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

(相关资料图)

汉化翻译结果如下：

燃烧建模 - 理论与数值模拟

XiFoam、engineFoam、sprayEngineFoam、fireFoam、sprayFoam、reactingFoam 是 OpenFOAM 中与燃烧相关的一些实用程序。内燃机、金属和水泥行业中使用的工业炉可以通过深入了解那里使用的燃烧系统而受益匪浅。

燃烧是工程中最复杂的现象之一，需要处理湍流流体流动、辐射和对流传热、化学反应和污染物形成、混合和淬火、颗粒破碎、蒸发和传质。内燃机、金属和水泥行业中使用的工业炉可以通过深入了解那里使用的燃烧系统而受益匪浅。火焰前锋以低于声速传播的燃烧称为湍流爆燃。爆轰通常是指火焰前锋以高于音速的速度行进。根据后面段落中显示的图像，可以很好地总结三种主要的燃烧模式。

OPENFOAM 中的 CFD 模拟和燃烧建模

除了在 OpenFOAM 中对任何 CFD 模拟进行建模所需的标准文件和字典之外，还需要以下附加文件来专门对燃烧现象进行建模。

燃烧是一种化学反应。一般反应表示为 aA + bB + ... → cC + dD + ... 其中 a、b、c、d... 是反应物和产物的化学计量系数。该反应的速率表达式为速率 ∝ [A] x [B] y，其中指数 x 和 y 可能等于也可能不等于反应物的化学计量系数（a 和 b）。物质的浓度通常表示为[kmole/m 3 ]或[mole/cm 3 ]或[mole/L]。该等式也可以表示为 Rate = dR/dt = k [A] x [B] y其中 k 是比例常数，称为速率常数。反应速率的单位是 [kmole/ms 3 ] 或 [mole/cm 3-s] 或 [摩尔/Ls]。反应速率是物种破坏或产生的摩尔速率。摩尔值是最一致的，因为化学反应必须处理原子守恒，如果不将每个值和情况与已知的工作温度和压力。术语化学计量是指“化学正确”或理论值。

请注意，化学计量比是指燃料和氧化剂都完全消耗的情况。该比率可以是摩尔数或质量。零级反应是指反应速率与反应物浓度的零次方成正比。因此，速率 = dR/dt = k [R] 0。零级反应相对不常见，但它们会在特殊条件下发生。一些酶催化的反应和发生在金属表面的反应是零级反应的几个例子。气态氨在热铂表面的分解是高压下的零级反应。

在“一级”反应类别中，反应速率与反应物 R 的浓度成正比。速率 = dR/dt = k [R] 1。乙烯的氢化是一级反应的一个例子。不稳定核的所有自然和人工放射性衰变均按一级动力学发生。

一般碳氢化合物燃料 C x H y完全燃烧的平衡化学方程式由下式给出

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

空气是 20.9%（摩尔基础）O 2和 79.1%（摩尔基础）N 2的混合物。因此，对于燃烧所需的每摩尔氧气，还必须引入 79.1/20.9 = 3.785 [摩尔] 氮气。以质量为基础，空气成分为 23.3% O 2和 76.7% N 2。因此，反应也可以重写为

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

笔记：

1 摩尔氧气需要 1/0.209 = 4.785 [摩尔] 空气，因此 1 摩尔燃料需要 (x + y/4) 摩尔氧气。

每燃烧一摩尔燃料，需要 4.785(x + y/4) 摩尔空气。因此，化学计量燃烧的燃料/空气摩尔比为1 / [4。785(x + y/4)]= 0.836/(4x + y)。

化学计量摩尔空燃比为 1.196×(4x + y)。对于甲烷 (CH 4 )，该比率为 1.196 × (4 × 1 + 4) = 5.98，对于辛烷 (C 8 H 18 )，该比率为 59.8

每燃烧一摩尔燃料 [4. 产生 785(x + y/4) + y/4] 摩尔的燃烧产物。气体成分通常根据摩尔分数报告，因为摩尔分数不会像浓度（摩尔/单位体积）那样随温度或压力变化。

化学计量质量 燃料/空气比 = MW FUEL / [(x+y/4) × (32 + 3.785 × 28] = MW FUEL / [(x+y/4) × 137.98]。对于辛烷 (C 8 H 18 ) ，比率为 114 / [(8 + 18/4)× 137.98] = 0.0661 [kg-fuel/kg-air] 其中 114 [kg/kmole] 是燃料的分子量。

化学计量质量 空气/燃料比 = [(x+y/4) × 137.98] / MW FUEL。对于辛烷值 (C 8 H 18 )，比率为 [(8 + 18/4)× 137.98] / 114 = 15.1 [kg-air/kg-fuel]。甲烷的值为 17.2 [kg-air/kg-CH 4 ]。

对于已经含有氧原子的燃料，燃烧化学计量可写为：

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

当量比是未燃烧物中燃料与氧化剂的比值与化学计量混合物的比值。即 φ = [F/A] ACTUAL / [F/A] STOICH。因此：在富燃料条件下 φ gt; 1) 和贫油条件 φ < 1。化学计量比，λ = 1/φ。

过量空气百分比：超过化学计量的空气量称为过量空气。过量空气百分比，%EA = 100 (1/φ -1) = 100 (λ -1)。因此：φ = 100 / [%EA + 100]。

燃烧焓或燃烧热：燃烧单位量的燃料可以释放的理想能量。反应焓或反应热：必须以热的形式提供的能量，以在反应过程中使系统保持恒定的温度和压力。

富燃烧的全局方程：当量比 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

稀薄燃烧的全局方程 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

阿伦尼乌斯方程可以准确地解释化学反应速率对温度的依赖性。它首先由荷兰化学家 JH van't Hoff 提出，但瑞典化学家 Arrhenius 提供了其物理理由和解释。k = Ae -Ea/RT其中 A 是阿伦尼乌斯因子或频率因子。它也被称为前指数因子。它是特定反应特有的常数。R 是气体常数，Ea 是以 [J/mole] 为单位测量的活化能。

v' i,j - 在反应 'j' 中作为反应物出现的物质 'i' 的化学计量系数

v'' i, k - 在反应 j 中作为产物出现的物质 'i' 的化学计量系数

M i - 物种 i 的化学符号

N s - 反应 j 中的物种数

Wi ,j - 反应 j 中物种 i 的生产率或破坏率

k f,i - 反应 i 的正向反应速率常数

k b,i - 反应 i 的逆向反应速率常数

C i - 物种 i 的浓度

a i,j - 反应 j 中反应物 i 的速率指数

b i,j - 反应 j 中产物种类 iI 的速率指数

N R - 反应数

Wi ,j - 反应“j”中物种“i”的生产/破坏率

Γ - 第三体对反应速率的净影响

γ ij - 反应“j”中物质“i”的第三体效率

K EQ j - 反应 j 的平衡常数

OPENFOAM 中的燃烧变量

火焰起皱参数 Xi [Ξ]是指比率 [St/Su]，其中 St 是湍流火焰（爆燃）速度，对象 Su 是层流火焰速度（3 种不同的模型：无应变、平衡、运输）。预混层流火焰速度与 (α R) 0.5成正比，其中 α 是扩散系数，R 是反应速率。通过增加扩散率和按比例降低反应速率，可以在不改变层流火焰速度的情况下人为地增厚层流火焰。然后可以在粗网格上可行地解决增厚的火焰，同时仍然捕获正确的层流火焰速度。另一方面，爆炸是超声波引发二次爆炸的结果。

所有物种分数均以质量为基础给出。

constant/chemistryProperties- 该案例的“constant”文件夹下的文件列出了初始化学时间步长、ODE 求解器和要使用的求解器属性。

constant/combustionProperties- 这里列出了湍流化学相互作用模型和模型常数。燃料名称 [例如丙烷、甲烷、异辛烷]、层流火焰速度、当量比、XiModel、GuldersCoeffs、火花或点火区及其位置/大小/强度/持续时间、点火位置的燃料分数等参数......通过指定这个文件。

常量/反应- 本机 OpenFOAM 格式（m 3、kmole、焦耳、K）或 CHEMKIN 格式（mol、cm 3、s、K；cal）的详细反应机制通过此文件指定。实用程序 chemkinToFoam 可用于将 CHEMKINIII 热力学和反应数据文件转换为原生 OpenFOAM 格式。

constant/thermo.compressibleGas- 此处列出了反应物和产物中涉及的化学物质的热物理数据。

初始和边界条件，除了标准的 U、p、T 文件外，由 CH4、CO2、H2O、N2、O2 等附加文件指定，Ydefault 在 0/ 目录中用于存储化学物质质量分数。

Ydefault为除 O2、N2 和燃料（例如 CH4、C7H16...）之外的所有物质指定初始和边界条件，这些物质出现在反应物或产物侧的反应机制中。

ft是燃料质量分数即燃料/（燃料+氧化剂[通常是空气]），fu是未燃烧的燃料分数。

平均反应回归变量“b”——也称为文件 0/b 中的归一化燃料分数指定所有流量入口处的无量纲温度边界条件：新鲜气体 [未燃烧混合物] b = 1.0 和燃烧气体 [燃烧混合物] b = 0.0 . 这是基于这样的假设，即反应实际上是瞬时的，因此该值在火焰前沿从 1 跳到 0。

这类似于 CFX 中的反应进程变量“c”，它将流场细分为两个不同的区域，燃烧混合物和未燃烧混合物。在 CFX 中，“c”被定义为预混流体反应状态的概率。例如，c = 0.8 表示给定位置的流体（气体混合物）在 80% 的时间内完全反应，在剩余的 20% 的时间内未反应。燃烧区域 [c ~ 1] 被视为扩散火焰，而未燃烧区域 [c ~ 0] 代表冷混合物。

对象 b 定义为 b = [T BURNT-GAS - T] / [T BURNT-GAS - T FRESH-GAS ], Ξ = Flame Wrinkling Parameter

Tu：边界和内部场处未燃烧气体的温度由文件 0/Tu 中的对象 Tu 指定。

ANSYS FLUENT 具有 C 方程模型，它求解密度加权平均反应进程变量的传输方程，用c表示。表示从未燃烧到燃烧的反应进程的标量变量用 c 表示，其中 c = 0 表示未燃烧的混合物，c = 1 表示完全燃烧的混合物。

除了 C 方程之外，FLUENT 使用 G 方程，它是预混合的火焰前锋跟踪模型。可以通过将进度变量的源项乘以表示拉伸不会熄灭火焰的概率的拉伸因子 G 来包括火焰拉伸效果。如果没有拉伸 (G = 1)，火焰未熄灭的概率为 100%。S c [s -1 = 反应进程源项 = 产品形成的归一化平均速率。拉伸因子 G 是通过对湍流耗散率 ε 的对数正态分布进行积分得到的。

可燃性极限和热值

可燃性下限和上限（分别为 LFL 和 UFL）是空气中可支持火焰传播并导致爆炸的极限燃料浓度。超出这些限制的燃料浓度是不可燃的。对于燃烧情况，比化学计量混合分数大 10% – 50% 的值可用于燃料流的富燃极限。类似地，极限氧气浓度 (LOC) 是燃料、空气和惰性气体混合物中可传播火焰的最低 O 2浓度。随着 N 2等惰性气体的浓度并且 He 增加，LFL 增加和 UFL 减少并且可能达到两者重合的点。Le Chatelier 规则充分给出了气体燃料混合物的可燃性下限 (LFL)：LFL MIX = 1 / Σ(η i /LFL i )。

当可燃气体 [碳氢化合物、氢气、制冷剂...] 泄漏到可能存在点火源 [例如电插头等热表面] 的密闭空间时，可能会发生火灾和/或爆炸。制冷剂 R32 的 UFL 和 LFL 分别为 14.4% 和 29.3%（按体积计）[ National Refrigerants Inc 的安全数据表]。对于密闭空间，可燃性体积 FV 定义为 UFL 和 LFL 之间的泄漏气体体积。这有助于估计发生火灾的可能性以及事件的严重程度。归一化可燃性体积 (NFV) 是 FV 和体积与密闭空间的比率，它表示假定点火源随机分布在整个房间内发生火灾/爆炸的概率。

通常表示为 [MJ/kg] 或 [MJ/m 3 ]的总热值或更高热值 (HCV)定义为在等于 101325 [Pa] 的恒定压力下完全燃烧产生的热量单位气体的体积或质量，可燃混合物的成分取自参考条件，燃烧产物恢复到相同条件，假设燃烧产生的水被冷凝。用于天然气工业的主要燃烧相关特性是沃泊指数 W = HCV / d 0.5其中 d = 相对密度（无量纲）。

模拟物质传输和有限速率化学

摘自 FLUENT 用户指南：“通过求解描述每个组分种类的对流、扩散和反应源的守恒方程来混合和传输化学物质。可以模拟多个同时发生的化学反应，反应发生在体相（体积反应）和/或在壁面或颗粒表面，以及多孔区域。在许多情况下，您不需要修改任何物理属性，因为当您选择混合材料时，求解器会从材料数据库中获取物种属性、反应...。一些但是，属性可能未在数据库中定义。如果需要设置任何必需的属性，您在选择材料时会收到警告，然后您可以为这些属性分配适当的值。”

可以使用混合分数方法（对于非预混系统）、反应进程变量方法（对于预混系统）、部分预混方法或成分 PDF 传输方法来模拟湍流反应火焰。计算将假设除密度和比热外的所有属性都是常数。当流动完全湍流时，恒定的传输属性（粘度、热导率和质量扩散系数）相当准确。与湍流传输相比，分子传输特性将发挥次要作用。

碳氢化合物燃料燃烧机制共有四种基本反应：

点火（引发）

传播-链运载

传播 - 链分支

终止（灭绝）

OPENFOAM 中的燃烧求解器

与燃烧和化学反应相关的求解器有 reactingFoam、XiFoam、rhoReactingFoam、PDRFoam（孔隙度/分布电阻求解器，例如 HRSG 中的火焰在障碍物上的传播——其开发由壳牌资助）、sprayFoam（以前称为 dieselFoam）、reactingMultiphaseEulerFoam、反应双相欧拉泡沫。sprayFoma 模型流动涉及在三维域中与拉格朗日蒸发粒子（例如柴油发动机）的可压缩反应流。

reactingFoam

这是一种基于 PIMPLE 算法的瞬态不可压缩求解器，用于气态碳氢化合物的非预混湍流燃烧。

此求解器可用的湍流-化学相互作用模型是 [a] infinitelyFastChemistry - 单步燃烧反应和 [b] 基于扩散的燃烧模型 - 也基于单步燃烧反应。[c] PaSR：部分搅拌反应器 - 基于湍流和化学时间尺度的有限速率化学模型。

可压缩版本是rhoReactingFoam

0/Ydefault 文件用于多种类型的物种共享一组公共边界条件的情况，即默认集在涉及许多物种的情况下很有用。

甲烷和氧气的混合和燃烧 - 计算域如下图所示。

关键词：