【AICFD教程】6分钟学会锥形燃烧器燃烧模拟

1 案例背景

燃烧器常用在燃油、燃气、煤粉燃烧等行业，通过本节仿真操作，可以看到燃烧器内燃料运动速度及温度的分布，为燃烧器的结构设计提供参考依据。

本案例需要的输入文件和参数信息如下表：

网格文件	Burner.msh
介质	混合物
湍流模型	Standard k-epsilon
边界条件	入口速度：60m/s出口静压：101325Pa

图1 网格模型

2 网格处理

2.1 新建工程

• 启动AICFD 2024R1；

图2 AICFD窗口

• 选择 文件> 新建，新建工程，选择工程文件路径，设置工程文件名，点击“确定”。

图3 新建工程

2.2 网格导入

• 单击菜单栏 网格> 导入网格 ，导入体网格，读取体网格。

图4 网格导入

• 这个网格模型是燃烧器内腔的一个切片，完整的燃烧器内腔是这样的，燃料从中间进入，周围喷出，因为模型中心对称，所以我们只仿真这个切片就可以知道全局，这是仿真中简化计算的常规处理方式。

图5 切片仿真

3 求解设置

3.1 求解模型

• 双击 求解> 求解模型，设置物理模型。时间选稳态。流动选可压，方法选湍流，其余默认。

图6 模型设置

• 材料是指燃烧器腔内燃烧过程涉及的所有物质。本案例是CH4在空气中燃烧，具体反应是CH4和O2燃烧生成CO和H2O，然后CO和O2燃烧生成CO2。此外，空气中还有N2。那么以上所述物质的混合物就是本案例的材料。

图7 材料物质

• 右击 求解> 材料，单击“添加材料”，在材料处右键，添加材料，起个名，类型选混合物。然后点击混合物特性，组分处点击从数据库导入，依次找到甲烷、一氧化碳、二氧化碳、水、氮气、氧气，按住ctrl可以多选，导入并确定，材料就添加好了。

图8 材料选择

3.2 计算域设置

• 双击 求解> 流动分析> 计算域，类型保持流体域，材料选择刚刚添加的混合物；燃烧类型选择组分输运模型，湍流-化学反应相互作用选涡破碎/有限速率。

图9 分配计算域

• 进入反应列表设置界面，反应列表处点击编辑，录入化学反应方程式，第2项是方程式中的系数，点击反应产物下的加号可增加反应产物。点击左侧加号可增加一个新的反应。2个方程式录完后，其余这些速率常数、PEF、配合比等都是和这个反应本身相关的参数，我们输入相应数据。下面的配合比，两个反应都是4比0.5。

图10 分配计算域

3.3 边界条件设置

• 双击inlet进口，软件已经自动识别了进口面，然后把气体进入燃烧器时的速度、温度以及成分比例输入，其中速度是60m/s，温度是650K，比例是甲烷0.034，氮气0.741，氧气0.225。

图11 Inlet定义

• 出口边界，软件识别的面也正确，类型保持默认的静压出口，其余都保持默认，确定；

图12 Outlet定义

• 双击wall，先看一下这个模型，除了进出口，还有3组面，其中第2个和最后1个是切面，只有第1组面才是燃烧器真正的壁面。

图13 wall查看

• 设置wall的边界条件，软件一般会把无特殊命名的面都自动识别到壁面wall里，所以需要我们把切面反选出来，确定。

图14 Wall定义

• 关于切面，一般会定义成对称面。右键插入边界条件，命名为对称面，选择2个切面，类型选对称面，确定。

图15 Symmetry定义

3.4 求解参数设置

• 双击 仿真> 求解设置 ，将动量对流格式改为一阶迎风，增加稳定性。

图16 求解方程参数设置

• 双击 求解> 求解控制，将最大迭代步数增加到5000步，将收敛准则和库朗数减小。

图17 求解参数设置

4 初始化及求解计算

4.1 初始流场设置

• 双击 仿真> 初始化，设置初始流场。初始化就是燃烧器内的初始状态，这个是一个客观事实，直接输入数据就好。

图18 初始化设置

4.2 求解计算

• 选择菜单栏 求解> 求解> 直接求解> 并行，开始计算。

图19 运行求解器

图20 选择求解模式

5 后处理

5.1 监控曲线

• 查看残差曲线。

图21 残差曲线

5.2 可视化结果

• 温度云图：创建面，点击Z法向，模式选变量，然后选温度，应用。颜色越红，代表温度越高，可看到燃烧器内的温度分布。

图22 截面温度云图

• 速度云图：变量切换成速度，可看到内部的速度分布，了解燃烧器内气体温度和速度的情况，就可以为燃烧器的结构强度等设计提供宝贵的参考。

图23 截面速度云图