周大林 羅光雯

摘 要：本文利用ANSYS軟件，對燃氣燃燒進行仿真，模擬出了燃氣燃燒過程的迭代數(shù)據(jù)圖、溫度分布圖、反應(yīng)物與生成物分布圖等參數(shù)，直觀地展現(xiàn)了燃氣燃燒的特征及相應(yīng)參數(shù)變化。這種基于ANSYS下的燃氣燃燒仿真不需要大量的設(shè)備和燃氣，做研究時既保證了安全試驗，又有利于環(huán)境保護，還提高了研究的精確度。

關(guān)鍵詞：ANSYS;燃氣燃燒;仿真

燃氣的燃燒是化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生大量的熱。傳統(tǒng)的燃料中含有硫和其他有害成分，在燃燒時會與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)釋放有害氣體，并且可能產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)排放在環(huán)境中。而尋求清潔的替代燃料是解決溫室效應(yīng)和環(huán)境污染的一種較為有效的解決辦法，現(xiàn)在的城鎮(zhèn)燃氣主要成分為甲烷，[1]燃燒產(chǎn)物為水和二氧化碳，是一種清潔能源。隨著對環(huán)境保護日益重視，加快建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系成為當前社會發(fā)展的一項重要課題。我國大力發(fā)展城市燃氣，使得燃氣消費結(jié)構(gòu)不斷提高，燃氣消費結(jié)構(gòu)更加均衡，基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，已被我國廣泛使用在工業(yè)燃料、工藝生產(chǎn)、化工工業(yè)、天然氣汽車等領(lǐng)域?？傮w看來，我國的天然氣消費結(jié)構(gòu)得到不斷優(yōu)化，形成了以城市燃氣為主的利用結(jié)構(gòu)，逐步替代燃油、燃料及其他工業(yè)燃料。

本文介紹利用ANSYS軟件對燃氣燃燒仿真來更加直觀全面地了解其所有的特征，排除其不利因素，減少其爆炸事故的發(fā)生和提高熱效率提供依據(jù)。

1 燃氣燃燒仿真模型構(gòu)建

將燃燒器模型網(wǎng)格在FLUENT中進行仿真，模擬出了燃氣燃燒過程的迭代數(shù)據(jù)圖、溫度分度圖、甲烷含量分布圖、氧氣含量分布圖、二氧化碳含量分布圖等參數(shù)。通過本次模擬，可以了解燃燒器燃氣燃燒的過程和結(jié)果。[2]

燃燒火焰是湍流擴散，甲烷以86m/s的速度從噴口處射入，周圍空氣以0.8m/s的速度引射入燃燒器中，混合甲烷與空氣之間設(shè)置邊界條件隔開。

運用fluent進行燃氣燃燒的二維仿真模擬，劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件等參數(shù)。[3]

劃分網(wǎng)格：將燃燒器中的燃氣燃燒模型進行對稱網(wǎng)格劃分得到仿真模型。

定義材料：因為燃氣中的甲烷占比大，所以對燃氣燃燒仿真時采用的材料為甲烷，對比熱溫度設(shè)置為混合平均溫度，隨溫度的變化而變化。

邊界條件設(shè)置：邊界條件是對燃燒模型網(wǎng)格邊界的約束，也是對流體進入計算區(qū)域時的狀態(tài)的設(shè)定。物種模型為甲烷-空氣;入口處的空氣速度為0.8m/s，燃料速度為86m/s，默認溫度為300k。

2 仿真燃燒結(jié)果分析

仿真燃燒設(shè)置殘差值在迭代170步之后收斂，根據(jù)實驗所得結(jié)果與數(shù)據(jù)知道燃燒開始時反應(yīng)物含量最高，燃燒反應(yīng)后的生成物的含量也最高，隨著反應(yīng)的進行反應(yīng)物與氧化物反應(yīng)含量減少，所以生成的生成物物的含量也逐漸減少。根據(jù)圖中顯示生成物中H2O的含量遠遠大于C2O含量，而且沒有CO的生成，是一種清潔的能源。

隨著燃燒的進行，火焰的溫度不斷上升，且在中間區(qū)域溫度最高達2310k。在入口處，甲烷由于剛射入燃燒器沒有充分擴散，所以燃燒集中處于圖的中間部分，溫度升高的區(qū)域也主要集中于圖的中間部分，之后由于甲烷與空氣的充分混合，使得燃燒器整體溫度都上升了，效率高于其他燃料是高效的能源。

反應(yīng)物甲烷的含量分布圖中，在甲烷剛射入燃燒器時沒有與空氣混合完全，這時的含量最高，隨著甲烷與空氣混合充分并在燃燒的消耗下，甲烷的含量迅速下降直至全部燃燒盡。反應(yīng)物甲烷在入口處的含量也最高，在仿真火焰中心位置因為甲烷的射流較大，氧氣無法與甲烷充分混合，所以氧氣濃度為零。隨著甲烷燃燒的消耗，氧氣開始在中心區(qū)域有濃度的分布并且呈現(xiàn)出的濃度最低。

生成物二氧化碳含量在燃燒開始時甲烷與空氣的混合不完全，所以二氧化碳的生成量較少，隨著反應(yīng)的進行，甲烷與空氣的混合完全，二氧化碳的含量逐漸增加，在火焰中心位置達到0.145。

3 結(jié)語

這本次燃氣燃燒仿真實驗中，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示甲烷燃燒產(chǎn)生的溫度遠遠高于傳統(tǒng)燃料產(chǎn)生的溫度;甲烷燃燒反應(yīng)產(chǎn)生水和二氧化碳，且H2O的含量遠遠大于C2O含量;優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)以高流速的燃氣射入低流速的空氣中可以使防止有毒氣體CO的產(chǎn)生。甲烷相比于傳統(tǒng)燃料容易控制和使用，可以減少資源不必要的浪費。使用燃氣作為燃料，對于用戶燃氣比傳統(tǒng)燃料更加安全，它幾乎不含硫和其他有害物質(zhì)，沒有產(chǎn)成CO有害氣體，容易控制和使用。[4]燃氣燃燒后產(chǎn)生的二氧化碳遠遠低于傳統(tǒng)燃料，可以防止大氣污染保護城市環(huán)境減少溫室效應(yīng)。所以，城市燃氣化是城市現(xiàn)代化的重要標志之一。

參考文獻：

[1]《天然氣燃燒過程與應(yīng)用手冊》介紹[J].煤氣與熱力，2009，29（10）：36.5.

[2]歐儉平，吳青嬌，趙迪，肖佩林，張興華.高效低污染燃氣燃燒器燃燒特性的數(shù)值模擬[J].金屬熱處理，2009（04）.

[3]金志敏.基于ANSYS軟件的微通道內(nèi)氣體流動數(shù)值模擬分析[D].東華大學(xué)，2013.2-5.

[4]《天然氣燃燒過程與應(yīng)用手冊》介紹[J].煤氣與熱力，2009，29（10）：36.5.