ANSYS Fluent燃燒仿真高級(jí)技巧：自定義模型教程

ANSYSFluent燃燒仿真高級(jí)技巧：自定義模型教程1燃燒仿真基礎(chǔ)1.1燃燒理論簡(jiǎn)介燃燒是一種復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及到燃料與氧化劑的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生熱能和光能。在燃燒過程中，燃料分子與氧氣分子在適當(dāng)?shù)臈l件下（如溫度、壓力和濃度）發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳、水蒸氣和其他副產(chǎn)品。燃燒理論主要研究燃燒的機(jī)理、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)特性，以及如何控制和優(yōu)化燃燒過程。1.1.1燃燒的類型擴(kuò)散燃燒：燃料和氧化劑在混合前是分開的，燃燒發(fā)生在它們混合的界面。預(yù)混燃燒：燃料和氧化劑在燃燒前已經(jīng)充分混合，燃燒速度由化學(xué)反應(yīng)速率決定。層流燃燒：在低流速和低湍流條件下，燃燒過程是層流的，火焰?zhèn)鞑ニ俣确€(wěn)定。湍流燃燒：在高流速和高湍流條件下，燃燒過程是湍流的，火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵适艿酵牧鞯挠绊憽?.1.2燃燒模型燃燒模型用于描述燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng)和物理現(xiàn)象。常見的燃燒模型包括：EDC模型（EddyDissipationConcept）：適用于預(yù)混和非預(yù)混燃燒，考慮了湍流對(duì)燃燒的影響。PDF模型（ProbabilityDensityFunction）：基于概率密度函數(shù)，適用于非預(yù)混燃燒，能夠處理燃料和氧化劑的不均勻分布。PFR模型（PerfectlyStirredReactor）：適用于預(yù)混燃燒，假設(shè)反應(yīng)器內(nèi)完全混合，適用于研究化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。1.2ANSYSFluent軟件概覽ANSYSFluent是一款廣泛應(yīng)用于流體動(dòng)力學(xué)、傳熱和燃燒仿真領(lǐng)域的軟件。它基于有限體積法，能夠解決復(fù)雜的多物理場(chǎng)問題，包括湍流、化學(xué)反應(yīng)、輻射和多相流等。Fluent提供了豐富的物理模型和數(shù)值方法，適用于從航空航天到能源、化工和汽車等各個(gè)行業(yè)。1.2.1主要功能湍流模型：包括k-ε、k-ω、RNGk-ε等模型，用于模擬湍流流動(dòng)?；瘜W(xué)反應(yīng)模型：支持預(yù)混燃燒、非預(yù)混燃燒和層流燃燒等多種燃燒模型。輻射模型：能夠模擬燃燒過程中的輻射傳熱，包括離散坐標(biāo)法（DO）、P1近似法等。多相流模型：適用于模擬含有固體、液體和氣體的多相流動(dòng)，如噴霧燃燒。1.2.2操作流程前處理：定義幾何模型，設(shè)置網(wǎng)格，定義邊界條件和初始條件。求解：選擇物理模型，設(shè)置求解參數(shù)，運(yùn)行仿真。后處理：分析仿真結(jié)果，可視化流場(chǎng)、溫度、壓力和化學(xué)組分等。1.3燃燒模型的選擇與應(yīng)用選擇燃燒模型時(shí)，需要考慮燃燒的類型、流體的流動(dòng)狀態(tài)、化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性以及仿真目標(biāo)。不同的燃燒模型適用于不同的燃燒場(chǎng)景，正確選擇模型可以提高仿真的準(zhǔn)確性和效率。1.3.1模型選擇原則預(yù)混燃燒：如果燃料和氧化劑在燃燒前已經(jīng)充分混合，可以選擇PFR模型或?qū)恿魅紵Ｐ?。非預(yù)混燃燒：如果燃料和氧化劑在燃燒前是分開的，可以選擇EDC模型或PDF模型。湍流燃燒：如果燃燒過程發(fā)生在湍流環(huán)境中，需要選擇能夠處理湍流的燃燒模型，如EDC模型。1.3.2模型應(yīng)用示例1.3.2.1EDC模型應(yīng)用假設(shè)我們正在模擬一個(gè)非預(yù)混燃燒過程，燃料是甲烷，氧化劑是空氣，燃燒發(fā)生在湍流環(huán)境中。在ANSYSFluent中，我們可以選擇EDC模型來模擬這個(gè)過程。定義化學(xué)反應(yīng)：在Fluent中，首先需要定義化學(xué)反應(yīng)方程式。對(duì)于甲烷燃燒，反應(yīng)方程式為：C設(shè)置燃燒模型：在“Model”菜單下，選擇“Combustion”->“EddyDissipation”，激活EDC模型。定義湍流模型：由于燃燒發(fā)生在湍流環(huán)境中，需要選擇一個(gè)湍流模型，如k-ε模型。設(shè)置邊界條件：定義燃料和氧化劑的入口邊界條件，包括速度、溫度和化學(xué)組分。運(yùn)行仿真：設(shè)置求解參數(shù)，如時(shí)間步長(zhǎng)、迭代次數(shù)等，然后運(yùn)行仿真。1.3.2.2PFR模型應(yīng)用如果我們要模擬一個(gè)預(yù)混燃燒過程，燃料是氫氣，氧化劑是空氣，燃燒發(fā)生在層流環(huán)境中。在ANSYSFluent中，可以選擇PFR模型來模擬這個(gè)過程。定義化學(xué)反應(yīng)：對(duì)于氫氣燃燒，反應(yīng)方程式為：2設(shè)置燃燒模型：在“Model”菜單下，選擇“Combustion”->“FiniteRate”，激活PFR模型。定義湍流模型：由于燃燒發(fā)生在層流環(huán)境中，可以選擇層流模型。設(shè)置邊界條件：定義燃料和氧化劑的混合比例，以及入口的溫度和壓力。運(yùn)行仿真：設(shè)置求解參數(shù)，運(yùn)行仿真，分析燃燒效率和產(chǎn)物分布。1.3.3總結(jié)選擇合適的燃燒模型是進(jìn)行燃燒仿真的關(guān)鍵。通過理解燃燒的類型和條件，以及Fluent提供的模型特性，可以有效地模擬和分析燃燒過程，為燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。2自定義燃燒模型2.1用戶定義函數(shù)(UDF)介紹在燃燒仿真領(lǐng)域，尤其是使用ANSYSFluent進(jìn)行高級(jí)技巧的探索時(shí)，自定義模型的開發(fā)變得至關(guān)重要。用戶定義函數(shù)（UDF）是Fluent中一個(gè)強(qiáng)大的工具，允許用戶擴(kuò)展軟件的內(nèi)置功能，以適應(yīng)特定的物理模型或復(fù)雜的工程問題。UDF是用C語(yǔ)言編寫的，可以用來定義邊界條件、源項(xiàng)、反應(yīng)速率、材料屬性等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過程的精確控制和模擬。2.1.1UDF的結(jié)構(gòu)一個(gè)典型的UDF包括以下部分：頭文件包含：如#include"udf.h"，這是必須的，因?yàn)樗薋luentUDF所需的所有函數(shù)和宏的定義。UDF函數(shù)聲明：定義UDF函數(shù)，如DEFINE_SOURCE、DEFINE_PROFILE等。函數(shù)實(shí)現(xiàn)：在函數(shù)體內(nèi)實(shí)現(xiàn)自定義邏輯。2.1.2示例：定義一個(gè)簡(jiǎn)單的源項(xiàng)UDF#include"udf.h"

/*定義一個(gè)源項(xiàng)UDF，用于模擬特定化學(xué)反應(yīng)的熱釋放率*/

DEFINE_SOURCE(custom_heat_release,c,t,dS,eqn)

{

realheat_release_rate;/*熱釋放率*/

realdensity,specific_heat,temperature;/*密度、比熱、溫度*/

/*獲取當(dāng)前單元的密度、比熱和溫度*/

density=C_DENSITY(c,t);

specific_heat=C_SPEC_HEAT(c,t);

temperature=C_T(c,t);

/*假設(shè)熱釋放率與溫度的平方成正比*/

heat_release_rate=100.0*temperature*temperature;

/*計(jì)算源項(xiàng)*/

dS[eqn]=heat_release_rate/(density*specific_heat);

}2.2創(chuàng)建自定義燃燒反應(yīng)在燃燒仿真中，自定義燃燒反應(yīng)的創(chuàng)建是實(shí)現(xiàn)精確模擬的關(guān)鍵步驟。Fluent允許用戶通過UDF來定義非標(biāo)準(zhǔn)的燃燒反應(yīng)，這在研究新型燃料或復(fù)雜燃燒機(jī)理時(shí)非常有用。2.2.1反應(yīng)機(jī)理的定義在UDF中定義燃燒反應(yīng)，需要指定反應(yīng)物、產(chǎn)物、反應(yīng)速率以及可能的活化能和預(yù)指數(shù)因子。這些參數(shù)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論模型來設(shè)定。2.2.2示例：創(chuàng)建一個(gè)自定義燃燒反應(yīng)假設(shè)我們想要模擬一個(gè)簡(jiǎn)單的燃燒反應(yīng)：A+B?>C#include"udf.h"

/*定義自定義燃燒反應(yīng)的UDF*/

DEFINE_SPECIFIC_REACTION_RATE(custom_reaction_rate,species,rate,rev_rate)

{

realA_conc,B_conc;/*反應(yīng)物A和B的濃度*/

/*獲取反應(yīng)物A和B的濃度*/

A_conc=C_SPEC(species[0],t);

B_conc=C_SPEC(species[1],t);

/*假設(shè)反應(yīng)速率與A和B的濃度成正比*/

rate[0]=0.01*A_conc*B_conc;

}2.3UDF在燃燒仿真中的應(yīng)用UDF在燃燒仿真中的應(yīng)用廣泛，可以用來：改進(jìn)模型精度：通過引入更精確的物理模型或化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。模擬新型燃料：定義新型燃料的燃燒特性。優(yōu)化燃燒過程：通過調(diào)整反應(yīng)速率或熱釋放率來優(yōu)化燃燒效率。2.3.1實(shí)例：使用UDF優(yōu)化燃燒效率假設(shè)我們正在模擬一個(gè)燃燒室，目標(biāo)是通過調(diào)整燃料的燃燒速率來優(yōu)化燃燒效率。我們可以使用UDF來動(dòng)態(tài)調(diào)整燃燒速率，使其在特定條件下達(dá)到最優(yōu)。#include"udf.h"

/*定義一個(gè)UDF，用于動(dòng)態(tài)調(diào)整燃燒速率*/

DEFINE_SPECIFIC_REACTION_RATE(optimized_reaction_rate,species,rate,rev_rate)

{

realfuel_conc,oxygen_conc;/*燃料和氧氣的濃度*/

realstoichiometric_ratio;/*理論燃燒比*/

/*獲取燃料和氧氣的濃度*/

fuel_conc=C_SPEC(species[0],t);

oxygen_conc=C_SPEC(species[1],t);

/*設(shè)定理論燃燒比*/

stoichiometric_ratio=0.5;

/*如果燃料和氧氣的比例接近理論燃燒比，增加燃燒速率*/

if(fabs(fuel_conc/oxygen_conc-stoichiometric_ratio)<0.05)

{

rate[0]=0.02*fuel_conc*oxygen_conc;

}

else

{

rate[0]=0.01*fuel_conc*oxygen_conc;

}

}2.3.2結(jié)論通過UDF，用戶可以對(duì)ANSYSFluent進(jìn)行深度定制，以滿足特定的燃燒仿真需求。無論是改進(jìn)模型精度、模擬新型燃料，還是優(yōu)化燃燒過程，UDF都是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的強(qiáng)大工具。掌握UDF的編寫，將極大地提升在燃燒仿真領(lǐng)域的研究和工程實(shí)踐能力。3高級(jí)燃燒仿真技巧3.1多區(qū)域燃燒模型的設(shè)置在燃燒仿真中，多區(qū)域模型是一種高級(jí)技巧，用于模擬燃燒室內(nèi)不同區(qū)域的燃燒過程，特別是在那些燃燒室結(jié)構(gòu)復(fù)雜、燃燒過程分階段進(jìn)行的場(chǎng)景中。ANSYSFluent提供了多區(qū)域模型的設(shè)置，允許用戶在不同的計(jì)算區(qū)域中應(yīng)用特定的燃燒模型和邊界條件，從而更準(zhǔn)確地模擬整個(gè)燃燒過程。3.1.1設(shè)置步驟定義區(qū)域：首先，需要在Fluent的前處理階段，使用網(wǎng)格劃分工具（如ANSYSMeshing或ICEM）將計(jì)算域劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域代表燃燒過程中的一個(gè)特定階段或區(qū)域。指定區(qū)域類型：在Fluent中，通過“Define”菜單下的“CellZones”選項(xiàng)，為每個(gè)區(qū)域指定類型，如“Fluid”或“Solid”。選擇燃燒模型：對(duì)于每個(gè)區(qū)域，可以獨(dú)立選擇燃燒模型。例如，預(yù)混燃燒模型可能適用于燃燒室的主燃燒區(qū)，而非預(yù)混燃燒模型可能更適合用于模擬燃料噴射區(qū)域。設(shè)置邊界條件：每個(gè)區(qū)域的邊界條件需要根據(jù)其物理特性進(jìn)行設(shè)置，包括溫度、壓力、燃料和氧化劑的濃度等。定義區(qū)域間的接口：通過“Define”菜單下的“Interfaces”選項(xiàng)，定義不同區(qū)域之間的接口，確保流體和熱量在區(qū)域間正確傳輸。3.1.2示例假設(shè)我們正在模擬一個(gè)內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程，其中包含燃料噴射區(qū)和主燃燒區(qū)。以下是一個(gè)簡(jiǎn)化的設(shè)置示例：#設(shè)置燃料噴射區(qū)為非預(yù)混燃燒模型

/fluent

DefineCell-Zones

Edit

Select"InjectionZone"

Model

Combustion

Non-Premixed

Exit

#設(shè)置主燃燒區(qū)為預(yù)混燃燒模型

DefineCell-Zones

Edit

Select"MainCombustionZone"

Model

Combustion

Premixed

Exit

#定義區(qū)域間的接口

DefineInterfaces

Create

Select"InjectionZone"and"MainCombustionZone"

Type

Surface

Model

Mixing-Plane

Exit3.1.3解釋在上述示例中，我們首先為燃料噴射區(qū)選擇了非預(yù)混燃燒模型，這適用于燃料和空氣在噴射過程中混合的情況。接著，我們?yōu)橹魅紵齾^(qū)選擇了預(yù)混燃燒模型，這適用于燃料和空氣在進(jìn)入燃燒室前已經(jīng)充分混合的情況。最后，我們定義了兩個(gè)區(qū)域之間的接口，使用了“Mixing-Plane”模型，它允許在不同區(qū)域之間進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量和能量的交換。3.2非預(yù)混燃燒仿真策略非預(yù)混燃燒是指燃料和氧化劑在燃燒前沒有完全混合的燃燒過程，常見于噴射燃燒系統(tǒng)中。在Fluent中，非預(yù)混燃燒模型通常使用“EddyDissipationModel”（EDM）或“FlameletModel”來模擬。3.2.1EDM模型EDM模型假設(shè)湍流渦旋能夠迅速將燃料和氧化劑混合并燃燒。該模型適用于湍流強(qiáng)度較高的燃燒環(huán)境。3.2.2FlameletModelFlamelet模型基于預(yù)定義的火焰庫(kù)，適用于燃料和氧化劑混合程度較低的燃燒環(huán)境。該模型需要用戶輸入火焰庫(kù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常通過其他燃燒模型的詳細(xì)計(jì)算獲得。3.2.3設(shè)置示例#啟用非預(yù)混燃燒模型

/fluent

Model

Combustion

Non-Premixed

Exit

#選擇EDM模型

Model

Combustion

Non-Premixed

EddyDissipation

Exit

#設(shè)置燃料和氧化劑的組分

DefineMaterials

Edit

Select"Fuel"

Composition

Set

Select"Oxidizer"

Composition

Set

Exit3.2.4解釋在示例中，我們首先啟用了非預(yù)混燃燒模型，然后選擇了EDM模型作為具體的燃燒模型。接著，我們定義了燃料和氧化劑的組分，這是非預(yù)混燃燒模型中非常關(guān)鍵的步驟，因?yàn)槟Ｐ托枰廊剂虾脱趸瘎┑幕瘜W(xué)性質(zhì)和濃度分布。3.3燃燒仿真結(jié)果的后處理與分析燃燒仿真完成后，后處理階段是分析和理解仿真結(jié)果的關(guān)鍵。Fluent提供了豐富的后處理工具，包括可視化工具和數(shù)據(jù)分析工具，幫助用戶深入理解燃燒過程。3.3.1可視化工具等值面：用于顯示特定參數(shù)（如溫度、壓力、組分濃度）的等值面，幫助識(shí)別燃燒區(qū)域和燃燒過程的動(dòng)態(tài)變化。流線：顯示流體的流動(dòng)路徑，對(duì)于理解燃燒室內(nèi)流體的混合和分布非常有用。粒子軌跡：在噴射燃燒模型中，可以顯示燃料粒子的軌跡，幫助分析燃料噴射和燃燒效率。3.3.2數(shù)據(jù)分析工具積分計(jì)算：計(jì)算整個(gè)計(jì)算域或特定區(qū)域的積分參數(shù)，如總熱量釋放率、總?cè)剂舷穆实取Ｆ拭娣治觯悍治鎏囟ń孛嫔系膮?shù)分布，如溫度、壓力、組分濃度等。時(shí)間序列分析：對(duì)于瞬態(tài)燃燒仿真，可以分析特定參數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。3.3.3示例假設(shè)我們想要分析燃燒室內(nèi)的溫度分布，并計(jì)算總熱量釋放率。#顯示溫度等值面

/fluent

DisplayContours

Contours

Select"Temperature"

Levels

Set

Exit

#計(jì)算總熱量釋放率

ReportFluxes

Heat

TotalHeatReleaseRate

Compute3.3.4解釋在示例中，我們首先使用Fluent的“Contours”工具顯示了溫度的等值面，這有助于直觀地理解燃燒室內(nèi)的溫度分布。接著，我們使用“ReportFluxes”工具計(jì)算了總熱量釋放率，這是一個(gè)重要的參數(shù)，用于評(píng)估燃燒效率和燃燒過程的熱力學(xué)性能。通過上述步驟，我們可以更深入地理解燃燒過程，識(shí)別潛在的優(yōu)化點(diǎn)，從而改進(jìn)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能。4案例研究與實(shí)踐4.1工業(yè)燃燒器的自定義模型仿真4.1.1原理與內(nèi)容在工業(yè)燃燒器的仿真中，使用ANSYSFluent進(jìn)行自定義模型的創(chuàng)建，可以更精確地模擬燃燒過程中的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)和流體動(dòng)力學(xué)行為。這通常涉及到定義用戶自定義函數(shù)（UDF）來描述特定的燃燒機(jī)理，以及使用用戶自定義標(biāo)量（UDS）和用戶自定義邊界條件（UBC）來捕捉燃燒器內(nèi)部的物理現(xiàn)象。4.1.1.1自定義化學(xué)反應(yīng)模型在Fluent中，可以通過UDF來定義非標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。例如，如果需要模擬一種特定燃料的燃燒，而該燃料的反應(yīng)機(jī)理在Fluent的預(yù)定義庫(kù)中不存在，可以使用UDF來添加。#include"udf.h"

DEFINE_SPECIFIC_RATE(user_reaction,r,c,t)

{

realA,Ea,R,T;

realrho,Y_fuel,Y_oxygen;

face_tf;

A=1.0e10;//反應(yīng)速率常數(shù)的預(yù)指數(shù)因子

Ea=50000.0;//激活能

R=8.314;//氣體常數(shù)

T=C_T(c,t);//當(dāng)前溫度

rho=C_R(c,t);//當(dāng)前密度

Y_fuel=C_YI(c,t,fuel_species);//燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Y_oxygen=C_YI(c,t,oxygen_species);//氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

r[0]=A*exp(-Ea/(R*T))*Y_fuel*Y_oxygen;//計(jì)算反應(yīng)速率

}4.1.1.2自定義標(biāo)量模型UDS可以用來跟蹤燃燒過程中產(chǎn)生的特定物質(zhì)或能量。例如，可以定義一個(gè)UDS來監(jiān)測(cè)燃燒效率或特定污染物的生成。#include"udf.h"

DEFINE_ADJUST(user_adjust,domain)

{

face_tf;

realvalue;

//初始化UDS

for(c=0;c<NUM_CELLS(domain);c++)

{

value=0.0;

Set_UDSI(c,UDS_ID,value);

}

//更新UDS

for(f=0;f<NUM_FACES(domain);f++)

{

value=...;//計(jì)算UDS的值

Set_F_UDSI(f,UDS_ID,value);

}

}4.1.1.3自定義邊界條件UBC允許用戶定義特定邊界上的物理?xiàng)l件，如溫度、壓力或化學(xué)物種的濃度。這對(duì)于模擬燃燒器的入口和出口條件特別有用。#include"udf.h"

DEFINE_PROFILE(user_profile,x,y)

{

face_tf;

begin_f_loop(f,thread)

{

realx_pos=F_X(f,thread);

realy_pos=F_Y(f,thread);

if(x_pos<0.0)

{

y[F_ID(f,thread)]=300.0;//設(shè)置溫度為300K

}

else

{

y[F_ID(f,thread)]=0.0;//設(shè)置溫度為環(huán)境溫度

}

}

end_f_loop(f,thread)

}4.1.2驗(yàn)證與優(yōu)化仿真結(jié)果的驗(yàn)證通常包括與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，以及對(duì)模型假設(shè)的檢查。優(yōu)化則可能涉及調(diào)整模型參數(shù)，如反應(yīng)速率常數(shù)或邊界條件，以更準(zhǔn)確地匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果。4.2汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的高級(jí)仿真4.2.1原理與內(nèi)容汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒仿真需要考慮燃料噴射、混合、點(diǎn)火和燃燒等過程。Fluent的自定義模型功能可以用來精確描述這些過程，特別是在開發(fā)新型燃料或發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)。4.2.1.1燃料噴射模型通過UDF，可以自定義燃料噴射的模式和特性，如噴射角度、噴射速度和噴射時(shí)間。#include"udf.h"

DEFINE_PROFILE(fuel_injection,x,y)

{

face_tf;

begin_f_loop(f,thread)

{

realx_pos=F_X(f,thread);

realy_pos=F_Y(f,thread);

if(x_pos>0.0&&x_pos<0.05&&y_pos>0.0&&y_pos<0.1)

{

y[F_ID(f,thread)]=100.0;//設(shè)置燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)

}

else

{

y[F_ID(f,thread)]=0.0;//設(shè)置燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0

}

}

end_f_loop(f,thread)

}4.2.1.2點(diǎn)火模型點(diǎn)火過程可以通過定義一個(gè)UDF來模擬，該UDF可以基于溫度、壓力或化學(xué)物種的濃度來觸發(fā)燃燒。#include"udf.h"

DEFINE_ADJUST(ignition,domain)

{

face_tf;