ansys教學算例集fl使用非預(yù)混模型對berl燃燒器內(nèi)的氣相進行分析

使用非預(yù)混模型對BERL燃燒器內(nèi)的氣相燃燒進行分析算例來源：ANSYS官方算例算例制作：崔亮算例校核：關(guān)鍵詞：摘要本算例使用ANSYSFluent19.1軟件中的非預(yù)混燃燒模型，對BERL燃燒器（300KW）內(nèi)的天然氣燃燒過程進行仿真。文檔內(nèi)包含詳細的網(wǎng)格導入、模型選擇、材料物性、邊界條件、求解參數(shù)和后處理的設(shè)置。通過仿真計算獲得BERL燃燒器內(nèi)的流場、溫度場、化學組分等結(jié)果。案例描述本算例仿真的是300KW的旋流穩(wěn)定燃燒器內(nèi)的天然氣燃燒火焰。爐內(nèi)垂直燃燒，橫截面為八邊形，具有錐形爐罩和圓柱形排氣管，爐壁為可耐火內(nèi)襯或水冷。燃燒器具有24個徑向燃料入口和中心的鈍體結(jié)構(gòu)，空氣通過環(huán)形入口引入，可移動的旋流塊用于產(chǎn)生渦流。燃燒器的幾何尺寸如下圖所示，使用二維軸對稱旋流模型對真實的三維爐膛進行簡化，以減少計算量。空氣入口的速度分布和爐膛側(cè)壁的溫度分布來源于實驗數(shù)據(jù)，并通過prof文件的方式加載。創(chuàng)建工作目錄并啟動Fluent在硬盤上創(chuàng)建英文名稱的文件夾（例如berl_non-premixed），將網(wǎng)格文件berl.msh以及其它需要用到的文件berl.pdf和f拷貝至該目錄下。啟動Fluent19.1，在FluentLauncher中，Dimension選擇2D，DisplayOptions中勾選DisplayMeshAfterReading和WorkbenchColorScheme，Options中勾選DoublePrecision，ProcessingOptions選擇Serial（用戶也可以根據(jù)現(xiàn)有的硬件資源和License授權(quán)酌情選擇合適的并行數(shù)），更改WorkingDirectory路徑至該網(wǎng)格文件目錄下，點擊OK啟動Fluent19.1。導入網(wǎng)格文件菜單中點擊【File】>【Read】>【Mesh…】，選取網(wǎng)格文件berl.msh，點擊OK導入網(wǎng)格。此時，圖形界面中可以查看導入的網(wǎng)格。General一般設(shè)置樹中點擊【Setup】>【General】>【Mesh】>【Scale…】，Scaling選擇ConvertUnits，MeshWasCreatedIn從下拉菜單中選擇mm，點擊Scale對網(wǎng)格進行縮放。注意Scale按鈕只能點擊一次，不能重復點擊。General一般設(shè)置（續(xù)）樹中點擊【Setup】>【General】>【Mesh】>【Check】，F(xiàn)luent開始對網(wǎng)格進行檢查，以米制為單位列出模型在XYZ各方向的尺寸范圍，并報告出網(wǎng)格中可能存在的問題。注意重點關(guān)注最小體積（minimumvolume）的數(shù)值，確保其為正值，因為Fluent無法對負體積的網(wǎng)格進行計算。同時注意觀察模型的尺寸范圍是否正確。General一般設(shè)置（續(xù)）樹中【Setup】>【General】，在Solver中選擇穩(wěn)態(tài)（Steady）、基于壓力的（Pressure-Based）求解器和AxisymmetricSwirl的2DSpace。Models模型設(shè)置樹中【Setup】>【Models】>【Energy】，鼠標右鍵點擊Energy，選擇On；或者鼠標左鍵雙擊Energy，在彈出的菜單中勾選EnergyEquation，點擊OK完成設(shè)置。Models模型設(shè)置（續(xù)）樹中【Setup】>【Models】>【Viscous】，鼠標左鍵雙擊Viscous，Model中選擇k-epsilon，k-epsilonModel中選擇Realizable，Near-WallTreatment中選擇StandardWallFunctions。點擊OK完成設(shè)置。Models模型設(shè)置（續(xù)）樹中【Setup】>【Models】>【Radiation】，鼠標左鍵雙擊Radiation，在彈出的RadiationModel窗口中選擇DiscreteOrdinates(DO)。在IterationParameters中，將EnergyIterationsperRadiationIteration修改為1。點擊OK關(guān)閉RadiationModel窗口。Models模型設(shè)置（續(xù)）樹中【Setup】>【Models】>【Species】，鼠標左鍵雙擊Species，彈出SpeciesModel窗口，在Model中勾選Non-PremixedCombustion，在PDFOptions中勾選InletDiffusion。在Chemistry選項卡中，StateRelation中選擇ChemicalEquilibrium，EnergyTreatment中選擇Non-Adiabatic，OperatingPressure中確認當前數(shù)值為101325，F(xiàn)uelStreamRichFlammabilityLimit中輸入0.064。Models模型設(shè)置（續(xù)）FuelStreamRichFlammabilityLimit的設(shè)置能夠進行“部分平衡”的計算，當混合分數(shù)超過所設(shè)定的Limit時，將暫停平衡計算，這能夠提高PDF的計算效率，繞過富燃料區(qū)的復雜平衡計算，而且比完全平衡假設(shè)更加接近實際。對于FuelStreamRichFlammabilityLimit的取值，一般是化學計量混合分數(shù)的1.1-1.5倍，本算例中的化學計量分數(shù)為0.058，因此該值為0.058的1.1倍，即0.064。Models模型設(shè)置（續(xù)）切換到Boundary選項卡中，在BoundarySpecies中輸入c2h6并點擊Add按鈕，可以看到c2h6已經(jīng)添加到Species列表中。繼續(xù)在BoundarySpecies中依次輸入c3h8、c4h10、co2并依次點擊Add按鈕，將c3h8、c4h10、co2也添加到Species列表中。在Temperature中的Fuel輸入315，Oxid輸入315，在SpecifySpeciesin中勾選MoleFraction。在ch4的Fuel列中輸入0.965，在n2的Fuel列中輸入0.013，在c2h6的Fuel列中輸入0.017，在c3h8的Fuel列中輸入0.001，在c4h10的Fuel列中輸入0.001，在co2的Fuel列中輸入0.003。在n2和o2的Oxid列中保留默認值。Models模型設(shè)置（續(xù)）切換到Control選項卡中，保留默認的設(shè)置。Models模型設(shè)置（續(xù)）切換到Table選項卡中，保留默認的設(shè)置，點擊CalculatePDFTable。待計算完成后，在主菜單中點擊【File】>【W(wǎng)rite】>【PDF…】，彈出SelectFile窗口，在PDFFile中保留默認的名稱berl.pdf，點擊OK保存概率密度函數(shù)PDF文件。Models模型設(shè)置（續(xù)）繼續(xù)在Table選項卡中，點擊DisplayPDFTable…按鈕，彈出PDFTable窗口，點擊Display，顯示三維查詢表。點擊Close關(guān)閉PDFTable窗口，點擊OK關(guān)閉SpeciesModel窗口。Models模型設(shè)置（續(xù)）在最左側(cè)的樹中，鼠標左鍵雙擊【Setup】>【Materials】，進行材料物性設(shè)置。在Materials的TaskPage中點擊【Mixture】>【pdf-mixture】>【Create/Edit…】，彈出Create/EditMaterials窗口，將AbsorptionCoefficient修改為wsggm-domain-based。點擊Change/Create按鈕，再點擊Close關(guān)閉Create/EditMaterials窗口。當使用非預(yù)混模型時，氣相的所有熱力學數(shù)據(jù)，包括密度、比熱和生成焓都從化學數(shù)據(jù)庫中提取，這些物性會自動傳輸?shù)交旌衔飌df-mixture的材料物性中，因此僅需定義輸運屬性即可，例如導熱系數(shù)和粘性。BoundaryConditions設(shè)置空氣入口的速度分布和爐膛側(cè)壁的溫度分布來源于實驗數(shù)據(jù)，并通過prof文件的方式加載。菜單中點擊【File】>【Read】>【Profile…】，讀入f文件。BoundaryConditions設(shè)置（續(xù)）在最左側(cè)的樹中，鼠標左鍵雙擊【Setup】>【BoundaryConditions】，進行邊界條件的設(shè)置。在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中air-inlet-4，確認其Type是velocity-inlet，如果不是，從Type的下拉菜單中切換選擇。點擊【Edit…】，彈出VelocityInlet窗口，在Momentum選項卡中，VelocitySpecificationMethod選擇Components，Axial-Velocity下拉菜單中選擇vel-profu，Swirl-Velocity下拉菜單中選擇vel-profw，Turbulence中的SpecificationMethod選擇IntensityandHydraulicDiameter，TurbulentIntensity輸入17，HydraulicDiameter輸入0.029。切換到Thermal選項卡，Temperature輸入312。切換到Species選項卡，保留默認的設(shè)置。點擊OK完成設(shè)置。BoundaryConditions設(shè)置（續(xù)）在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中fuel-inlet-5，確認其Type是velocity-inlet，如果不是，從Type的下拉菜單中切換選擇。點擊【Edit…】，彈出VelocityInlet窗口，在Momentum選項卡中，VelocitySpecificationMethod選擇Components，Radial-Velocity中輸入157.25，Turbulence中的SpecificationMethod選擇IntensityandHydraulicDiameter，TurbulentIntensity輸入5，HydraulicDiameter輸入0.0018。切換到Thermal選項卡，Temperature輸入308。切換到Species選項卡，在MeanMixtureFraction中輸入1。點擊OK完成設(shè)置。BoundaryConditions設(shè)置（續(xù)）在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中poutlet-3，確認其Type是pressure-outlet，如果不是，從Type的下拉菜單中切換選擇。點擊【Edit…】，彈出PressureOutlet窗口，在Momentum選項卡中，Turbulence中的SpecificationMethod選擇IntensityandHydraulicDiameter，TurbulentIntensity輸入5，HydraulicDiameter輸入0.6。切換到Thermal選項卡，BackflowTotalTemperature輸入1300。切換到Species選項卡，保留默認的設(shè)置。點擊OK完成設(shè)置。BoundaryConditions設(shè)置（續(xù)）在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中wall-6，點擊【Edit…】，彈出Wall窗口。切換到Thermal選項卡，ThermalConditions中選擇Temperature，Temperature輸入1370，InternalEmissivity輸入0.5。點擊OK完成設(shè)置。BoundaryConditions設(shè)置（續(xù)）在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中wall-7，點擊【Edit…】，彈出Wall窗口。切換到Thermal選項卡，ThermalConditions中選擇Temperature，Temperature輸入312，InternalEmissivity輸入0.5。點擊OK完成設(shè)置。BoundaryConditions設(shè)置（續(xù)）在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中wall-8，點擊【Edit…】，彈出Wall窗口。切換到Thermal選項卡，ThermalConditions中選擇Temperature，Temperature輸入1305，InternalEmissivity輸入0.5。點擊OK完成設(shè)置。BoundaryConditions設(shè)置（續(xù)）在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中wall-9，點擊【Edit…】，彈出Wall窗口。切換到Thermal選項卡，ThermalConditions中選擇Temperature，Temperature下拉菜單中選擇temp-proft，InternalEmissivity輸入0.5。點擊OK完成設(shè)置。BoundaryConditions設(shè)置（續(xù)）在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中wall-10，點擊【Edit…】，彈出Wall窗口。切換到Thermal選項卡，ThermalConditions中選擇Temperature，Temperature輸入1100，InternalEmissivity輸入0.5。點擊OK完成設(shè)置。BoundaryConditions設(shè)置（續(xù)）在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中wall-11，點擊【Edit…】，彈出Wall窗口。切換到Thermal選項卡，ThermalConditions中選擇Temperature，Temperature輸入1273，InternalEmissivity輸入0.5。點擊OK完成設(shè)置。BoundaryConditions設(shè)置（續(xù)）在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中wall-12，點擊【Edit…】，彈出Wall窗口。切換到Thermal選項卡，ThermalConditions中選擇Temperature，Temperature輸入1173，InternalEmissivity輸入0.5。點擊OK完成設(shè)置。BoundaryConditions設(shè)置（續(xù)）在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠標左鍵單擊選中wall-13，點擊【Edit…】，彈出Wall窗口。切換到Thermal選項卡，ThermalConditions中選擇Temperature，Temperature輸入1173，InternalEmissivity輸入0.5。點擊OK完成設(shè)置。SolutionMethods求解方法設(shè)置在最左側(cè)的樹中，鼠標左鍵雙擊【Solution】>【Methods】，進行求解方法的設(shè)置。Pressure-VelocityCoupling中的Scheme選擇Coupled，SpatialDiscretization中Gradient選擇LeastSquaresCellBased，Pressure選擇PRESTO!，TurbulentKineticEnergy選擇SecondOrderUpwind，TurbulentDissipationRate選擇SecondOrderUpwind，其它方程的離散格式保留默認。SolutionControls求解控制設(shè)置在最左側(cè)的樹中，鼠標左鍵雙擊【Solution】>【Controls】，進行求解控制的設(shè)置。在SolutionControls的TaskPage中，F(xiàn)lowCourantNumber修改為70，Under-RelaxationFactors中的Density修改為0.2，BodyForces修改為0.8，其余的松馳因子保留默認值。ReportDefinitions報告定義設(shè)置在燃燒器的出口邊界上定義平均溫度值的監(jiān)視，同時也可以用于判斷計算的收斂性。在最左側(cè)的樹中，鼠標左鍵雙擊【Solution】>【ReportDefinitions】，進行報告定義的設(shè)置。在彈出的ReportDefinitions窗口中，鼠標左鍵依次點擊【New】>【SurfaceReport】>【Mass-WeightedAverage…】。在新彈出的SurfaceReportDefinition窗口中，Name輸入report-temp-out，F(xiàn)ieldVariable修改為Temperature…>StaticTemperature，Surfaces中選擇poutlet-3，Create中勾選ReportPlot和PrinttoConsole。點擊OK完成設(shè)置。點擊Close關(guān)閉ReportDefinitions窗口。Monitors監(jiān)視設(shè)置樹中【Solution】>【Monitors】>【Residual】，鼠標左鍵雙擊Residual，進行殘差監(jiān)視的設(shè)置。在彈出的ResidualMonitors窗口中，確認Options中的PrinttoConsole和Plot已經(jīng)勾選，將ConvergenceCriterion修改為none。點擊OK完成設(shè)置。Initialization初始化樹中【Solution】>【Initialization】，鼠標左鍵雙擊Initialization，在TaskPage中確認InitializationMethods選擇為HybridInitialization，點擊Initialize按鈕進行初始化。RunCalculation運行計算樹中【Solution】>【RunCalculation】，鼠標左鍵雙擊RunCalculation，在TaskPage中的NumberofIterations輸入1500。點擊Calculate開始運行計算。RunCalculation運行計算（續(xù)）運行計算開始后，可以在視圖窗口中看到殘差曲線和監(jiān)視曲線隨迭代步數(shù)的變化。菜單中點擊【File】>【W(wǎng)rite】>【Case&Data…】，在Case/DataFile中輸入文件名berl_non-premixed.cas.gz，點擊OK保存Case和Data。Post-processing后處理在最左側(cè)的樹中，使用【Results】中的相關(guān)工具，對計算結(jié)果進行后處理。樹中【Results】>【Reports】>【Fluxes】，鼠標左鍵雙擊Fluxes，彈出FluxReports窗口，在Options中選擇MassFlowRate，Boundaries中選擇air-inlet-4、fuel-inlet-5和poutlet-3三個邊界，點擊Compute計算，從Results中可以看到質(zhì)量守恒性非常好，NetResults小于通過系統(tǒng)的總的質(zhì)量流率的0.5%。Post-processing后處理（續(xù)）繼續(xù)在FluxReports窗口中，在Options中選擇TotalHeatTransferRate，Boundaries中選擇所有的邊界，點擊Compute計算，從Results中可以看到能量守恒性較好，NetResults小于通過系統(tǒng)的總的熱流量的0.5%。Post-processing后處理（續(xù)）繼續(xù)在FluxReports窗口中，在Options中選擇TotalSensibleHeatTransferRate，Boundaries中選擇所有的邊界，點擊Compute計算，從HeatofReactionSource中可以看到，燃燒器內(nèi)的反應(yīng)放熱約為307KW，和預(yù)期的300KW非常接近。Post-processing后處理（續(xù)）樹中【Results】>【Reports】>【SurfaceIntegrals】，鼠標左鍵雙擊SurfaceIntegrals，彈出SurfaceIntegrals窗口，在ReportType中選擇Mass-WeightedAverage，F(xiàn)ieldVariable修改為Temperature…>StaticTemperature，Surfaces中選擇poutlet-3，點擊Compute計算，可以看到出口的平均溫度值為1459K。Post-processing后處理（續(xù)）在菜單中點擊【Viewing】>【Display】>【Views…】，彈出Views窗口，在MirrorPlanes中選中axis-2，點擊Apply按鈕。Post-processing后處理（續(xù)）樹中【Results】>【Graphics】>【Contours】，鼠標左鍵雙擊Contours，彈出Contours窗口，在Options中勾選Filled、NodeValues、GlobalRange和AutoRange，Coloring中選擇Smooth，Contoursof選擇Tempe