源自http://www.cfdyna.com/Home/OF_Combustion.html

漢化翻譯結(jié)果如下：

燃燒建模 - 理論與數(shù)值模擬

XiFoam、engineFoam、sprayEngineFoam、fireFoam、sprayFoam、reactingFoam 是 OpenFOAM 中與燃燒相關(guān)的一些實用程序。內(nèi)燃機(jī)、金屬和水泥行業(yè)中使用的工業(yè)爐可以通過深入了解那里使用的燃燒系統(tǒng)而受益匪淺。

燃燒是工程中最復(fù)雜的現(xiàn)象之一，需要處理湍流流體流動、輻射和對流傳熱、化學(xué)反應(yīng)和污染物形成、混合和淬火、顆粒破碎、蒸發(fā)和傳質(zhì)。內(nèi)燃機(jī)、金屬和水泥行業(yè)中使用的工業(yè)爐可以通過深入了解那里使用的燃燒系統(tǒng)而受益匪淺?；鹧媲颁h以低于聲速傳播的燃燒稱為湍流爆燃。爆轟通常是指火焰前鋒以高于音速的速度行進(jìn)。根據(jù)后面段落中顯示的圖像，可以很好地總結(jié)三種主要的燃燒模式。

OPENFOAM 中的 CFD 模擬和燃燒建模

除了在 OpenFOAM 中對任何 CFD 模擬進(jìn)行建模所需的標(biāo)準(zhǔn)文件和字典之外，還需要以下附加文件來專門對燃燒現(xiàn)象進(jìn)行建模。

燃燒是一種化學(xué)反應(yīng)。一般反應(yīng)表示為 aA + bB + ... → cC + dD + ... 其中 a、b、c、d... 是反應(yīng)物和產(chǎn)物的化學(xué)計量系數(shù)。該反應(yīng)的速率表達(dá)式為速率 ∝ [A]?x?[B]?y，其中指數(shù) x 和 y 可能等于也可能不等于反應(yīng)物的化學(xué)計量系數(shù)（a 和 b）。物質(zhì)的濃度通常表示為[kmole/m?3?]或[mole/cm?3?]或[mole/L]。該等式也可以表示為 Rate = dR/dt = k [A]?x?[B]?y其中 k 是比例常數(shù)，稱為速率常數(shù)。反應(yīng)速率的單位是 [kmole/ms?3?] 或 [mole/cm?3-s] 或 [摩爾/Ls]。反應(yīng)速率是物種破壞或產(chǎn)生的摩爾速率。摩爾值是最一致的，因為化學(xué)反應(yīng)必須處理原子守恒，如果不將每個值和情況與已知的工作溫度和壓力。術(shù)語化學(xué)計量是指“化學(xué)正確”或理論值。

請注意，化學(xué)計量比是指燃料和氧化劑都完全消耗的情況。該比率可以是摩爾數(shù)或質(zhì)量。零級反應(yīng)是指反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的零次方成正比。因此，速率 = dR/dt = k [R]?0。零級反應(yīng)相對不常見，但它們會在特殊條件下發(fā)生。一些酶催化的反應(yīng)和發(fā)生在金屬表面的反應(yīng)是零級反應(yīng)的幾個例子。氣態(tài)氨在熱鉑表面的分解是高壓下的零級反應(yīng)。

在“一級”反應(yīng)類別中，反應(yīng)速率與反應(yīng)物 R 的濃度成正比。速率 = dR/dt = k [R]?1。乙烯的氫化是一級反應(yīng)的一個例子。不穩(wěn)定核的所有自然和人工放射性衰變均按一級動力學(xué)發(fā)生。

一般碳?xì)浠衔锶剂?C x?H?y完全燃燒的平衡化學(xué)方程式由下式給出

C?x?H?y?+ (x + 0.25y)O?2?→ xCO?2?+ 0.5y×H?2?O

空氣是 20.9%（摩爾基礎(chǔ)）O 2和 79.1%（摩爾基礎(chǔ)）N?2的混合物。因此，對于燃燒所需的每摩爾氧氣，還必須引入 79.1/20.9 = 3.785 [摩爾] 氮氣。以質(zhì)量為基礎(chǔ)，空氣成分為 23.3% O?2和 76.7% N?2。因此，反應(yīng)也可以重寫為

C?x?H?y?+ (x + y/4) × (O?2?+ 3.785N?2?) → xCO?2?+ y/2 × H?2?O + 3.785(x + y/4) × N?2

筆記：

• 1 摩爾氧氣需要 1/0.209 = 4.785 [摩爾] 空氣，因此 1 摩爾燃料需要 (x + y/4) 摩爾氧氣。

• 每燃燒一摩爾燃料，需要 4.785(x + y/4) 摩爾空氣。因此，化學(xué)計量燃燒的燃料/空氣摩爾比為1 / [4。785(x + y/4)]?= 0.836/(4x + y)。

• 化學(xué)計量摩爾空燃比為 1.196×(4x + y)。對于甲烷 (CH?4?)，該比率為 1.196 × (4 × 1 + 4) = 5.98，對于辛烷 (C?8?H?18?)，該比率為 59.8

• 每燃燒一摩爾燃料 [4.?產(chǎn)生 785(x + y/4) + y/4] 摩爾的燃燒產(chǎn)物。氣體成分通常根據(jù)摩爾分?jǐn)?shù)報告，因為摩爾分?jǐn)?shù)不會像濃度（摩爾/單位體積）那樣隨溫度或壓力變化。

• 化學(xué)計量質(zhì)量?燃料/空氣比 = MW?FUEL?/ [(x+y/4) × (32 + 3.785 × 28] = MW?FUEL?/ [(x+y/4) × 137.98]。對于辛烷 (C?8?H?18?) ，比率為 114 / [(8 + 18/4)× 137.98] = 0.0661 [kg-fuel/kg-air] 其中 114 [kg/kmole] 是燃料的分子量。

• 化學(xué)計量質(zhì)量?空氣/燃料比 = [(x+y/4) × 137.98] / MW?FUEL。對于辛烷值 (C?8?H?18?)，比率為 [(8 + 18/4)× 137.98] / 114 = 15.1 [kg-air/kg-fuel]。甲烷的值為 17.2 [kg-air/kg-CH?4?]。

對于已經(jīng)含有氧原子的燃料，燃燒化學(xué)計量可寫為：

C?x?H?y?O?z?+ (x + y/4 - z/2) × (O?2?+ 3.785N?2?) → xCO?2?+ y/2 × H?2?O + 3.785(x + y/4 - z/2 )×?N2

當(dāng)量比是未燃燒物中燃料與氧化劑的比值與化學(xué)計量混合物的比值。即 φ = [F/A]?ACTUAL?/ [F/A]?STOICH。因此：在富燃料條件下 φ gt;?1) 和貧油條件 φ < 1?；瘜W(xué)計量比，λ = 1/φ。

過量空氣百分比：超過化學(xué)計量的空氣量稱為過量空氣。過量空氣百分比，%EA = 100 (1/φ -1) = 100 (λ -1)。因此：φ = 100 / [%EA + 100]。

燃燒焓或燃燒熱：燃燒單位量的燃料可以釋放的理想能量。反應(yīng)焓或反應(yīng)熱：必須以熱的形式提供的能量，以在反應(yīng)過程中使系統(tǒng)保持恒定的溫度和壓力。

富燃燒的全局方程：當(dāng)量比 φ > 1 是

C?x?H?y?O?z?+ [1/φ].(x + y/4 - z/2) × (O?2?+ 3.785N?2?) → [x/φ] CO?2?+ [y/2φ] × H?2?O + 3.785/φ.(x + y/4 - z/2) × N?2?+ (1 - 1/φ) × C?x?H?y?O?z

稀薄燃燒的全局方程 φ ≤ 1 是

C?x?H?y?O?z?+ [1/φ].(x + y/4 - z/2) × (O?2?+ 3.785N?2?) → xCO?2?+ y/2 × H?2?O + 3.785/φ.( x + y/4 - z/2) × N?2?+ (x + y/4 - z/2).(1/φ - 1) × O?2

阿倫尼烏斯方程可以準(zhǔn)確地解釋化學(xué)反應(yīng)速率對溫度的依賴性。它首先由荷蘭化學(xué)家 JH van't Hoff 提出，但瑞典化學(xué)家 Arrhenius 提供了其物理理由和解釋。k = Ae?-Ea/RT其中 A 是阿倫尼烏斯因子或頻率因子。它也被稱為前指數(shù)因子。它是特定反應(yīng)特有的常數(shù)。R 是氣體常數(shù)，Ea 是以 [J/mole] 為單位測量的活化能。

• v'?i,j?- 在反應(yīng) 'j' 中作為反應(yīng)物出現(xiàn)的物質(zhì) 'i' 的化學(xué)計量系數(shù)

• v''?i, k?- 在反應(yīng) j 中作為產(chǎn)物出現(xiàn)的物質(zhì) 'i' 的化學(xué)計量系數(shù)

• M?i?- 物種 i 的化學(xué)符號

• N?s?- 反應(yīng) j 中的物種數(shù)

• Wi?,j?- 反應(yīng) j 中物種 i 的生產(chǎn)率或破壞率

• k?f,i?- 反應(yīng) i 的正向反應(yīng)速率常數(shù)

• k?b,i?- 反應(yīng) i 的逆向反應(yīng)速率常數(shù)

• C?i?- 物種 i 的濃度

• a?i,j?- 反應(yīng) j 中反應(yīng)物 i 的速率指數(shù)

• b?i,j?- 反應(yīng) j 中產(chǎn)物種類 iI 的速率指數(shù)

• N?R?- 反應(yīng)數(shù)

• Wi?,j?- 反應(yīng)“j”中物種“i”的生產(chǎn)/破壞率

• Γ - 第三體對反應(yīng)速率的凈影響

• γ?ij?- 反應(yīng)“j”中物質(zhì)“i”的第三體效率

• K?EQ?j?- 反應(yīng) j 的平衡常數(shù)

OPENFOAM 中的燃燒變量

• 火焰起皺參數(shù) Xi [Ξ]是指比率 [St/Su]，其中 St 是湍流火焰（爆燃）速度，對象 Su 是層流火焰速度（3 種不同的模型：無應(yīng)變、平衡、運(yùn)輸）。預(yù)混層流火焰速度與 (α R) 0.5成正比，其中 α 是擴(kuò)散系數(shù)，R 是反應(yīng)速率。通過增加擴(kuò)散率和按比例降低反應(yīng)速率，可以在不改變層流火焰速度的情況下人為地增厚層流火焰。然后可以在粗網(wǎng)格上可行地解決增厚的火焰，同時仍然捕獲正確的層流火焰速度。另一方面，爆炸是超聲波引發(fā)二次爆炸的結(jié)果。

• 所有物種分?jǐn)?shù)均以質(zhì)量為基礎(chǔ)給出。

• constant/chemistryProperties?- 該案例的“constant”文件夾下的文件列出了初始化學(xué)時間步長、ODE 求解器和要使用的求解器屬性。

• constant/combustionProperties?- 這里列出了湍流化學(xué)相互作用模型和模型常數(shù)。燃料名稱 [例如丙烷、甲烷、異辛烷]、層流火焰速度、當(dāng)量比、XiModel、GuldersCoeffs、火花或點火區(qū)及其位置/大小/強(qiáng)度/持續(xù)時間、點火位置的燃料分?jǐn)?shù)等參數(shù)......通過指定這個文件。

• 常量/反應(yīng)- 本機(jī) OpenFOAM 格式（m?3、kmole、焦耳、K）或 CHEMKIN 格式（mol、cm?3、s、K；cal）的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)制通過此文件指定。實用程序 chemkinToFoam 可用于將 CHEMKINIII 熱力學(xué)和反應(yīng)數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為原生 OpenFOAM 格式。

• constant/thermo.compressibleGas?- 此處列出了反應(yīng)物和產(chǎn)物中涉及的化學(xué)物質(zhì)的熱物理數(shù)據(jù)。

• 初始和邊界條件，除了標(biāo)準(zhǔn)的 U、p、T 文件外，由 CH4、CO2、H2O、N2、O2 等附加文件指定，Ydefault 在 0/ 目錄中用于存儲化學(xué)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

• Ydefault為除 O2、N2 和燃料（例如 CH4、C7H16...）之外的所有物質(zhì)指定初始和邊界條件，這些物質(zhì)出現(xiàn)在反應(yīng)物或產(chǎn)物側(cè)的反應(yīng)機(jī)制中。

• ft是燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)即燃料/（燃料+氧化劑[通常是空氣]），fu是未燃燒的燃料分?jǐn)?shù)。

• 平均反應(yīng)回歸變量“b”——也稱為文件 0/b 中的歸一化燃料分?jǐn)?shù)指定所有流量入口處的無量綱溫度邊界條件：新鮮氣體 [未燃燒混合物] b = 1.0 和燃燒氣體 [燃燒混合物] b = 0.0 .?這是基于這樣的假設(shè)，即反應(yīng)實際上是瞬時的，因此該值在火焰前沿從 1 跳到 0。

  這類似于 CFX 中的反應(yīng)進(jìn)程變量“c”，它將流場細(xì)分為兩個不同的區(qū)域，燃燒混合物和未燃燒混合物。在 CFX 中，“c”被定義為預(yù)混流體反應(yīng)狀態(tài)的概率。例如，c = 0.8 表示給定位置的流體（氣體混合物）在 80% 的時間內(nèi)完全反應(yīng)，在剩余的 20% 的時間內(nèi)未反應(yīng)。燃燒區(qū)域 [c ~ 1] 被視為擴(kuò)散火焰，而未燃燒區(qū)域 [c ~ 0] 代表冷混合物。

• 對象 b 定義為 b = [T?BURNT-GAS?- T] / [T?BURNT-GAS?- T?FRESH-GAS?], Ξ = Flame Wrinkling Parameter

• 
  

• Tu：邊界和內(nèi)部場處未燃燒氣體的溫度由文件 0/Tu 中的對象 Tu 指定。

ANSYS FLUENT 具有 C 方程模型，它求解密度加權(quán)平均反應(yīng)進(jìn)程變量的傳輸方程，用c表示。表示從未燃燒到燃燒的反應(yīng)進(jìn)程的標(biāo)量變量用 c 表示，其中 c = 0 表示未燃燒的混合物，c = 1 表示完全燃燒的混合物。

除了 C 方程之外，F(xiàn)LUENT 使用 G 方程，它是預(yù)混合的火焰前鋒跟蹤模型?？梢酝ㄟ^將進(jìn)度變量的源項乘以表示拉伸不會熄滅火焰的概率的拉伸因子 G 來包括火焰拉伸效果。如果沒有拉伸 (G = 1)，火焰未熄滅的概率為 100%。S?c?[s?-1?= 反應(yīng)進(jìn)程源項 = 產(chǎn)品形成的歸一化平均速率。拉伸因子 G 是通過對湍流耗散率 ε 的對數(shù)正態(tài)分布進(jìn)行積分得到的。

可燃性極限和熱值

可燃性下限和上限（分別為 LFL 和 UFL）是空氣中可支持火焰?zhèn)鞑ゲ?dǎo)致爆炸的極限燃料濃度。超出這些限制的燃料濃度是不可燃的。對于燃燒情況，比化學(xué)計量混合分?jǐn)?shù)大 10% – 50% 的值可用于燃料流的富燃極限。類似地，極限氧氣濃度 (LOC) 是燃料、空氣和惰性氣體混合物中可傳播火焰的最低 O?2濃度。隨著 N 2等惰性氣體的濃度并且 He 增加，LFL 增加和 UFL 減少并且可能達(dá)到兩者重合的點。Le Chatelier 規(guī)則充分給出了氣體燃料混合物的可燃性下限 (LFL)：LFL?MIX?= 1 / Σ(η?i?/LFL?i?)。

當(dāng)可燃?xì)怏w [碳?xì)浠衔?、氫氣、制冷?..] 泄漏到可能存在點火源 [例如電插頭等熱表面] 的密閉空間時，可能會發(fā)生火災(zāi)和/或爆炸。制冷劑 R32 的 UFL 和 LFL 分別為 14.4% 和 29.3%（按體積計）[?National Refrigerants Inc 的安全數(shù)據(jù)表]。對于密閉空間，可燃性體積 FV 定義為 UFL 和 LFL 之間的泄漏氣體體積。這有助于估計發(fā)生火災(zāi)的可能性以及事件的嚴(yán)重程度。歸一化可燃性體積 (NFV) 是 FV 和體積與密閉空間的比率，它表示假定點火源隨機(jī)分布在整個房間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)/爆炸的概率。

通常表示為 [MJ/kg] 或 [MJ/m 3?]的總熱值或更高熱值 (HCV)定義為在等于 101325 [Pa] 的恒定壓力下完全燃燒產(chǎn)生的熱量單位氣體的體積或質(zhì)量，可燃混合物的成分取自參考條件，燃燒產(chǎn)物恢復(fù)到相同條件，假設(shè)燃燒產(chǎn)生的水被冷凝。用于天然氣工業(yè)的主要燃燒相關(guān)特性是沃泊指數(shù) W = HCV / d?0.5其中 d = 相對密度（無量綱）。

模擬物質(zhì)傳輸和有限速率化學(xué)

摘自 FLUENT 用戶指南：“通過求解描述每個組分種類的對流、擴(kuò)散和反應(yīng)源的守恒方程來混合和傳輸化學(xué)物質(zhì)?？梢阅M多個同時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)發(fā)生在體相（體積反應(yīng)）和/或在壁面或顆粒表面，以及多孔區(qū)域。在許多情況下，您不需要修改任何物理屬性，因為當(dāng)您選擇混合材料時，求解器會從材料數(shù)據(jù)庫中獲取物種屬性、反應(yīng)...。一些但是，屬性可能未在數(shù)據(jù)庫中定義。如果需要設(shè)置任何必需的屬性，您在選擇材料時會收到警告，然后您可以為這些屬性分配適當(dāng)?shù)闹??！?/p>

可以使用混合分?jǐn)?shù)方法（對于非預(yù)混系統(tǒng)）、反應(yīng)進(jìn)程變量方法（對于預(yù)混系統(tǒng)）、部分預(yù)混方法或成分 PDF 傳輸方法來模擬湍流反應(yīng)火焰。計算將假設(shè)除密度和比熱外的所有屬性都是常數(shù)。當(dāng)流動完全湍流時，恒定的傳輸屬性（粘度、熱導(dǎo)率和質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)）相當(dāng)準(zhǔn)確。與湍流傳輸相比，分子傳輸特性將發(fā)揮次要作用。

碳?xì)浠衔锶剂先紵龣C(jī)制共有四種基本反應(yīng)：

1. 點火（引發(fā)）

2. 傳播-鏈運(yùn)載

3. 傳播 - 鏈分支

4. 終止（滅絕）

OPENFOAM 中的燃燒求解器

與燃燒和化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的求解器有 reactingFoam、XiFoam、rhoReactingFoam、PDRFoam（孔隙度/分布電阻求解器，例如 HRSG 中的火焰在障礙物上的傳播——其開發(fā)由殼牌資助）、sprayFoam（以前稱為 dieselFoam）、reactingMultiphaseEulerFoam、反應(yīng)雙相歐拉泡沫。sprayFoma 模型流動涉及在三維域中與拉格朗日蒸發(fā)粒子（例如柴油發(fā)動機(jī)）的可壓縮反應(yīng)流。

reactingFoam

• 這是一種基于 PIMPLE 算法的瞬態(tài)不可壓縮求解器，用于氣態(tài)碳?xì)浠衔锏姆穷A(yù)混湍流燃燒。

• 此求解器可用的湍流-化學(xué)相互作用模型是 [a] infinitelyFastChemistry - 單步燃燒反應(yīng)和 [b] 基于擴(kuò)散的燃燒模型 - 也基于單步燃燒反應(yīng)。[c] PaSR：部分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器 - 基于湍流和化學(xué)時間尺度的有限速率化學(xué)模型。

• 可壓縮版本是rhoReactingFoam

• 0/Ydefault 文件用于多種類型的物種共享一組公共邊界條件的情況，即默認(rèn)集在涉及許多物種的情況下很有用。

甲烷和氧氣的混合和燃燒 - 計算域如下圖所示。