FLUENT燃烧艺术：旋流燃烧器的模拟盛宴

1 前言

旋流燃烧是众多燃烧的一种，其基本原理是通过旋流的回流作用，密度小的已燃烧产物自外向内运动，在运动中预热和点燃未燃烧的燃烧混合物。旋流的中心回流区能提高燃烧强度和火焰稳定性，降低污染物排放，提高燃烧效率等。

旋流燃烧器所产生的漩涡流场主要是靠流体内部的位能变化（静压差）而运动，也叫“位能漩涡”。旋流的旋转强度通常用旋流数s来反映，当旋流数s＜0.6时，属于弱旋流，这时射流的轴向压力梯度（逆压梯度）不足以产生回流区，旋流的作用仅仅表现在提高射流对周围气流的卷吸作用和加速射流流速的衰减，轴向速度的衰减随着旋流数的增加而加快；当旋流数s＞0.6时，属于强旋流，随着旋流数的不断提高，射流轴向逆压梯度大到已不可能被沿轴向流动的流体质点的动能所克服，这时在射流的两个质点之间就会出现一个回流区（如下图）。本案例简单做一个旋流燃烧器的仿真分析。

2 模型与网格

建立如下简化的旋流燃烧器，主要对空气轴向流道和甲烷管道喷口进行了简化。燃烧腔直径Φ100mm，流道直径Φ40mm，甲烷管道直径Φ30mm，该旋流燃烧器的旋流数s约为1.266，属于强旋流。采用FLUENT meshing划分多面体网格，节点数约为101万个。

3 模型与边界条件

采用有限速率反应模型的涡耗散模型，介质用软件自带的甲烷-空气。空气和甲烷入口采用速度入口，燃烧器出口采用压力出口，表压为0Pa。

采用SST-ω湍流模型，暂不考虑辐射传热。

空气入口速度0.5m/s，温度300K，氧气摩尔分数0.21。

甲烷入口速度0.1m/s，温度300K，甲烷摩尔分数1。

其他设置采用默认。

4 计算结果

先看一下燃烧器中心截面的速度矢量，可以看到介质出现了回流。这一点也可以从中心线的轴向速度分布看出来，

再看一下中心线的静压随流动方向的变化，可以看出静压是在增加的，这就是逆压梯度，在回流区介质的轴向动能不足以克服压力梯度的作用，因此发生了回流。

燃烧器的温度分布如下，高温区聚集在燃烧腔。

燃烧反应的生成热分布如下，该图也可以反应燃烧的剧烈程度分布。

最后看一下燃烧器的甲烷分布，可以看出，甲烷已完全燃烧干净。

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