非预混燃烧模拟.ppt

Fluent中非预混燃烧模拟 主讲:尹敦兵 1.燃燃燃燃烧烧烧烧 强强烈的放烈的放热热和和发发光的快速化学反光的快速化学反应过应过程称程称为为燃燃烧烧。燃燃烧过烧过程是程是综综合的物理与化学相互作用的合的物理与化学相互作用的过过程，是程，是质质量，量，动动量量 以及能量交以及能量交换换的的过过程。燃程。燃烧现烧现象包含流体流象包含流体流动动，传热传热，传质传质和和 化学反化学反应应以及他以及他们们之之间间的相互作用。的相互作用。控制燃控制燃烧过烧过程的基本方程程的基本方程组组有：混合物有：混合物质质量守恒方程，量守恒方程，组组分分质质 量守恒方程，量守恒方程，动动量守恒方程以及能量守恒方程等。量守恒方程以及能量守恒方程等。燃燃烧烧根据燃料和氧化根据燃料和氧化剂剂是否是否预预先混合可以分先混合可以分为为：预预混燃混燃烧烧和非和非 预预混燃混燃烧烧非非预预混燃混燃烧烧 燃料和氧化剂以相异流进入反应区，即以不同的输入途径流 入反应区的燃烧，称为非预混燃烧，此时，燃烧和混合几乎是 同时发生的。一一.初步介初步介绍绍2 2.n n基基础础：在一系列在一系列简简化假化假设设下，流体的瞬下，流体的瞬时热时热化学状化学状态态与守与守恒量恒量混合分数混合分数f f相关。相关。n n方法方法：解一或两个守恒量（如混合分数）的解一或两个守恒量（如混合分数）的输输运方程。运方程。n n对对象象：用于模用于模拟进拟进行快速化学反行快速化学反应应的紊的紊态扩态扩散火焰。散火焰。模模拟拟非非预预混燃混燃烧烧方法方法简简介介3 3.二二.典型系典型系统结统结构构 非非预预混模混模拟拟方法已被明确用于模方法已被明确用于模拟进拟进行快速化学反行快速化学反应应的紊的紊态扩态扩散火焰的散火焰的研究。非研究。非预预混模型允混模型允许预测许预测中中间间（基本）（基本）组组分、溶解效分、溶解效应应和和严严格的紊流格的紊流化学耦合。因化学耦合。因为为不需要解大量的不需要解大量的组组分分输输运方程，运方程，该该方法在方法在计计算上很有效。算上很有效。下面几幅下面几幅图为图为FLUENTFLUENT中能用非中能用非预预混模型混模型处处理的理的典型反典型反应应系系统结统结构。构。A.能用能用单单一混合分数模一混合分数模拟拟的化学反的化学反应应系系统统 a.简单燃料氧化剂扩散火焰4 4.c.用多燃料入口的系统b.用多氧化剂入口的扩散系统5 5.B.能用二混合分数模能用二混合分数模拟拟的化学反的化学反应应系系统结统结构构 a.包含两个不同燃料入口系统b.包含两种不同氧化剂入口的系统6 6.n n流流动动是湍流。是湍流。n n化学化学动动力学必力学必须须迅速以使流迅速以使流动动接近化学平衡。接近化学平衡。n n化学反化学反应应系系统统必必须须是有分离的燃料和氧化是有分离的燃料和氧化剂剂入口的入口的扩扩散散类类型（型（喷雾喷雾（喷喷射）射）燃燃烧烧和粉碎燃料火焰也可属此和粉碎燃料火焰也可属此类类）。）。n n所有所有组组分和分和焓焓的的扩扩散系数相等。是散系数相等。是对对湍流的良好的近似。湍流的良好的近似。n n当使用当使用单单一混合分数一混合分数时时，必，必须须遵守如下条件遵守如下条件 ：（1 1）仅仅含一种含一种类类型的燃料。型的燃料。燃料可由反燃料可由反应组应组分（例如，分（例如，9090的的CH4CH4和和1010的的COCO）的一种燃）的一种燃烧烧混合物混合物组组成，可包括多燃料入口。然而，多燃料入口必成，可包括多燃料入口。然而，多燃料入口必须须有同有同样样的成分。不允的成分。不允许许有两个以上的有不同燃料成分的燃料入口（如，一个入口有两个以上的有不同燃料成分的燃料入口（如，一个入口为为CH4CH4，一个入口，一个入口为为COCO）。）。类类似的，在似的，在喷雾喷雾燃燃烧烧系系统统或包含反或包含反应应粒子的系粒子的系统统中，中，仅仅允允许许有一种有一种废废气。气。（2 2）仅仅含一种氧化含一种氧化剂剂。氧化。氧化剂剂可包括一种可包括一种组组分混合物（如，分混合物（如，2121O2O2，7979N2N2），可以有多个氧化），可以有多个氧化剂剂入口。然而，多氧化入口。然而，多氧化剂剂入口必入口必须须包含相同的成分。不允包含相同的成分。不允许许有两个及以上有不同成分的氧化有两个及以上有不同成分的氧化剂剂入口（如，一个入口入口（如，一个入口为为空气，第二而入口空气，第二而入口为为纯纯氧气入口）。氧气入口）。三三.非非预预混模混模拟拟方法的限制和特方法的限制和特别别反反应类应类型型 special cases andspecial cases and Restrictions on the Mixture Fraction ApproachRestrictions on the Mixture Fraction Approach非预混方法仅能用于当反应流动系统满足以下要求时：A.限制限制7 7.当使用两个混合分数当使用两个混合分数时时，系，系统统中可包含三个流。下面是有效的系中可包含三个流。下面是有效的系统统：（1 1）有两个不同有两个不同组组成的燃料流和一个氧化成的燃料流和一个氧化剂剂流。每一个燃料流可由流。每一个燃料流可由一种反一种反应组应组分混合物分混合物组组成（例如，成（例如，9090的的CH4CH4和和1010的的COCO）。可包）。可包括每一种燃料流的多入口，但是每一个燃料流入口必括每一种燃料流的多入口，但是每一个燃料流入口必须须有两种定有两种定义义的的成分中的一种（如，一个入口成分中的一种（如，一个入口为为CH4CH4，一个入口，一个入口为为COCO）。）。（2 2）包括气液，气煤，或者液煤燃料混合物和一种氧化包括气液，气煤，或者液煤燃料混合物和一种氧化剂剂的的 混合燃料系混合燃料系统统。在。在拥拥有气煤或液煤燃料混合物的系有气煤或液煤燃料混合物的系统统中，煤中，煤挥发挥发物和焦炭作物和焦炭作为为一种一种单单一成分燃料流来一成分燃料流来对对待。待。（3 3）分分别对别对待煤燃待煤燃烧烧中的中的挥发挥发物和焦炭的系物和焦炭的系统统。（4 4）含有不同成分的两种氧化含有不同成分的两种氧化剂剂流和一种燃料流。每一氧化流和一种燃料流。每一氧化剂剂流可流可由一种多由一种多组组份的混合物份的混合物组组成（例如，成（例如，2121O2O2，7979N2N2）。每一种）。每一种氧化氧化剂剂可以有多入口，但是，每一个氧化可以有多入口，但是，每一个氧化剂剂入口必入口必须须含有两种定含有两种定义义成成分中的一种（例如，一个入口分中的一种（例如，一个入口为为空气，第二个入口空气，第二个入口为纯为纯氧气）。氧气）。（5 5）一个燃料流，一个氧化一个燃料流，一个氧化剂剂流和一种非反流和一种非反应应次要流。次要流。注意：非注意：非预预混模型混模型仅仅能由分离求解器求解，不支持耦合求解器求解。能由分离求解器求解，不支持耦合求解器求解。8 8.图示为不能用非预混模型模拟的预混结构 9 9.B.特特别别反反应类应类型型a.液体燃料或煤燃烧的非预混模型 如果在模拟中包括小液滴或煤颗粒，可以应用非预混模型。在液体情况下，以求解域里蒸发的液体燃料作为一个燃料混合分数。在为煤的情况下，挥发物和焦炭产物可被定义为两种不同的燃料类型 （用两个混合分数）或这定义为单一废气成分（用一个混合分数），b.带有废气循环的非预混模型 非预混模型解决的多数问题只包含纯氧化剂和纯燃料（f=0或f=1）的入口，当有废气循环时，情况发生变化。有一个混合分数中间值（0f1）入口，这个入口代表一个完全的反应的混合物，并提供混合分数中间值。1010.由于f为一个守恒量，废气循环入口处的混合分数可计算作或式中：fexit为出口混合分数（和废气循环入口处的混合分数），为氧化剂入口的质量流量速率，为燃料入口的质量流量速率，为循环入口的质量流量速率。(30)(31)1111.如果包括次要流，则为带有废气循环的非预混模拟示意图(32)(33)1212.四四.非非预预混模混模拟拟方法的具体方法的具体细节细节n n混合分数及与其相关的量与式混合分数及与其相关的量与式混合分数及与其相关的量与式混合分数及与其相关的量与式n n描述系描述系描述系描述系统统统统化学反化学反化学反化学反应应应应的模型的模型的模型的模型 n n湍流化学反湍流化学反湍流化学反湍流化学反应应应应相互作用的相互作用的相互作用的相互作用的PDFPDF模模模模拟拟拟拟n n非非非非预预预预混模型的非混模型的非混模型的非混模型的非绝热绝热绝热绝热拓展拓展拓展拓展 1313.（一）混合分数及与其相关的量与式（一）混合分数及与其相关的量与式 混合分数定混合分数定义义 Denition of the Mixture Fraction：混合分数就是在所有组分（CO2、H2O、O2等）里，燃烧和未燃烧 的燃料流里的元素（C、H等）的局部质量分数。即来源于燃料流的元 素质量分数，这个质量分数包括所有来自燃料流的元素，包括惰性组 分，N2，也包括与燃料混合的氧化性组分，如O2。这个值是守恒的。混合分数可根据原子质量分数写为：式中：Zi元素i的元素质量分数。下标ox表示氧化剂流入口处的值，fuel表示燃料流入口处的值。(1)1414.在有次要流（secondary stream）参与的流动中，燃料和次要流混合分数简化为燃料和次要流的质量分数，系统中fuel,secondary stream,and oxidizer这三种质量分数的和总是等于1：这表明在混合分数空间中只有在平面ABC（见图1）上的点有效。因此，这两个 混合分数，ffuel和fsec不能独立变化；他们的值仅在如果他们位于图1所示三角 形OBC里面时才有效。(2)1515.FLUENT离散三角形离散三角形OBC如如图图所示。本来所示。本来对对于于单单一混合分数情形，原一混合分数情形，原始混合分数始混合分数ffuel允允许许在在0到到1之之间变间变化，而化，而对对次要混合分数，当其位于次要混合分数，当其位于线线上上时时，根据下列方程确定，根据下列方程确定fsec：式中：式中：psec标标准次要混合分数，准次要混合分数，为为直直线线与次要混合分数与次要混合分数轴轴交叉点交叉点处处的的值值。图14.1.2 ffuel,fsec,and psec之间的关系与fsec不同的是，psec的取值限制在0到1之间，与ffuel的值无关(3)1616.混合分数的混合分数的输输运方程运方程 Transport Equations for the Mixture Fraction对对对对于湍流而言，因其紊于湍流而言，因其紊于湍流而言，因其紊于湍流而言，因其紊态对态对态对态对流流流流远远远远远远远远超超超超过过过过分子分子分子分子扩扩扩扩散，所以在相同散，所以在相同散，所以在相同散，所以在相同扩扩扩扩散率的散率的散率的散率的假假假假设设设设下，下，下，下，组组组组分方程可被减少分方程可被减少分方程可被减少分方程可被减少为为为为一个一个一个一个单单单单一的关于混合一的关于混合一的关于混合一的关于混合组组组组分分分分f f的方程。的方程。的方程。的方程。a.平均（平均（时间时间平均）混合分数方程平均）混合分数方程为为：源源项项Sm仅仅指指质质量由液体燃料滴或反量由液体燃料滴或反应颗应颗粒（如煤）粒（如煤）传传入气相中。入气相中。Suser为为任何用任何用户户定定义义源源项项。(4)1717.b.关于平均混合分数均方关于平均混合分数均方值值 的守恒方程的守恒方程式中：式中：常数、Cg和和Cd分分别别取取0.85，2.86和和2.0，Suser为为用用户户定定义义源源项项。混合分数均方混合分数均方值值用在描述紊流化学反用在描述紊流化学反应应的封的封闭闭模型中模型中 (5)1818.c.对于一个二混合分数问题，用 和和 分分别别代替方程代替方程a a和和b b中的中的 和和 得到和 。因此用方程 可计算 用 代替代替 ，解方程，解方程 b b 可得到可得到 。根据次流的根据次流的总总量与量与总质总质量量流率相比相流率相比相对对要小要小这这一事一事实实，用 而不是 解方程解方程证证明是明是对对的。的。1919.大大涡涡模模拟拟（LES）非）非预预混模型混模型 The NonPremixed Model for LES a.对大涡模拟（LES），解一个关于平均混合分数的方程，该方程除了 为次网格尺度粘度以外，形式上与方程(4)相同 b.混合分数均方值 式中：Cvar用户可调节常数；Lsgs次网格尺度。(6)2020.考考虑虑一个一个简单简单的燃的燃烧烧系系统统，包括一种燃料流（，包括一种燃料流（F F），一种氧化），一种氧化剂剂流（流（OO）和一种）和一种产产物流（物流（P P），在化学当量比条件下，用符号表示），在化学当量比条件下，用符号表示为为：混合分数与平衡比的关系混合分数与平衡比的关系 Mixture Fraction vs.Equivalence Ratio式中r为质量基础上的空气燃料比。将平衡比表示为，式中(7)(8)2121.在多数普通混合条件下，简单简单的燃的燃烧烧系系统统方程可被写成：观察方程的左边，系统作为一个整体的混合分数可被推得为：这是一个非常重要的结果，允许在化学当量条件下 （）或者在富燃料条）或者在富燃料条件下件下 （例如例如 ）计计算混合分数算混合分数 (9)(10)2222.f与与组组分分质质量分数、密度及温度之量分数、密度及温度之间间的关系的关系Relationship of f to Species Mass Fraction,Density,and Temperature a.绝热反应系统 单一的燃料氧化剂系统，质量分数、密度 和温度的瞬时值仅依赖于瞬时混合分数f：包括一个次要流，瞬时值将依赖于瞬时燃料混合分数ffuel和次要部分分数psec：代表瞬时组分质量分数、密度或温度(11)(12)2323.a.非绝热反应系统 对于单一混合分数系统，这种关系概括为：包括一个次要流的情况 式中H*为瞬时焓 (13)(15)(14)2424.（二）描述系（二）描述系统统化学反化学反应应的模型的模型 Models Describing the System ChemistryModels Describing the System Chemistry A.火焰面近似火焰面近似值值the flame sheet approximation （混合的就是燃（混合的就是燃烧烧的，的，mixedisburned）：）：最最简单简单的反的反应类应类型型,这这种方法假种方法假设设化学反化学反应应无限快，不可逆，无限快，不可逆，燃料和氧化燃料和氧化剂组剂组分在空分在空间间中永中永远远不共存，并且一步完全不共存，并且一步完全转转化化 为为最最终产终产物。物。这这种描述允种描述允许组许组分分质质量分数用量分数用给给定的反定的反应应化学化学 当量直接确定，而不需要反当量直接确定，而不需要反应应率或者化学平衡信息。率或者化学平衡信息。这这种种简简 单单的系的系统统描述的描述的组组分分质质量分数和混合分数之量分数和混合分数之间间服从直服从直线线关系，关系，如如图图 应应用火焰面近似用火焰面近似值值得到得到的的组组分分质质量分数和量分数和焓焓 2525.由于不需要反由于不需要反应应率或者平衡率或者平衡计计算，火焰面近似算，火焰面近似值值可以很容易地并且快速的可以很容易地并且快速的计计算出。然而，火焰面近似算出。然而，火焰面近似值值模型受限于一步反模型受限于一步反应应的的预测预测，不能，不能预测预测中中间间组组分形成或离解效分形成或离解效应应。这经这经常会常会导导致致严严重重过过高高预测预测火焰峰火焰峰值值温度，特温度，特别别是是那些涉及高温的系那些涉及高温的系统统（例如，（例如，预热预热或者富氧）。或者富氧）。B.平衡假平衡假设设Equilibrium Assumption：平衡模型假：平衡模型假设设化学反化学反应应足足够够迅速迅速C.以使化学平衡以使化学平衡总总保持在分子水平上。根据最小吉布斯自由能法保持在分子水平上。根据最小吉布斯自由能法则则，可由，可由f 来来计计D.算算组组分摩分摩尔尔分数。分数。图显图显示甲示甲烷烷在空气中的燃在空气中的燃烧烧中一个包括中一个包括10种种组组分的反分的反应应系系E.统统的摩的摩尔尔分数。分数。由于其能由于其能预测预测中中间组间组份的生成以及不需份的生成以及不需要要详细详细的化学的化学动动力学比率数据的知力学比率数据的知识识，因此平衡模型很有效。因此平衡模型很有效。FLUENT会根据会根据化学平衡化学平衡预测预测每一种每一种组组分的摩分的摩尔尔分数。分数。2626.FLUENT允允许对许对那些瞬那些瞬时时混合分数低于指定富限混合分数低于指定富限frich以下的情况限制以下的情况限制完全平衡完全平衡计计算。在富燃料区域（如，算。在富燃料区域（如，平衡比大于大于1.5），当瞬），当瞬时时混合分混合分数超数超过过frich，FLUENT就假定燃就假定燃烧烧反反应应熄熄灭灭，未燃燃料与已反，未燃燃料与已反应应物物质质共存。在共存。在这这种富燃料区域内，在已知混合分数种富燃料区域内，在已知混合分数值值下的下的组组分，由限制混合分，由限制混合（f=frich）和已知化学当量的燃料入口流（）和已知化学当量的燃料入口流（f=1）组组成成计计算。化学当算。化学当量既可人量既可人为给为给出，也可由在富限（出，也可由在富限（f=frich）处处的化学平衡自的化学平衡自动动确定。确定。本方法，即本方法，即部分平衡法部分平衡法，允，允许许在富火焰区域在富火焰区域绕过绕过复复杂杂的平衡的平衡计计算。富火算。富火焰区复焰区复杂杂的平衡的平衡计计算耗算耗时时且可能不代表真正的燃且可能不代表真正的燃烧过烧过程。当需要完全平程。当需要完全平衡法衡法时时，可以，可以简单简单定定义义富限富限为为frich1.0。平衡平衡计计算中包括的算中包括的组组分必分必须须存在于存在于prePDF访问访问的化学数据的化学数据库库中。中。注：化学平衡注：化学平衡计计算中包含的算中包含的组组分分应该应该可能不含可能不含NOx组组分，因分，因为为NOx反反应应率慢，不率慢，不应应用平衡假用平衡假设对设对待。待。为为此，采用了此，采用了FLUENT NOx后后处处理器中集成的有限率化学理器中集成的有限率化学动动力学最精确地力学最精确地预测预测NOx浓浓度。度。2727.C.非平衡化学反非平衡化学反应应Non-Equilibrium Chemistry (小火焰模型小火焰模型(Flamelet Model)：在非平衡效在非平衡效应应的非常重要的燃的非常重要的燃烧烧模型中，假定局部化学平衡会模型中，假定局部化学平衡会导导致不真致不真实实的的 结结果。平衡假果。平衡假设设被打破的典型例子是模被打破的典型例子是模拟拟碳碳氢氢化合物火焰的富化合物火焰的富边边，预测预测控制控制 NOx生成的中生成的中间组间组分以及模分以及模拟拟射流火焰的射流火焰的lift-off和和blow-off现现象。象。在众多在众多实实践的基践的基础础上，有几种方法上，有几种方法对对克服克服这这些模些模拟拟困困难难有用：在有用：在FLUENT中，中，部分平衡富限限制法部分平衡富限限制法（B所所讲讲的的）能被用来模）能被用来模拟拟碳碳氢氢化合物火焰的富燃料化合物火焰的富燃料边边；而而小火焰模型小火焰模型是解决此是解决此类问题类问题更更为为一般的解决方法。一般的解决方法。2828.方程1115描述了平衡、小火焰或mixed is burned化学反应模型给中，混合分数与组分质量分数、密度和温度之间的瞬时关系。然而，FLUENT对预测紊态反应流动关心的是预测这些脉动量的时间平均值。这些时间平均值与依赖于湍流化学反应相互作用模型的瞬时值是如何相关的呢？当应用非预混模拟方法时，FLUENT应用假设分布几率密度函数法（PDF）作为封闭模型。本节将描述PDF封闭模型。（三）湍流化学反（三）湍流化学反应应相互作用的相互作用的PDF模模拟拟 PDF Modeling of Turbulence-Chemistry Interaction PDF Modeling of Turbulence-Chemistry Interaction 概率密度函数p(f)，描述了湍流中f的瞬时脉动值，拥有非常 有益的属性，即他可被用于计算依赖于f 的变量的时间平均值 A.概率密度函数概率密度函数p(f)2929.概率密度函数概率密度函数p(f)可被考可被考虑为虑为流流动动花在状花在状态态f f的的时间时间分数分数。图阐图阐明了明了这这一概念。一概念。F F 的脉的脉动值绘动值绘在在图图的右的右边边，依，依赖赖于一定范于一定范围围的一些的一些时间时间分数。分数。p p(f f)，绘绘在在图图左左边边，表，表现现出在出在这这段范段范围围内曲内曲线线下面下面积值积值，与，与f f在在这这 段范段范围围内的内的时间时间分数相等。分数相等。函数函数p p(f f)的分布依的分布依赖赖于于f f中湍流脉中湍流脉动动的的 本本质质。实际实际上，上，p p(f f)被表示被表示为为一个数学函数，近似一个数学函数，近似为试验为试验中中观观察察 到的到的PDFPDF形状。形状。写成数学型式，即式中：T时间尺度，f 花在段内的时间总量。(16)3030.B.摩摩尔尔分数和温度以及密度的分数和温度以及密度的时间时间平均平均值值(在在绝热绝热系系统统中中)a.单一混合分数系统 摩尔分数和温度的时间平均值可被计算为 密度的时间平均值(18)(17)3131.式中：p1为ffuel的PDF，p2为psec的PDF。这里，假定ffuel和psec具有统计独立性，那么p(ffuel,psec)=p1(ffuel)p2(psec)。b.当存在次要流时 摩尔分数和温度的时间平均值可被计算为:密度的时间平均值:或为用气体定律方程中瞬时组分摩尔分数和温度得到的瞬时密度(19)(20)3232.C.PDF形状形状 在FLUENT中假定的PDF,其形状p(f)，由两个数学函数中的一个来描述：函数最接近实验观察到的PDF 这些函数产生的分布仅依赖于平均混合分数 及其变化量 之所以选择这些函数，是建立在浓度实验测量的基础之上的 下面详细介绍每一个函数 容易计算,精度总是比 函数低 如能确定函数p(f)（或者p1(ffuel)和p2(psec)）的形状，再运用以上方程就能够确定流体中每点各自的时间平均状态参数。下面对pdf形状进行分析双 函数3333.a.双 函数PDF（The Double Delta Function PDF）双 函数PDF可由下列方程组确定通过给定f=1和f=0附近的合适的边界，精度所限，双 函数PDF仅能用在特殊环境中(21)3434.双 函数PDF形状例子 3535.b.函数PDF（The Function PDF）函数PDF形状通过下述函数给定：式中：(22)(23)(24)3636.函数PDF形状 3737.FLUENT通过方程4，5确定流场中每一点处 和 的预测值，由此可以算出PDF形状，再用方程1720来确定组分质量分数、密度和温度的时间平均值。图描述了单一混合分数的逻辑依赖关系。以及化学反应模型的逻辑依赖关系（绝热，单一混合分数系统）平均标量 关于 ，小小结结：3838.(四四)非非预预混模型的非混模型的非绝热绝热拓展拓展 Non-Adiabatic Extensions of the Non-Premixed Model 许多反应系统通过对流和辐射换热对壁面、小滴或者颗粒进行热传导。在这样的流动中，局部热化学状态不再仅与f有关，还与焓H有关。系统焓影响着化学平衡计算和反应之后的流体温度。因此，当由混合分数计算标量时，必须考虑由于热损失引起的焓的变化。a.单一混合分数系统的依赖关系变为 在这样的非绝热系统中，应当利用一个联合概率密度函数 p(f,H*)来考虑紊动脉动。然而，对多数工程应用来说，p(f,H*)的计算不可行。A.非非绝热绝热下下质质量分数、密度和温度的瞬量分数、密度和温度的瞬时值时值与与f的关系的关系(25)H*由方程15给定 3939.通过假定焓的脉动独立于焓的级别，可对问题可进行重要的简化，得到p=p(f)及 The problem can be simplified significantly by assuming that the enthalpy fluctuations are independent of the enthalpy level(heat losses do not significantly impact the turbulent enthalpy fluctuations)因此在非绝热系统中 的确定需要解时间平均焓的模拟输运方程：式中源项Sh考虑了对墙边界的辐射、传热以及与第二相之间的热交换。(26)(27)4040.图描述了关于FLUENT中对非绝热单一混合分数系统里的 ,以及 预测的平均标量值（组分质量分数，密度和温度）的逻辑依赖关系。b.当系统包括次要流时，标量依赖关系变为：平均值的计算为：(28)(29)4141.（1）存在壁面传热以及辐射的系统需用PDF模型的非绝热扩展部分。（2）燃料或氧化剂有多个入口，且入口处各组温度不同，或者存在废气循 环的系统需用非绝热模型。（3）在载有粒子的流动中（例如，液体燃料系统或煤燃烧系统）需用非绝热模型，因为载有粒子的流动含有对分散相的传热。下图阐明了几种必须包括PDF模型的非绝热形式的系统。B.B.需使用非需使用非绝热绝热模型的模型的类类型型(a)到主边界的传热和或辐射传热4242.（b）不同温度的多燃料和氧化剂入口（c）分散相传热传质（如，液体燃料或煤燃烧）注：即使系统是非绝热的，在作初始练习时，可以对其进行简单的绝热计算，这是一种有效的方式来限制非绝热分析。4343.三三.非非预预混模混模拟拟的的计计算算n n基本概念n nprePDF中问题的定义顺序 n nFLUENT中非预混模型输入和解决顺序 n n模拟液体燃料燃烧 4444.FLUENT软件包为模拟非预混平衡化学反应提供了两种不同方法。既可以选择单一混合分数法，也可以选择二混合分数法，这依赖于有多少个流（stream）。PrePDF储存“lookup tables”中关于流的信息，这些信息随后被FLUENT用来解混合分数、焓以及各种标量。4545.（一）基本概念（一）基本概念1.prePDF预处预处理器理器为保持计算时间最小，非预混模型中多数的计算 通过在FLUENT模拟以外用单独代码预处理化学计 算并进行PDF积分，这称为prePDF。（1 1）单单单单一混合分数一混合分数一混合分数一混合分数时时时时prePDFprePDF的的的的执执执执行行行行 图图解解释释了了计计算是如何在算是如何在预处预处理器（理器（prePDFprePDF）和求解器（）和求解器（FLUENTFLUENT）间间分分开的。开的。prePDFprePDF执执行行计计算算时时，先，先选选定化学模型，再定化学模型，再联联合一系列方程合一系列方程1717，1818和和或或2626进进行行积积分，分，这这些些积积分在分在prePDFprePDF中中执执行并将行并将结结果果储储存在存在查询查询表中。表中。注：表格中采用比例化的混合分数（scaled mixture fraction）变量，定义为(33)4646.（2 2）二混合分数）二混合分数）二混合分数）二混合分数时时时时prePDFprePDF的的的的执执执执行行行行 对对二混合分数（次要流）的情况，二混合分数（次要流）的情况，prePDFprePDF预处预处理器理器计计算温度、密度和算温度、密度和组组分分质质量分数（量分数（1212或或1414）的瞬）的瞬时值时值，并将他，并将他们储们储存在存在查询查询表中。表中。图图示示为为对对二混合二混合分数情况分数情况FLUENTFLUENT和和prePDFprePDF间间的的计计算任算任务务分割。分割。4747.2.2.查询查询查询查询表表表表 给给定在流域中一点上定在流域中一点上 和和 的的FLUENTFLUENT预测值预测值，由表中可，由表中可获获得得该该点点处处的的时间时间平均平均质质量分数，量分数，时间时间平均密度和平均密度和时间时间平均温度（平均温度（）。查询查询表表为为prePDFprePDF的的计计算算结结果果 。每一个标量（组分质量分数，密度，温度），只有一个这样的查询表。图中的表是方程1717积分的数学结果 a.a.绝热绝热系系统查询统查询表表FLUENT首先用方程33计算比例化的混合分数变化量,因为单一混合分数查询表中包含的是作为 和 函数的属性数据，而不是作为 和 函数的属性数据。4848.对于一个二混合分数系统，将为作为燃料混合分数和次要流部分分数（方程1212）函数的标量属性 建立一个查询表 4949.b.b.非非绝热绝热系系统统三三维查询维查询表表 在非在非绝热绝热系系统统中，中，焓焓与混合分数不成与混合分数不成线线性关系，但是也依性关系，但是也依赖赖于于墙墙的的传传热热和或和或辐辐射，需要射，需要为为每一个系每一个系统统中可能的中可能的焓值焓值建立建立查询查询表。表。结结果是果是建成三建成三维维的的查询查询表，如表，如图图所示，所示，图图由二由二维维表表层组层组成，每一成，每一层层都相都相应应正正常的常的热损热损或增或增热热。第一。第一层层或片相或片相应应于系于系统统的最大的最大热损热损失，在那里失，在那里查询查询表中所有的点表中所有的点为问题为问题建立中定建立中定义义的最低温度。最高片相的最低温度。最高片相应应于当所有点于当所有点已已经经达到定达到定义义的最高温度的最高温度发发生生时时的增的增热热。零。零热损热损增增热热片相片相应应于于绝热绝热运算。插入运算。插入绝热绝热和最高片之和最高片之间间的片相的片相应应于增于增热热，插入，插入绝热绝热和最低片之和最低片之间间的片相的片相应应于于热损热损。单单一混合分数一混合分数问题问题,三三维维表是方程表是方程2626积积分的可分的可视视化表化表现现 对对二混合分数二混合分数问题问题，三，三维维表是方程表是方程2828的可的可视视化表化表现这现这些瞬些瞬时值时值用来完用来完成方程成方程14.12914.129的的积积分分 The first layer or slice corresponds to the maximum heat loss for the system where all the points in the lookup table are at the minimum temperature defined in the problem setup.The maximum slice corresponds to the heat gain that occurs when all points have reached the maximum temperature defined.5050.在非绝热单一混合分数系统中，查询表的可视化表现 在非绝热二混合分数系统中，作为ffuel,psec函数的标量 查询表和正常热损增热的可视化表现 5151.c.查询表格式总结 模型模型类类型型绝热绝热非非绝热绝热单单一混合一混合分数分数二混合分二混合分数数补充说明：对单一混合分数问题，查询表为prePDF的计算结果。它储存着方程14（或26）和19积分的结果。查询表将被FLUENT用来根据混合分数值，混合分数变化量值，和焓值来确定在FLUENT计算反应流动过程中被计算的平均组分质量分数，密度和温度。5252.prePDF中问题的定义顺序见help5353.FLUENT中非预混模型输入和解决顺序 见help5454.谢 谢 ！再见！55.