STAR-CCM 燃烧计算原理、方法与案例应用8讲

课程介绍：

STAR-CCM 提供了一系列可用于模拟各种燃烧反应流体应用的模型。

在STAR-CCM 中，主要分为两大类燃烧模型模型：小火焰模型和反应组分输运模型。

    小火焰模型通过结合使用简单的 0D 或 1D 几何与详细化学机制预先计算气相层流火焰中的化学反应，避免复杂化学计算的计算开销。使用一组精简的变量参数化和表格化这些简单火焰中的组分，然后将这些组分插值到 3D 湍流火焰模拟。

在下图中，深色域显示薄反应前锋，其中反应发生速度快于湍流混合。中间体组分不会存在很长时间，因而无法由湍流混合输运到反应前锋之外。

反应组分传输模型，对化学反应中涉及的所有组分的质量分数传输方程进行求解。这些组分质量分数传递到单独化学求解器从而返回生成物的数量。

在下图中，深色显示发生反应的厚反应前锋。由于某些反应的速度比湍流混合慢，因此湍流混合会导致某些反应较慢的中间组分逃逸此厚反应前锋，并继续再往下游混合。

小火焰模型和反应组分输运模型，只要适用，便可使用小火焰模型，否则使用反应组分传输模型。要确定建模方法，考虑组分反应率和组分混合率（化学时间尺度和湍流时间尺度）之间的关系。

两种最为常见燃烧模型

l小火焰生成流形 (FGM) 模型

通过混合分数和反应过程变量参数化小火焰组分。FGM 模型假设湍流火焰中的化学状态类似于层流火焰中的化学状态。通过求解反向流体扩散火焰并通过混合分数和标量耗散参数化组分，这对应于反向流体火焰的应变（压缩），将这些反向流体火焰嵌入 CFD 湍流火焰中。

在FGM模型中，详细的化学反应对燃烧的影响被储存在Flamelet表中，所需的数值在CFD模拟中被检索。

l涡破碎模型EBU

涡破碎模型假设，反应受限于湍流混合反应物和加热到火焰区域的速率。EBU 模型通过大尺度湍流混合速率来限制动能反应速率。由于动能速率替换为单一湍流混合速率，因此仅使用具有一个或两个步骤的小型机制。EBU 模型是一个火焰位置模型，不适用于对点燃和污染物等动能为主的现象建模。

燃烧典型应用场景。

复杂化学反应模型-甲烷燃烧

稳态层流小火焰-喷雾燃烧

小火焰生成流形（FGM） 大涡模拟 自适应网格化

表面化学反应-催化反应

反应通道模型-甲烷生成氢气

涡破碎模型（EBU）-煤燃烧

烟火计算-与试验对比