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利用StarCCM +模拟K-epsilon 湍流模型下的预混燃烧 湛申
(奇安信集团，北京100044)
摘要：文章利用StarCCM +软件建立模拟纯体燃烧器的典型实验糢型，通过在K-epsi Ion 湍流模型中模拟预混燃烧，比较了不同 模型对模拟结果的影响。为了验证糢拟的可靠性，文章将软件的仿真结果与其他研究团队真实测量的实验数据进行比对，进 而优化建立的仿真模型。 关键词:StarCCM +: K-epsilon 湍流模型；预混燃烧 文献标识码:A
中图分类号:TP 31
文章编号：20964137 (2021) 04-156-03
DOI ： 10.13535/j ki .10-1507/n .2021.04.64
Simulation of premixed combustion in K-epsilon turbulence model by StarCCM +
靳东风ZHAN Shen
(Qi'anxin Group, Beijing 100044, China)
衣原体包涵体Abstract : The article uses StarCCM + software to establish a typical experimental model for simulating bluff body burners , and compares the effects of different models on the simulation results by simulating premixed combustion in the K-epsilon turbulence model . In order to verify the reliability of the simulation , the article compares the simulation results of the software with the experimental data measured by other research teams to optimize the simulation model .
Keywords : StarCCM +; K-epsilon turbulence model ; premixed combustio
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钝体燃烧器实验模型
本文将模拟分为2部分：进行冷却状态下的计算和引入 燃烧反应。钝体湍流器实验模型如图1所示。
燃烧器位于150mm ><l 50m m 的气流中心，燃气的化学 组成为体积比为1:1的甲烷氢气混合气体。燃气和外侧气流 的初始速度都为单一径向，在冷却状态下的实验喷嘴喷出的 为空气。
由于模型中心对称，限于计算机算力且为提高仿真效 率，本文取整个燃烧器45°扇区的空间为模拟对象，以简化 计算过程。为了研究不同的模拟微型单元对所得结果的影 响，本文采用了 3种不同的网格划分方式：正方形、正三角形和正六边形。 本文在软件的模拟中引入的模型为雷诺平均N S 方程模 型、适用高雷诺数预混燃烧的漩涡破碎模型、适用于完全湍 流的标准印silon 模型、不考虑微元之间的微观混合的凝 集流模型以及稳流模型。
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仿真分析
2. 1 冷却状态
模型选取6个不同的高度面h (喷嘴出口高度为0mm ) 在冷却状态下进行模拟，绘制气体轴向速度U 随径向坐标 X 变化的图，如图2所示。分析发现气流在径向坐标为0 时有最大值，即在喷嘴的中心流速最快；在接近喷嘴半径 2.5mm 时气体流速接近消失，直到超过陶瓷喷嘴边缘又恢 复到外侧气体流速。随着高度的增加，各气体流速也会衰减, 直到高度为70mm 时，喷口气体流速和外侧气体相同。
科技探索 | TECHNOLOGY EXPLORATION
Siemens Star CCM +是德国西门子公司开发的多物理场 模拟软件。该软件拥有强大的仿真分析功能，可对真实条件 下工作的产品和设计进行仿真，能进行换热问题的模拟包括 强制、自燃和混合对流换热问题，以及共轭传热和辐射传热 问题，可以模拟无黏流、层流和湍流。湍流模型针对不同的 流动有多种选择，如最新的K -epsilon 揣流模型。本文先求 得实现稳态燃烧的最小迭代次数，再研究不同火焰高度下的 气体温度的变化情况，并与真实测量的数据进行比对，进而 尝试优化建立的仿真模型。
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•中国®新科技2021年第04
期
T ECHNOLOGY EXPLORATION | 科技探索
h = 120m m
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
S 向坐标x (mm )
h =40mm
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/V k /Xl A /p 5 1
a
^-20 25 30 a 5 40 45 5(
径向坐标x (mm)
h =70mm
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
径向坐标x (m m }
h =20mm
二J
v J
IS 30 35 40 45 5(
径向坐标x (mm)
h =3 m m
三角形网格
r r
10 15 20 25 30 35 40 45 50
径向坐标x (m m )
图2 3种网格糢型在不同高度面下随径向（X 轴）变化的气体轴向（U 轴）速度场
H=10mm
-10
10 30径向坐标(MM)
50
H=20mm
-10
10
30R (MM)
50
H=40mm
2000
1500
1000
H=55mm
20 40R(MM)
60
H=75mm
2R (MM) 4〇
60
1500
1000
H=150mm
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R(MM)
60
图3温度仿真结果与实验数据比较
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2021年第04期♦中国高新科技15
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科技探索| T E C H N O L O G Y E X P L O R A T I O N
采用三角形和正六边形网格划分的模拟结果相似，模拟 值与附表比利时根特大学的研宄团队结果接近（Merci and Dick-Gent/Bergium)。然而此模型在高度70m m以上时和实验的数据相差较大。
对于正方体网格，气体流速的衰减随网格单位长度増大 而递增，这说明网格的大小取值对仿真结果造成影响，通过 与比利时根特大学的研宄团队实验结果相比较得出网格越 密集仿真结果越接近实测数值。因此，后续研宂的网格大小 都采取0.3 mm进行计算。
2.2燃烧反应状态
通过观察模拟软件中各物质组成Residuals参数，可以 得出迭代次数在300以上此模型可认为是达到燃烧的平衡状 态，以迭代实践单位为0.01s，可得出反应约在3s后达到燃 烧平衡状态。
选取6个不同的高度面H(喷嘴出口高度为0mm)在 稳定燃烧的状下绘制开尔文温度K随径向坐标r变化的图，如图3所示。其中散点代表实验数据，曲线为仿真模拟值。通过模拟数据可得，在高度< 40mm时模拟软件高估了此 模型的温度，且模拟的温度峰值与实验结果相比，更靠近中 心。在高度为55mm时，2份数据吻合度最好，温度的峰值 和出现的位置都有较好的对应。同时此峰值在两股气流的交 界处，也对应了燃烧反应最充分的地方。
3结语
通过软件模拟得出的结论基本能够反映真实实验过程
中的变化过程。所取用的网格大小〇.3mm边长也基本满足
了此物理模型精度的要求。StarCCM+软件提高了分析效率，
同时在计算过程中可以动态的获取实时分析结果，后期拟从
以下3方面进行研宄：
(1)选取更合适的网格，在精度上和计算时长之间
平衡。
(2)优化给定的边界条件以获得更精确的模拟值。
(3)改进硬件设备性能，引入可视化分析将所求解的 速度场和温度场等形象表示出来，使分析更加直观。
作者简介：湛申（1992-)，男，湖北孝感人，供职于奇安信集团，
研究方向：环境能源。
参考文献
[1] MERCI B,D ICK E,VIEREND EELS J,et a l. Application of a new cubic turbulence model to piloted and
注塑机螺杆的选择
bluff-body diffusion flames[J],Combustion and Flame, 2001,
126 (1-2) :1533-1556.
[2] MURADOGLU M,LIU K ,POPE S B.PDF modeling of a bluff-body stabilized turbulent flame[J].Combustion and Flame,2003, 132 (1-2) :115-137.
[3] B NAUD.PDF modeling of turbulent sprays and flames using a particle stochastic approach[D],Delft:Delft University
of Technology,2003.
(责任编辑：周羿廷）
158 ..♦冲国高新科技2021年第04期
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