本算例演示如何利用STAR CCM+中的EBU模型设置并求解甲烷-空气射流燃烧过程。算例同时演示了如何在STAR CCM+中手动定义化学反应方程。

1 问题描述

算例计算的是Sandia FlameD实验条件。下图所示为计算区域入口截面，其包含3个流体入口：main、pilot以及coflow，分别通入甲烷-空气、燃烧产物、空气。

算例采用二维轴对称模型进行计算，该二维轴对称几何由采用 7.2 mm 直径喷嘴的主喷射器组成，燃烧体积比为 25% 甲烷和 75% 干燥空气的预混气体。

计算边界如下图所示。

2 STAR CCM+设置

• 启动STAR CCM+
• 选择菜单 File → New…创建一个新的仿真
• 选择菜单 File → Import  → Import Mesh… 导入计算网格 sandia.ccm

2.1 选择物理模型

• 鼠标右键选择模型树节点Models，点击弹出菜单项 Select Models… 打开模型选择对话框

• 如下表所示选择物理模型

选择完毕后的对话框如下图所示。

2.2 定义化学反应

本算例需要手动定义化学反应方程。

• 选中模型树节点 Models → Eddy Break-Up ，属性框中设置 Reaction Control为 Standard EBU

注：标准EBU模型利用湍流参数来计算化学反应速率。STAR CCM+除了可以使用标准EBU模型外，还可以使用有限速率/EBU模型，该模型可以综合考虑EBU速率及阿累尼乌斯反应速率，取它们最小值作为计算使用的的速率。

”

• 右键选中模型树节点 Multi-Components → Select Mixture Components… 打开组分选择对话框

• 如下图所示，从材料库中选择材料介质 CH4、O2、CO2、H2O、N2

• 右键选择模型树节点 Gas Components，点击弹出菜单项 Reorder Mixture Components…

• 如下图所示，调整组分的排列顺序，确保 N2位于材料列表的最下方

• 右键选择节点 Reacting → Reactions ，点击弹出菜单项 New Reaction 添加一个化学反应Reaction 1

• 右键选择模型树节点 Reaction 1 → Reactants ，如下图所示添加组分 CH4，相同方式添加 O2

• 右键选择模型树节点 Reaction 1 → Products ，如下图所示添加组分 CO2，相同方式添加 H2O

• 添加完毕后的模型节点如下图所示

• 鼠标双击模型树节点 Reaction 1 ，打开参数设置对话框并展开所有的树形节点，如下图所示设置参数
• 指定 CH4的Stoich. Coeff 为 1.0，指定Rate Exponent为 1.0
• 指定 O2的Stoich. Coeff 为 2.0，指定Rate Exponent为 1.0
• 指定 CO2的Stoich. Coeff 为 1.0，指定Rate Exponent为 0
• 指定 H2O的Stoich. Coeff 为 2.0，指定Rate Exponent为 0

注：这里定义了甲烷-空气燃烧单步化学反应。

”

2.3 初始条件设置

• 进入节点 Continua → Physics 1 → Initial Conditions，下方节点参数指定如下表所示

Initial Conditions节点如下图所示。

2.4 边界条件设置

• 进入节点 Regions → fluid → Boundaries ，设置各边界参数

1、inlet-1边界

指定边界inlet-1的参数，如下表所示。

设置完毕后如下图所示。

2、inlet-2边界

指定边界inlet-2的参数，如下表所示。

3、inlet-3边界

指定边界inlet-2的参数，如下表所示。

4、outer边界

指定边界outer的参数，如下表所示。

5、outlet边界

指定边界outlet的参数，如下表所示。

2.5 迭代参数

• 指定最大迭代次数2000 次

• 点击菜单 Solution → Run开始计算

3 计算结果

• 轴线上的温度分布

• 温度分布

• 二氧化碳摩尔浓度分布

STAR CCM+不仅可以使用标准的EBU模型，如果有化学反应动力学参数的话，还可以使用hybrid EBU模型（类似于Fluent中的有限速率/涡耗散模型）。

标准EBU模型计算的温度常常要比实际温度高一些。

相关文件：

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文章来源：CFD之道

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