计算流体力学作业FLUENT 模拟燃烧
组分传输与气体燃烧 问题描述：长为2m、直径为0.45m的圆筒形燃烧器结构如图1所示，燃烧筒壁上嵌有三块厚为0.0005 m，高0.05 m的薄板，以利于甲烷与空气的混合。燃烧火焰为湍流扩散火焰。在燃烧器中心有一个直径为0.01 m、长为0.01 m、壁厚为0.002 m的小喷嘴，甲烷以60 m/s的速度从小喷嘴注入燃烧器。空气从喷嘴周围以0.5 m/s的速度进入燃烧器。总当量比大约是0.76(甲烷含量超过空气约28%)，甲烷气体在燃烧器中高速流动，并与低速流动的空气混合，基于甲烷喷嘴直径的雷诺数约为5.7×103。
假定燃料完全燃烧并转换为:CH4+2O2→CO2+2H2O
反应过程是通过化学计量系数、形成焓和控制化学反应率的相应参数来定义的。利用FLUENT的finite-rate化学反应模型对一个圆筒形燃烧器内的甲烷和空气的混合物的流动和燃烧过程进行研究。
1、 建立物理模型，选择材料属性，定义带化学组分混合与反应的湍流流动边界条件 2、 使用非耦合求解器求解燃烧问题
3、 对燃烧组分的比热分别为常量和变量的情况进行计算，并比较其结果 4、 利用分布云图检查反应流的计算结果 5、 预测热力型和快速型的NOX含量 6、 使用场函数计算器进行NO含量计算 一、利用GAMBIT建立计算模型
第1步 启动GAMBIT，建立基本结构
分析：圆筒燃烧器是一个轴对称的结构，可简化为二维流动，故只要建立轴对称面上的二维结构就可以了，几何结构如图2所示。
(1) 建立新文件夹
在F盘根目录下建立一个名为combustion的文件夹。 (2) 启动GAMBIT
(3) 创建对称轴
① 创建两端点。A(0,0,0)，B(2,0,0) ② 将两端点连成线
(4) 创建小喷嘴及空气进口边界
① 创建C、D、E、F、G点 C D E x 0 0.01 0.01 y 0.005 0.005 0.007
F 0 0.007 G 0 0.225 ② 连接AC、CD、DE、DF、FG。 (5) 创建燃烧筒壁面、隔板和出口
① 创建H、I、J、K、L、M、N点（y轴为0.225，z轴为0）。 H I J K L M N x 0.500 0.505 1.000 1.005 1.500 1.505 2.000
② 将H、I、J、K、L、M、N向Y轴负方向复制，距离为板高度0.05。 ③ 连接GH、HO、OP、PI、IJ、JQ、QR、RK、KL、LS、ST、TM、MN、NB。
(6) 创建流域
将以上闭合线段创建为面。
第2步 对空气进口边界进行网格划分
（1） 划分甲烷进口边界为等距网格
① 点击Edges右侧黄色区域 ② 按下Shift+鼠标左键，点击AC线段 ③ Type选Successive Ratio,Radio 选1 ④ 在Spacing下面白色区域右侧下拉列表中选择Interval count
⑤ 在Spacing下面白色区域内填入网格的个数5 ⑥ 保留其他默认设置，点击APPLY （2） 划分空气入口边界为不等距网格
① 选择FG线时，若线段方向由F指向G，则按住Shift键，用鼠标中键点击FG线段，使线段方向由G指向F。 ② 在Type项选择Exponet ③ 在Ratio项输入0.38 ④ Spacing选择Interval size 并输入0.005 ⑤ 点击APPLY
（3） 划分小喷嘴壁面为等距网格
① 把CD、EF线段划分为网格数为4的等距网格 ② 把DE线段划分为网格数为3的等距网格 （4） 划分燃烧器出口边界为等距网格
把燃烧器出口边界BN划分为35个等距离网格。
（5） 划分燃烧器壁面为网格
燃烧器壁面由GH、IJ、KL、MN组成 ① 在Edges项选择GH、IJ、KL、MN ② 在Type项选择Bi-exponent,在Ratio项输入0.55 ③ 在Spacing项选择Interval count，并输入62 ④ Apply
（6） 对壁筒上的三个隔板进行网格划分
① 把六个竖直边HO、IP、JQ、KQ、LS、MT分别划分为10个等距网格 ② 把三个横边OPQRST分别化为2个等距网格 （7） 对整个计算域进行面网格划分 ① 点击Face右侧黄色区域 ② 按下Shift+鼠标左键，点击面上的边线 ③ 在Elements选择Quad ④ 在Type项选择Pave ⑤ 在Spacing项选择Interval size,并输入网格间距0.008 ⑥ Apply
第3步 设置边界类型并输出文件 （1） 设置甲烷速度入口边界
① 在Action项为Add
② 在Name 项填入边界名inlet-fuel ③ 在Type项选择WELOCITY_INLET ④ 点击Edges右侧黄色区域 ⑤ 按住Shift键点击AC线段 ⑥ Apply
（2） 设置空气速度入口边界
① 在Name 项填入边界名inlet-air ② 在Type项选择WELOCITY_INLET ③ 在Edges项选择FG线段 ④ Apply
（3） 设置压力出流边界 ① 在Name 项填入边界名outlet ② 在Type项选择PRESSURE_OUT ③ 在Edges项选择BN线段 ④ Apply
（4） 设置对称轴边界 ① 在Name 项填入边界名axis ② 在Type项选择axis ③ 在Edges项选择AB线段 ④ Apply
（5） 设置小喷嘴的边界类型 ① 在Name项填入边界名zozzle ② 在Type下选择WALL ③ 在Edges项选择CD、DE、EF ④ 点击apply
（6） 输出网格文件 ① 在File Name项确认文件名 ② 选择Export 2-D(X-Y)Mesh ③ Apply
二、 利用FLENT-2d求解器进行模拟计算
第1步 启动FLENT-2d求解器，读入网格文件。 （1） 启动FLUENT-2d求解器
（2） 读入网格文件combustion.msh （3） 检查网格 （4） 网格信息
（5） 网格长度单位设置
（6） 显示网格
第2步 设置求解模型 （1） 设置求解器
① 在Solver项选择Segregated ② 在Formulation项选择Implicit ③ 在Space项选择Axisymmeric ④ 在Time项选择Steady ⑤ OK
（2）选用k-ε湍流模型
①在Model项选择k-epsilon ②OK
（3）激活能量方程
①选择Energy Equation ②OK
（4）启动化学组分传输和反应
①在Model先选择Species Transport
②在Reaction下选择Volumetric
③在Options下选择Diffusion Energy Source
④ 在Mixture Material下拉列表中选择methane-air
⑤ 在Turbulence-Chemistry Interaction 下选择Eddy-Dissipation ⑥ OK
第3步 流体材料设置
① 在Denity下拉列表中选择incomprehensible-ideal-gas ② 在Cp项选择Constance,输入1000 ③ 点击Mixture Species 右边的Edit。 ④ 点击Cancel