圖7-2-19所示。圖7-2-18區(qū)域選擇圖7-2-19區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置6．邊界條件設(shè)置（1）單擊選擇ProblemSetup→BoundaryConditions命令，在打開的BoundaryConditions面板中對邊界條件進行設(shè)置。（2）雙擊面板中的Zone→air_in選項，對空氣進口進行設(shè)置，如圖7-2-20所示。圖7-2-20邊界選擇（3）窗口中默認的Momentum選項卡下，VelocityMagnitude設(shè)置為0.5，SpecificationMethod選擇湍流強度和水力直徑選項，分別設(shè)置為10和0.98，選擇Species選項卡，設(shè)置進口氧氣質(zhì)量分數(shù)為0.22。分別如圖7-2-21和7-2-22所示，單擊OK完成空氣條件設(shè)置。圖7-2-21空氣進口邊界條件設(shè)置（1）圖7-2-22空氣進口邊界條件設(shè)置（2）（4）重復(fù)上述操作，對fuel_in邊界進行設(shè)置。設(shè)置VelocityMagnitude為60，湍流強度和水力直徑分別設(shè)置為10和0.02，進口各組分的質(zhì)量分數(shù)：ch4為0.25，o2為0.005，co2為0.02，h2為0.6，co為0.05。（5）重復(fù)上述操作，對出口邊界進行設(shè)置。設(shè)置Thermal選項卡下的回流溫度為2500K，如圖7-2-23所示。圖7-2-23出口回流溫度設(shè)置7.2.3求解計算1．求解控制參數(shù)（1）單擊選擇Solution→SolutionMethods命令，在彈出的SolutionMethods面板中對求解控制參數(shù)進行設(shè)置。（2）面板中的各個選項采用默認值，如圖7-2-30所示。2．求解松弛因子設(shè)置（1）單擊選擇Solution→SolutionControls命令，在彈出的SolutionControls面板中對求解松弛因子進行設(shè)置。（2）松弛因子選擇默認設(shè)置，如圖7-2-31所示。 圖7-2-30求解方法設(shè)置 圖7-2-31松弛因子設(shè)置3．收斂臨界值設(shè)置（1）單擊選擇Solution→Monitors命令，打開Monitors面板，如圖7-2-32所示。（2）雙擊Monitors面板中Residuals-Print,Plot選項，打開ResidualMonitors對話框，保持默認設(shè)置，如圖7-2-33所示，單擊OK完成設(shè)置。圖7-2-32殘差設(shè)置面板圖7-2-33修改迭代殘差4．流場初始化設(shè)置（1）單擊選擇Solution→SolutionInitialization命令，打開SolutionInitialization面板。（2）在彈出的SolutionInitialization面板中進行初始化設(shè)置。InitializationMethods下選擇StandardInitialization選項，Computefrom下的下拉菜單選擇all-zones，設(shè)置初始化溫度為2000K，其他保持默認，單擊Initialize完成初始化，如圖7-2-34所示。圖7-2-34流場初始化設(shè)定5．迭代計算（1）選擇File→Write→Case&Data…命令，彈出SelectFile窗口，保存為gaseouscombustion.cas和gaseouscombustion.data。（3）單擊選擇Solution→RunCalculation命令，打開RunCalculation面板。（4）設(shè)置NumberofIterations設(shè)置為1000，如圖7-2-35所示。（5）單擊Calculate按鈕進行迭代計算。（6）進行460步迭代計算之后，殘差達到收斂最低限，如圖7-2-36所示。 圖7-2-35迭代設(shè)置對話框圖7-2-36迭代殘差曲線圖7.2.4計算結(jié)果后處理及分析1．溫度場云圖（1）單擊選擇Results→GraphicsandAnimations命令，打開GraphicsandAnimations面板。（2）雙擊Graphics→Contours（或者選中Contours，然后單擊SetUp）選項，打開Contours窗口，Options下選擇Filled選項，Contoursof下選擇Temperature選項，如圖7-2-38所示，單擊Display彈出溫度云圖窗口，如圖7-2-39所示。由圖可看出，隨著反應(yīng)的進行，由噴口向燃燒器內(nèi)部溫度逐漸升高，且在中間區(qū)域溫度最高，達到2500K。（3）重復(fù)上述操作，Conoursof第一個下拉菜單選擇Species選項，第二個下拉菜單選擇Massfractionofch4選項，單擊Display，彈出甲烷質(zhì)量分數(shù)云圖，如圖7-2-40所示。（4）重復(fù)上述操作，依次完成氫氣、一氧化碳、