本算例演示如何利用STAR CCM+中的EBU模型設置并求解甲烷-空氣射流燃燒過程。算例同時演示了如何在STAR CCM+中手動定義化學反應方程。

1 問題描述

算例計算的是Sandia FlameD實驗條件。下圖所示為計算區域入口截面，其包含3個流體入口：main、pilot以及coflow，分別通入甲烷-空氣、燃燒產物、空氣。

算例采用二維軸對稱模型進行計算，該二維軸對稱幾何由采用 7.2 mm 直徑噴嘴的主噴射器組成，燃燒體積比為 25% 甲烷和 75% 干燥空氣的預混氣體。

計算邊界如下圖所示。

2 STAR CCM+設置

• 啟動STAR CCM+
• 選擇菜單 File → New…創建一個新的仿真
• 選擇菜單 File → Import  → Import Mesh… 導入計算網格 sandia.ccm

2.1 選擇物理模型

• 鼠標右鍵選擇模型樹節點Models，點擊彈出菜單項 Select Models… 打開模型選擇對話框

• 如下表所示選擇物理模型

選擇完畢后的對話框如下圖所示。

2.2 定義化學反應

本算例需要手動定義化學反應方程。

• 選中模型樹節點 Models → Eddy Break-Up ，屬性框中設置 Reaction Control為 Standard EBU

注：標準EBU模型利用湍流參數來計算化學反應速率。STAR CCM+除了可以使用標準EBU模型外，還可以使用有限速率/EBU模型，該模型可以綜合考慮EBU速率及阿累尼烏斯反應速率，取它們最小值作為計算使用的的速率。

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• 右鍵選中模型樹節點 Multi-Components → Select Mixture Components… 打開組分選擇對話框

• 如下圖所示，從材料庫中選擇材料介質 CH4、O2、CO2、H2O、N2

• 右鍵選擇模型樹節點 Gas Components，點擊彈出菜單項 Reorder Mixture Components…

• 如下圖所示，調整組分的排列順序，確保 N2位于材料列表的最下方

• 右鍵選擇節點 Reacting → Reactions ，點擊彈出菜單項 New Reaction 添加一個化學反應Reaction 1

• 右鍵選擇模型樹節點 Reaction 1 → Reactants ，如下圖所示添加組分 CH4，相同方式添加 O2

• 右鍵選擇模型樹節點 Reaction 1 → Products ，如下圖所示添加組分 CO2，相同方式添加 H2O

• 添加完畢后的模型節點如下圖所示

• 鼠標雙擊模型樹節點 Reaction 1 ，打開參數設置對話框并展開所有的樹形節點，如下圖所示設置參數
• 指定 CH4的Stoich. Coeff 為 1.0，指定Rate Exponent為 1.0
• 指定 O2的Stoich. Coeff 為 2.0，指定Rate Exponent為 1.0
• 指定 CO2的Stoich. Coeff 為 1.0，指定Rate Exponent為 0
• 指定 H2O的Stoich. Coeff 為 2.0，指定Rate Exponent為 0

注：這里定義了甲烷-空氣燃燒單步化學反應。

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2.3 初始條件設置

• 進入節點 Continua → Physics 1 → Initial Conditions，下方節點參數指定如下表所示

Initial Conditions節點如下圖所示。

2.4 邊界條件設置

• 進入節點 Regions → fluid → Boundaries ，設置各邊界參數

1、inlet-1邊界

指定邊界inlet-1的參數，如下表所示。

設置完畢后如下圖所示。

2、inlet-2邊界

指定邊界inlet-2的參數，如下表所示。

3、inlet-3邊界

指定邊界inlet-2的參數，如下表所示。

4、outer邊界

指定邊界outer的參數，如下表所示。

5、outlet邊界

指定邊界outlet的參數，如下表所示。

2.5 迭代參數

• 指定最大迭代次數2000 次

• 點擊菜單 Solution → Run開始計算

3 計算結果

• 軸線上的溫度分布

• 溫度分布

• 二氧化碳摩爾濃度分布

STAR CCM+不僅可以使用標準的EBU模型，如果有化學反應動力學參數的話，還可以使用hybrid EBU模型（類似于Fluent中的有限速率/渦耗散模型）。

標準EBU模型計算的溫度常常要比實際溫度高一些。

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文章來源：CFD之道

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