气体燃烧温度场的模拟技术优化

1.实例概述

在一个燃烧塔中，氢气以90m/s的速度从顶部喷口进入塔身，塔中空气流动速度为0.4m/s，且过量的空气系数为1.28。氢气在空气中燃烧，生成水。本例中将用FLUENT 6.3演示燃烧后的温度分布云图，图11-5为燃烧塔内基本模型。

2.模型的建立

01 启动GAMBIT，选择工作目录D:\Gambit working。

02 建立燃烧塔矩形剖面，单击Geometry→Face→Create Real Rectangular Face，在Create Real Rectangular Face面板的Width文本框和Height文本框中输入数值5和10，单击Apply按钮生成大矩形面。

图11-5 燃烧塔内基本模型

03 建立喷口矩形面域，单击Geometry→Face→Create Real Rectangular Face，在Create Real Rectangular Face面板的Width文本框和Height文本框中输入数值0.02和0.05，单击Apply按钮生成小矩形面。

04 将喷口移动到燃烧塔顶部，单击Geometry→Face→Move/Copy Faces，在Move/Copy Faces面板中选择小矩形面，选择Move和Translate，沿Y轴方向上移5.025，单击Apply按钮。

05 将两个矩形面合并，单击Geometry→Face→Unite Faces，选择两个矩形面，单击Apply按钮，即将两个矩形面合并为一个面，如图11-6所示。

3.网格的划分

01 单击Mesh→Face→Mesh Faces，打开Mesh Faces面板，选中合并后的面域，划分方式为Quad、Map、Interval size-0.05，单击Apply按钮，完成网格划分，如图11-7所示。

图11-6 合并后的矩形面

图11-7 面域的网格划分

02 单击Zones→Specify Boundary Types，在Specify Boundary Types对话框中选择小矩形上边界，类型为VELOCITY_INLET，命名为h-inlet；选择大矩形上边界，类型为VELOCITY_INLET，命名为air-inlet；大矩形的下边界，类型为PRESSURE_OUTLET，命名为out；其余边界类型为WALL，命名为wall。

03 执行File→Export→Mesh命令，在文件名中输入burning.msh，并选择Export 2-D（X-Y）Mesh，确定输出的为二维模型网络文件。

4.求解计算

01 双击FLUENT 6.3图标，弹出FLUENT Version对话框，选择2d（二维单精度）计算器，单击Run按钮启动FLUENT6.3。

02 执行File→Read→Case...命令，读入划分好的网格文件burning.msh。

03 执行Grid→Check命令，检查网格文件。

04 执行Define→Models→Energy...命令，勾选Energy Equation选项。

05 执行Define→Models→Viscous…命令，在弹出的Viscous Model对话框中选择k_- epsilon[2 eeqn]，其他选项保持默认值。

06 执行Define→Models→Species→Transport&Reaction…命令，弹出如图11-8所示的Species Model对话框，选择Model中的Species Transport单选按钮，勾选Volumetric复选框，在Turbulence-Chemistry Interaction中选择Eddy-Dissipation单选按钮，启动涡耗散模型。然后在Mixture Material下拉列表框中选择hydrogen-air，单击OK按钮会弹出一个如图11-9所示的Information对话框，提示材料结构发生改变，需要进一步确定性能参数。再次回到Species Model对话框，单击Mixture Material旁边的Edit…按钮，弹出Material对话框，单击Mixture Species旁边的Edit…按钮，出现如图11-10所示的Species对话框，其中的Selected Species列表框中的组分已经按照质量分数递增的顺序排列，单击OK按钮回到Material对话框。单击Reaction旁边的Edit…按钮，出现如图11-11所示的Reactions对话框。本例中选用了一个化学反应方程：2H₂+O₂→2H₂O，在Reaction对话框中可以看出反应组分和比例，保持默认值，单击OK按钮。

图11-8 Species Model对话框

图11-9 Information对话框

图11-10 Species对话框

(www.xing528.com)

图11-11 Reactions对话框

07 执行Define→Material命令，在Materials Type下拉列表框中选择fluid，由于燃烧过程中的比热容随着温度的变化而变化，所以分别将Fluent Fluid Materials下拉列表框中的h2，n2，o2，h2o的Cp选择为Piecewise-Polynomial（分段多项式），弹出如图11-12所示的Piecewise-Polynomial Profile对话框，保持默认值，单击OK按钮，回到Materials对话框中单击Change/Create按钮。

图11-12 Piecewise-Polynomial Profile对话框

08 执行Define→Boundary Conditions…命令，弹出Boundary Conditions对话框。

1 设置air-inlet的边界条件。选择air-inlet，单击Set…按钮，弹出Velocity Inlet对话框，在Momentum标签中，选择Velocity Specification Method的方式为“Magnitude，Normal to Boundary”，Reference Frame下拉列表框选择Absolute。Velocity Magnitude文本框为0.4m/s。Turbulence选项组中的Specification Method下拉列表框选择Intensity and Hydraulic Diameter，Hydraulic Diameter文本框为0.44，其他保持默认值，如图11-13所示。接着选择Thermal标签，温度保持300K。选择Species标签，在Species Mass Fractions选项组中的o2文本框填入0.22，其他保持默认值，如图11-14所示。单击OK按钮完成。

图11-13 Air进口动量参数设置

图11-14 Air进口组分设置

2 设置h-inlet的边界条件。同上，选择h-inlet，单击Set…按钮，弹出Velocity Inlet对话框，在Momentum标签中，选择Velocity Specification Method的方式为“Magnitude，Normal to Boundary”Reference Frame下拉列表框选择Absolute。Velocity Magnitude文本框为90m/s。Turbulence选项组中的Specification Method下拉列表框选择为Intensity and Hydraulic Diameter，Hydraulic Diameter文本框为0.01，其他保持默认值。接着选择Thermal标签，温度保持300K。选择Species标签，在Species Mass Fractions选项组中的h2文本框填入1（纯氢气进入），其他保持默认值，单击OK按钮。

3 设置out的边界条件。选择out，单击Set…按钮，弹出Pressure Outlet对话框，在Momentum标签中，保持Gauge Pressure文本框为0，Backflow Direction Specification Method下拉列表框为Normal to Boundary。Turbulence选项组中的Specification Method下拉列表框选择为Intensity and Hydraulic Diameter，Back flow Hydraulic Diameter文本框为0.45，其他保持默认值，如图11-15所示。接着选择Thermal标签，温度保持300K。选择Species标签，在Species Mass Fractions选项组中的o2文本框填入0.22，其他保持默认值，如图11-16所示。单击OK按钮完成。

图11-15 压力出口动量参数设置

图11-16 压力出口组分设置

4 设置wall的边界条件。选择out，单击Set…按钮，弹出WALL对话框，在Thermal标签中，设置Thermal Condition为Temperature，保持300K不变，单击OK按钮。

09 执行Solve→Control→Solution…命令，弹出Solution Controls对话框，保持默认值。

10 对流场进行初始化。执行Solve→Initialize→Initialize…命令，在弹出的Solution Initialization对话框中选择all-zones，顺序单击Init、Apply、Close按钮。

11 执行Solve→Monitors→Residual…命令，在弹出的Residual Monitors对话框中选择Plot，其他保持默认值，单击OK按钮。

12 执行Solve→Iterate…命令，在弹出的Iterate对话框中设置Number of Iterations为500，其他保持默认值，单击Iterate按钮即可开始解算。

13 执行Display→Contours…命令，弹出Contours对话框，在Contours of下拉列表框中选择Temperature和Static Temperature，勾选Filled，单击Display按钮，即出现温度分布云图，如图11-17所示。再改选Species和Mass Fraction of h2，单击Display按钮，出现氢气质量分布云图，如图11-18所示。选择Properties和Cp，单击Display按钮，出现定压比热容分布云图，如图11-19所示。

图11-17 温度分布云图

图11-18 氢气质量分布云图

14 计算完的结果要保存为case和data文件，执行File→Write→Case&Data…命令，在弹出的文件保存对话框中将结果文件命名为burning.cas，case文件保存的同时也保存了data文件burning.dat。

图11-19 定压比热容分布云图

15 最后执行File→Exit命令，退出FLUENT6.3。