第五章 无预混燃烧

本章针对天然气在一个300 kW的漩涡稳定燃烧器中燃烧的情况进行计算。该炉为垂直发射、八边形横截面，包含一个圆锥形的炉罩和一个圆柱形的排气管。炉壁采用耐火材料内衬或水冷。燃烧器包含24径向燃料端口和一个中心挡板。空气经由一个环形入口引入，可动漩涡产生器用于产生漩涡。

燃烧室为一个二维轴对称假设的燃烧器，其尺寸示意图如图5-1所示。各边界的输入曲线，气体的速度入口边界条件和温度边界条件均基于实验数据。

图5-1 燃烧室尺寸

在无预混燃烧中，燃料和氧化剂以相异流进入反应区，这与预混燃烧系统截然不同。在预混燃烧系统中，反应物在燃烧以前以分子水平混合。无预混燃烧的例子包括甲烷燃烧、粉煤炉和内部燃烧柴油（压缩）发动机。

在一定假设条件下，热化学可减少为一个单一的参数——混合分数。混合分数用f表示，是来自燃料流的质量分数。换句话说，混合分数就是在所有组分（如CO2、H2O、O2等）里，燃烧和未燃烧燃料流元素（如C、H等）的局部质量分数。因为化学反应中的元素是守恒的，所以这种方法极好。反过来，质量分数是一个守恒的数量，因此其控制输运方程不含源项。燃烧被简化为一个混合问题。一经混合，即可用层流小火焰（Laminar Flamelet）模型将化学反应模拟成为化学平衡或近化学平衡。

1．平衡混合分数/PDF模型

无预混模拟方法包括解一或两个守恒量（混合分数）的输运方程，不解单个组分方程。而每个组分的浓度通过预混分数场得到。热化学计算在prePDF中进行，并列成表，以便于在FLUENT中查询。紊流和化学的相互作用考虑为一个概率（几率）密度函数（PDF）。

2．无预混方法的优点

无预混模拟方法已被明确用于模拟进行快速化学反应的紊态扩散火焰的研究。无预混模型允许预测中间（基本）组分、溶解效应和严格的紊流化学耦合。因为不需要解大量的组分输运方程，该方法在计算上很有效。当潜在的假设有效时，无预混方法要优先于有限率公式。

3．无预混方法的局限

无预混方法仅能用于当反应流动系统满足以下几个要求时：

1）流动是湍流。
2）反应系统包括一个燃料流、一个氧化剂流，并且随意包括一个次要流（另外一个燃料或氧化剂，或者一个非反应流）。
3）化学动力学必须迅速，以使流动接近化学平衡。

注意：无预混模型仅能与分离求解器使用，不能与耦合求解器使用。