FLUENT非預(yù)混燃燒模擬

本教程的目的是準(zhǔn)確地模擬在300千瓦BERL燃燒室的燃燒過程。這類問題可以通過物質(zhì)輸運(yùn)模型或非預(yù)混燃燒模型來模擬。在本教程中,將使用非預(yù)混燃燒模型來建立和解決天然氣燃燒問題。

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1. 啟動FLUENT并導(dǎo)入網(wǎng)格

(1)在Windows系統(tǒng)下執(zhí)行“開始”→“所有程序”→ANSYS 19.1→Fluid Dynamics→FLUENT 19.1命令,啟動FLUENT 19.1。

(2)在FLUENT Launcher界面中的Dimension中選擇2D,在Display Options中勾選Display Mesh After Reading,Embed Graphics Windows和Workbench Color Scheme,單擊OK按鈕進(jìn)入FLUENT主界面。

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(3)在FLUENT主界面中,單擊主菜單中File→Read→Mesh按鈕,彈出Select File(導(dǎo)入網(wǎng)格)對話框,選擇文件名為berl.msh的網(wǎng)格文件,單擊OK按鈕便可導(dǎo)入網(wǎng)格。

(4)導(dǎo)入網(wǎng)格后,在圖形顯示區(qū)將顯示幾何模型。

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(5)單擊主菜單中Mesh→Check按鈕,檢查網(wǎng)格質(zhì)量,確保不存在負(fù)體積。

(6)單擊主菜單中Mesh→Transform→Scale按鈕,在View Length Unit In中選擇mm,在Mesh Was Created In中選擇mm,單擊Scale按鈕并關(guān)閉窗口。

(7)單擊主菜單中Results→Graphics→Views按鈕,在Mirror Planes中選擇axis-2,單擊Apply按鈕并關(guān)閉窗口。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖5

(8)單擊主菜單中File→Write→Case按鈕,彈出Select File(保存項目)對話框,在Case File中填入battery,單擊OK按鈕便可保存項目。 

 2. 定義求解器 

(1)單擊主菜單中Define→General按鈕,彈出General(總體模型設(shè)定)面板。在2DSpace中選擇Axisymmetric Swirl。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖7

(2)在模型設(shè)定面板雙擊Energy按鈕,彈出Energy(能量模型)對話框,勾選Energy Equation激活能量方程,單擊OK按鈕確認(rèn)。

 (3)在模型設(shè)定面板雙擊Viscous按鈕,彈出Viscous Model(湍流模型)對話框,在Model中選擇k-epsilon (2eqn),單擊OK按鈕確認(rèn)并關(guān)閉對話框。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖9

(4)在模型設(shè)定面板雙擊Radiation按鈕,彈出Radiation Model(輻射模型)對話框,在Model中選擇Discrete Ordinates (DO),在Energy Iterations per Radiation Iteration中輸入1,單擊OK按鈕確認(rèn)并關(guān)閉對話框。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖11

(5)在模型設(shè)定面板雙擊Species按鈕,彈出Species Model(物質(zhì)輸運(yùn)模型)對話框,在Model中選擇Non-Premixed Combustion,在PDF Options中選擇Inlet Diffusion。

在chemistry選項卡中,F(xiàn)uel Stream Rich Flammability Limit填入0.064。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖13

在Boundary選項卡中,定義邊界組分。在Boundary Species中分別添加物質(zhì)c2h6,c3h8,c4h10和co2,在Specify Species in中選擇Mole Fraction,在Fuel中各物質(zhì)mole百分比見下表所示。在Temperature中,F(xiàn)uel和Oxid溫度均設(shè)置為315K。

                     物質(zhì)

             mole百分比

                      ch4

                   0.965

                        n2

                   0.013

                      c2h6

                   0.017

                      c3h8

                   0.001

                      c4h10

                   0.001

                        co2

                   0.003

FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖14 640.webp (34).jpg

在Table選項卡中,單擊Calculate PDF Table按鈕,計算非絕熱PDF表。再單擊Display PDF Table按鈕,在彈出的PDF Table對話框中,單擊Display按鈕顯示溫度查表。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖17

在FLUENT主界面中,單擊主菜單中File→Write→PDF按鈕,彈出Select File對話框,選擇文件名為non_premix_combustion.pdf文件,單擊OK按鈕保存。 

 3.設(shè)置材料 

(1)單擊主菜單中Define→Materials→pdf-mixture按鈕,彈出Create/Edit Materials(材料)對話框。在Absorption Coefficient中選擇wsggm-domain-based,單擊Change/Create按鈕完成物質(zhì)的設(shè)定。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖19

 4.邊界條件 

(1)在FLUENT主界面中,單擊主菜單中File→Read→Profile按鈕,彈出Select File對話框,選擇文件名為berl.prof文件,單擊OK按鈕便可導(dǎo)入profile文件。

(2)單擊主菜單中Define→Boundary Conditions按鈕啟動的邊界條件面板。

(3)在邊界條件面板中,雙擊poutlet-3彈出邊界條件設(shè)置對話框。在Turbulence中選擇Intensity and Hydraulic Diameter,其中Backflow Hydraulic Diameter填入600mm。

在Thermal選項卡中,Backflow Total Temperature中輸入1300,單擊OK按鈕確認(rèn)退出。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖21

(4)在邊界條件面板中,雙擊air-inlet-4彈出邊界條件設(shè)置對話框。在Velocity Specification Method中選擇Components,Axial-Velocity選擇vel-prof u,Swirl-Velocity選擇vel-prof w,在Turbulence中選擇Intensity and Hydraulic Diameter,其中Turbulent Intensity填入17%,Turbulent IntensityBackflow Hydraulic Diameter填入29mm。

在Thermal選項卡中,Temperature中輸入312,單擊OK按鈕確認(rèn)退出。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖23

(5)在邊界條件面板中,雙擊fuel-inlet-5彈出邊界條件設(shè)置對話框。在Velocity Specification Method中選擇Components,Radial-Velocity中填入157.25,在Turbulence中選擇Intensity and Hydraulic Diameter,其中Turbulent Intensity填入5%,Turbulent IntensityBackflow Hydraulic Diameter填入1.8mm。

在Thermal選項卡中,Temperature中輸入308。

在Species選項卡中,Mean Mixture Fraction中輸入1,單擊OK按鈕確認(rèn)退出。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖25

(6)在邊界條件面板中,雙擊wall-6彈出邊界條件設(shè)置對話框。在Thermal選項卡中,Thermal Conditions選擇Temperature,Temperature中輸入1370,Internal Emissivity中輸入0.5,單擊OK按鈕確認(rèn)退出。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖27

(7)同步驟(6),設(shè)置從wall-7到wall-13的壁面邊界參數(shù),數(shù)值如下表所示。

      Zone Name

               Temperature

            Internal Emissivity

            wall-7

                     312

                         0.5

            wall-8

                    1305

                         0.5

            wall-9

                temp-prof t

                         0.5

           wall-10

                    1100

                         0.5

           wall-11

                    1273

                         0.5

           wall-12

                    1173

                         0.5

           wall-13

                    1173

                         0.5

 

5. 求解控制 

(1)單擊主菜單中Solving→Solution→Methods按鈕,彈出Solution Methods(求解方法設(shè)置)面板。在Scheme中選擇Coupled,在Pressure中選擇PRESTO!。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖29

(2)單擊主菜單中Solving→Controls→Controls按鈕,彈出Solution Controls(松弛因子控制)面板。在Flow Courant Number中填入70,在Under-Relaxation Factor中Density填入0.2,Body Forces填入0.8。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖31

(3)單擊主菜單中Solving→Reports→Residuals按鈕,彈出Residuals Monitors(殘差監(jiān)視)面板,在Options中選擇Plot,單擊OK按鈕確認(rèn)退出。 

 6. 初始條件 

單擊主菜單中Solving→Initialization按鈕,彈出Solution Initialization(初始化設(shè)置)面板。

Initialization Methods中選擇Hybrid,單擊Initialize按鈕進(jìn)行初始化。

FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖32 

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 7. 計算求解 

單擊主菜單中Solving→Run Calculation按鈕,彈出Run Calculation(運(yùn)行計算)面板。

在Number of Iterations中輸入1500,單擊Calculate開始計算。

FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖34 

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 8. 結(jié)果后處理 

(1)在Graphics下雙擊Contous彈出Contous(等值線)對話框。

Contous of選擇Temperature和Static Temperature,在Options中選擇Filled,單擊Display按鈕,顯示云圖。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖37

(2)Contous of選擇Velocity和Velocity Magnitude,在Options中選擇Filled,單擊Display按鈕,顯示云圖。

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FLUENT非預(yù)混燃燒模擬的圖39

(3)Contous of選擇Species和Mass fraction of o2,在Options中選擇Filled,單擊Display按鈕,顯示云圖。

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