燃燒仿真.燃燒數(shù)值模擬方法：化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型：燃燒仿真前沿技術(shù)與研究

燃燒仿真.燃燒數(shù)值模擬方法：化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型：燃燒仿真前沿技術(shù)與研究1燃燒仿真基礎(chǔ)1.1燃燒理論概述燃燒是一種復(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。燃燒理論主要研究燃燒的機(jī)理、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)以及流體力學(xué)特性。在燃燒過程中，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型是核心，它描述了燃料分子如何分解、重組，形成新的化合物，同時(shí)釋放能量。1.1.1化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型用于描述化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度之間的關(guān)系。模型中通常包含一系列的基元反應(yīng)，每個(gè)基元反應(yīng)都有其特定的反應(yīng)速率常數(shù)。例如，對于簡單的燃燒反應(yīng)：燃料可以使用Arrhenius定律來描述反應(yīng)速率：#示例代碼：使用Arrhenius定律計(jì)算反應(yīng)速率

importnumpyasnp

#Arrhenius定律參數(shù)

A=1e13#頻率因子

Ea=50e3#活化能，單位J/mol

R=8.314#氣體常數(shù)，單位J/(mol*K)

#溫度

T=1200#單位K

#計(jì)算反應(yīng)速率常數(shù)

k=A*np.exp(-Ea/(R*T))

print(f"反應(yīng)速率常數(shù):{k}")1.2燃燒仿真歷史與現(xiàn)狀燃燒仿真的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單的零維模型到復(fù)雜的多維模型的過程。早期的燃燒仿真主要集中在零維和一維模型，用于研究燃燒室內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)和溫度變化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，三維燃燒仿真成為可能，能夠更準(zhǔn)確地模擬燃燒過程中的流體動(dòng)力學(xué)和傳熱現(xiàn)象。1.2.1現(xiàn)代燃燒仿真技術(shù)現(xiàn)代燃燒仿真技術(shù)利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，能夠模擬燃燒過程中的復(fù)雜現(xiàn)象，如湍流、噴霧、輻射等。這些技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車引擎、工業(yè)燃燒器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。1.3燃燒仿真軟件介紹燃燒仿真軟件是實(shí)現(xiàn)燃燒過程數(shù)值模擬的工具，它們集成了先進(jìn)的流體動(dòng)力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，以及高效的數(shù)值求解算法。以下是一些常用的燃燒仿真軟件：1.3.1ANSYSFluentANSYSFluent是一款廣泛使用的CFD軟件，它提供了豐富的燃燒模型，包括層流和湍流燃燒模型，適用于各種燃燒應(yīng)用。1.3.2OpenFOAMOpenFOAM是一個(gè)開源的CFD軟件包，它包含了一系列的燃燒模型，用戶可以根據(jù)需要選擇合適的模型進(jìn)行燃燒仿真。1.3.3CanteraCantera是一個(gè)用于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)計(jì)算的開源軟件庫，它提供了豐富的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，適用于燃燒、燃料電池等領(lǐng)域的研究。1.3.4示例：使用Cantera進(jìn)行燃燒仿真#示例代碼：使用Cantera進(jìn)行燃燒仿真

importcanteraasct

#創(chuàng)建氣體對象

gas=ct.Solution('gri30.xml')

#設(shè)置初始條件

gas.TPX=1200,101325,'CH4:1,O2:2,N2:7.56'

#創(chuàng)建燃燒器對象

burner=ct.IdealGasConstPressureFlame(gas)

#設(shè)置邊界條件

burner.set_refine_criteria(ratio=3,slope=0.1,curve=0.1)

#進(jìn)行燃燒仿真

burner.solve(loglevel=1,auto=True)

#輸出結(jié)果

print(burner.flame.T)以上代碼示例展示了如何使用Cantera庫進(jìn)行燃燒仿真，從創(chuàng)建氣體對象、設(shè)置初始條件，到創(chuàng)建燃燒器對象并進(jìn)行仿真，最后輸出溫度分布。這僅為簡化示例，實(shí)際應(yīng)用中可能需要更復(fù)雜的設(shè)置和更詳細(xì)的后處理分析。2化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型2.11化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究化學(xué)反應(yīng)速率及其影響因素的科學(xué)。在燃燒仿真中，動(dòng)力學(xué)模型描述了燃料與氧化劑之間的化學(xué)反應(yīng)過程，是數(shù)值模擬的核心部分。動(dòng)力學(xué)模型通常包括反應(yīng)方程式、反應(yīng)速率常數(shù)和活化能等參數(shù)。2.1.1反應(yīng)方程式化學(xué)反應(yīng)方程式表示了反應(yīng)物如何轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。例如，甲烷燃燒的反應(yīng)方程式可以表示為：C2.1.2反應(yīng)速率常數(shù)反應(yīng)速率常數(shù)反映了反應(yīng)的快慢，通常與溫度有關(guān)。Arrhenius方程是描述反應(yīng)速率常數(shù)與溫度關(guān)系的常用公式：k其中，k是反應(yīng)速率常數(shù)，A是頻率因子，Ea是活化能，R是理想氣體常數(shù)，T2.1.3活化能活化能是反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物過程中需要克服的能量障礙?；罨艿拇笮≈苯佑绊懛磻?yīng)速率。2.22動(dòng)力學(xué)模型的建立與選擇動(dòng)力學(xué)模型的建立涉及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集、理論分析和模型參數(shù)的確定。選擇合適的動(dòng)力學(xué)模型對于準(zhǔn)確預(yù)測燃燒過程至關(guān)重要。2.2.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集通過實(shí)驗(yàn)測量反應(yīng)速率，收集不同溫度和壓力下的數(shù)據(jù)，為模型建立提供基礎(chǔ)。2.2.2理論分析利用化學(xué)反應(yīng)理論，如過渡態(tài)理論，分析反應(yīng)機(jī)理，確定可能的反應(yīng)路徑。2.2.3模型參數(shù)確定通過擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定模型中的參數(shù)，如反應(yīng)速率常數(shù)和活化能。2.2.4模型選擇根據(jù)燃燒系統(tǒng)的復(fù)雜性和計(jì)算資源，選擇詳細(xì)或簡化的動(dòng)力學(xué)模型。詳細(xì)模型包含所有可能的反應(yīng)，而簡化模型則通過減少反應(yīng)數(shù)量來提高計(jì)算效率。2.33簡化動(dòng)力學(xué)模型方法簡化動(dòng)力學(xué)模型是在保證模型預(yù)測精度的同時(shí)，減少模型復(fù)雜度和計(jì)算時(shí)間的方法。2.3.1主反應(yīng)路徑法主反應(yīng)路徑法（PRR）通過識(shí)別和保留對燃燒過程貢獻(xiàn)最大的反應(yīng)路徑，忽略次要反應(yīng)，來簡化模型。2.3.2機(jī)理敏感性分析通過敏感性分析，確定哪些反應(yīng)對模型輸出影響最大，從而在簡化模型時(shí)優(yōu)先保留這些反應(yīng)。2.3.3降維法降維法通過減少參與反應(yīng)的物種數(shù)量，簡化動(dòng)力學(xué)模型。例如，可以將復(fù)雜的燃料分子分解為幾個(gè)關(guān)鍵中間體，忽略其他中間產(chǎn)物。2.3.4示例：簡化動(dòng)力學(xué)模型的Python實(shí)現(xiàn)假設(shè)我們有一個(gè)包含多個(gè)反應(yīng)的詳細(xì)動(dòng)力學(xué)模型，我們想要通過主反應(yīng)路徑法簡化它。以下是一個(gè)簡化過程的示例代碼：importnumpyasnp

#假設(shè)的詳細(xì)動(dòng)力學(xué)模型反應(yīng)速率

detailed_rates=np.array([10,5,2,15,3,8,1,12,4,9])

#選擇貢獻(xiàn)最大的前5個(gè)反應(yīng)

top_reactions=np.argsort(detailed_rates)[-5:]

#創(chuàng)建簡化模型

simplified_rates=detailed_rates[top_reactions]

#輸出簡化模型的反應(yīng)速率

print("Simplifiedreactionrates:",simplified_rates)2.3.5代碼解釋導(dǎo)入numpy庫，用于數(shù)值計(jì)算。定義一個(gè)包含10個(gè)反應(yīng)速率的數(shù)組detailed_rates，這些速率是假設(shè)的，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論計(jì)算得出。使用np.argsort函數(shù)對反應(yīng)速率進(jìn)行排序，[-5:]選擇排序后的最后5個(gè)索引，即速率最大的5個(gè)反應(yīng)。通過這些索引從detailed_rates中提取簡化模型的反應(yīng)速率。輸出簡化模型的反應(yīng)速率。通過這種方法，我們可以從詳細(xì)模型中選擇出對燃燒過程貢獻(xiàn)最大的反應(yīng)，從而構(gòu)建一個(gè)既準(zhǔn)確又計(jì)算效率高的簡化動(dòng)力學(xué)模型。3燃燒數(shù)值模擬方法3.1數(shù)值方法基礎(chǔ)在燃燒仿真中，數(shù)值方法是解決復(fù)雜燃燒方程的關(guān)鍵。這些方程通常包括質(zhì)量、動(dòng)量、能量和物種守恒方程，它們描述了燃燒過程中流體的動(dòng)態(tài)行為。由于這些方程在實(shí)際燃燒環(huán)境中往往是非線性的，解析解往往難以獲得，因此數(shù)值方法成為研究者和工程師的首選工具。3.1.1有限差分法有限差分法是最常見的數(shù)值方法之一，它將連續(xù)的偏微分方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程。例如，考慮一維的擴(kuò)散方程：?其中，u是溫度或濃度，D是擴(kuò)散系數(shù)。使用中心差分格式，我們可以將上述方程離散化為：importnumpyasnp

#參數(shù)設(shè)置

D=0.1#擴(kuò)散系數(shù)

L=1.0#域長

N=100#網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)

dx=L/(N-1)#空間步長

dt=0.001#時(shí)間步長

t_end=0.1#模擬結(jié)束時(shí)間

#初始化網(wǎng)格和時(shí)間

x=np.linspace(0,L,N)

t=0

u=np.zeros(N)

#初始條件

u[int(N/2)]=1.0

#主循環(huán)

whilet<t_end:

u_new=np.copy(u)

foriinrange(1,N-1):

u_new[i]=u[i]+dt*D*(u[i+1]-2*u[i]+u[i-1])/dx**2

u=u_new

t+=dt

#輸出最終狀態(tài)

print(u)3.1.2有限體積法有限體積法是另一種廣泛使用的數(shù)值方法，它基于守恒原理，將計(jì)算域劃分為一系列控制體積，然后在每個(gè)控制體積上應(yīng)用守恒定律。這種方法在處理對流和擴(kuò)散問題時(shí)特別有效，因?yàn)樗軌蚋玫乇３质睾阈浴?.2燃燒方程的離散化燃燒方程的離散化是將連續(xù)的燃燒過程轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以處理的離散形式。這通常涉及到將空間和時(shí)間變量離散化，以及選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)值格式來近似導(dǎo)數(shù)。3.2.1離散化示例考慮一個(gè)簡單的燃燒反應(yīng)方程：?其中，ρ是密度，Yi是物種i的濃度，u是流速，Di是擴(kuò)散系數(shù)，importnumpyasnp

#參數(shù)設(shè)置

rho=1.0#密度

D_i=0.1#擴(kuò)散系數(shù)

L=1.0#域長

N=100#網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)

dx=L/(N-1)#空間步長

dt=0.001#時(shí)間步長

t_end=0.1#模擬結(jié)束時(shí)間

#初始化網(wǎng)格和時(shí)間

x=np.linspace(0,L,N)

t=0

Y_i=np.zeros(N)

#初始條件

Y_i[int(N/2)]=1.0

#主循環(huán)

whilet<t_end:

Y_i_new=np.copy(Y_i)

foriinrange(1,N-1):

Y_i_new[i]=Y_i[i]+dt*((rho*Y_i[i]*u[i]-rho*Y_i[i-1]*u[i-1])/dx

+(D_i*(Y_i[i+1]-Y_i[i])/dx**2

-D_i*(Y_i[i]-Y_i[i-1])/dx**2)+S_i[i]

Y_i=Y_i_new

t+=dt

#輸出最終狀態(tài)

print(Y_i)3.3數(shù)值模擬中的網(wǎng)格與求解器在燃燒數(shù)值模擬中，選擇合適的網(wǎng)格和求解器對于獲得準(zhǔn)確和高效的結(jié)果至關(guān)重要。3.3.1網(wǎng)格類型網(wǎng)格可以是結(jié)構(gòu)化的（如矩形網(wǎng)格）或非結(jié)構(gòu)化的（如三角形或四面體網(wǎng)格）。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在處理規(guī)則幾何形狀時(shí)較為簡單，而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格則更適合處理復(fù)雜的幾何形狀。3.3.2求解器選擇求解器的選擇取決于問題的性質(zhì)。對于線性問題，可以直接使用直接求解器。然而，對于非線性問題，迭代求解器（如共軛梯度法或SIMPLER算法）更為常用，因?yàn)樗鼈冊谔幚泶笠?guī)模問題時(shí)更為高效。3.3.3求解器示例使用迭代求解器求解燃燒方程的示例：importnumpyasnp

fromscipy.sparseimportdiags

fromscipy.sparse.linalgimportcg

#參數(shù)設(shè)置

D_i=0.1#擴(kuò)散系數(shù)

L=1.0#域長

N=100#網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)

dx=L/(N-1)#空間步長

dt=0.001#時(shí)間步長

t_end=0.1#模擬結(jié)束時(shí)間

#初始化網(wǎng)格和時(shí)間

x=np.linspace(0,L,N)

t=0

Y_i=np.zeros(N)

#構(gòu)建矩陣

A=diags([-1,2,-1],[-1,0,1],shape=(N,N))/dx**2

A[0,0]=1

A[N-1,N-1]=1

#初始條件

Y_i[int(N/2)]=1.0

#主循環(huán)

whilet<t_end:

b=Y_i+dt*S_i

b[0]=0

b[N-1]=0

Y_i,_=cg(A,b)

t+=dt

#輸出最終狀態(tài)

print(Y_i)以上示例使用了共軛梯度法（cg）作為迭代求解器，以解決離散化后的燃燒方程。這種方法在處理大規(guī)模線性系統(tǒng)時(shí)非常有效，尤其是在并行計(jì)算環(huán)境中。通過上述內(nèi)容，我們了解了燃燒數(shù)值模擬方法中的數(shù)值方法基礎(chǔ)、燃燒方程的離散化以及網(wǎng)格與求解器的選擇。這些技術(shù)是燃燒仿真研究和工程應(yīng)用的基石，能夠幫助我們理解和預(yù)測燃燒過程中的復(fù)雜現(xiàn)象。4燃燒仿真前沿技術(shù)4.1高精度燃燒模擬技術(shù)4.1.1原理與內(nèi)容高精度燃燒模擬技術(shù)旨在通過精確的數(shù)學(xué)模型和先進(jìn)的數(shù)值方法，提高燃燒過程的仿真精度。這包括對流、擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)等多物理過程的耦合，以及對湍流、火焰?zhèn)鞑サ葟?fù)雜現(xiàn)象的準(zhǔn)確描述。高精度模擬的關(guān)鍵在于選擇合適的網(wǎng)格分辨率、時(shí)間步長，以及采用高階數(shù)值格式和穩(wěn)定的求解算法。示例：使用OpenFOAM進(jìn)行高精度燃燒模擬#下載并安裝OpenFOAM

wget/download/openfoam-7.tgz

tar-xzfopenfoam-7.tgz

cdOpenFOAM-7

./Allwmake

#創(chuàng)建案例目錄

cd$FOAM_RUN

foamNewCasemyCase

#設(shè)置物理模型和求解器

cdmyCase/system

cp-r$FOAM_TUTORIALS/combustion/icoCombustionFoam/icoCombustionFoam

cdicoCombustionFoam

nanofvSchemes

nanofvSolution

nanothermophysicalProperties

#編輯fvSchemes，選擇高階數(shù)值格式

gradSchemes

{

defaultGausslinear;

kGausslinear;

omegaGausslinear;

nutGausslinear;

}

divSchemes

{

defaultnone;

div(phi,U)Gausslinear;

div(phi,k)Gausslinear;

div(phi,omega)Gausslinear;

div(phi,Yi_h)Gausslinear;

div(R)none;

div(phi,R)none;

div(phi,U)none;

}

#編輯fvSolution，設(shè)置時(shí)間步長和求解算法

PISO

{

nCorrectors2;

nNonOrthogonalCorrectors0;

pRefCell0;

pRefValue0;

}

#編輯thermophysicalProperties，定義化學(xué)反應(yīng)模型

thermodynamics

{

thermoType

{

typehePsiThermo;

mixturemixture;

transportconst;

thermohConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

}

mixture

{

specie

{

species(N2O2NONO2NOHOH2H2OH2O2COCO2CH4);

equationOfState

{

speciespecie;

energysensibleEnthalpy;

}

}

transport

{

typelaminar;

transportModelconst;

}

thermodynamics

{

typehePsiThermo;

mixturegaseousMixture;

speciespecie;

equationOfStateperfectGas;

}

thermophysicalProperties

{

typegaseousMixture;

species(N2O2NONO2NOHOH2H2OH2O2COCO2CH4);

transportconst;

thermohConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

turbulence

{

turbulenceModellaminar;

}

chemistry

{

chemistryModelfiniteRate;

nSpecie14;

nReaction10;

chemistryReader

{

typeCHEMKIN;

transportReader

{

typeCHEMKIN;

dictionarytransport;

}

thermoReader

{

typeCHEMKIN;

dictionarythermo;

}

reactionReader

{

typeCHEMKIN;

dictionaryreactions;

}

}

}

}

#運(yùn)行求解器

cd$FOAM_RUN/myCase

icoCombustionFoam4.1.2多尺度燃燒仿真方法原理與內(nèi)容多尺度燃燒仿真方法結(jié)合了不同尺度的模型，從微觀的分子動(dòng)力學(xué)到宏觀的湍流燃燒，以捕捉燃燒過程中的多尺度現(xiàn)象。這種方法通常包括分子動(dòng)力學(xué)模擬、蒙特卡洛模擬、直接數(shù)值模擬（DNS）、大渦模擬（LES）和雷諾平均模擬（RANS）等不同層次的模型。示例：使用LAMMPS進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬#LAMMPS分子動(dòng)力學(xué)模擬示例

#該示例模擬了甲烷在高溫下的分子動(dòng)力學(xué)行為

#導(dǎo)入LAMMPS庫

fromlammpsimportlammps

#創(chuàng)建LAMMPS實(shí)例

lmp=lammps()

#加載輸入文件

lmp.file('in.ch4')

#設(shè)置模擬參數(shù)

mand('unitsmetal')

mand('atom_stylemolecular')

mand('boundaryppp')

mand('read_datach4.data')

#定義力場

mand('pair_stylelj/cut10.0')

mand('pair_coeff**lj.data')

#設(shè)置溫度和時(shí)間步長

mand('thermo1')

mand('thermo_stylecustomsteptemppress')

mand('timestep0.005')

mand('fix1allnve')

#進(jìn)行熱化和模擬

mand('run1000')

mand('velocityallcreate300.012345loopgeom')

mand('run10000')

#輸出結(jié)果

mand('dump1allcustom1000ch4.dumpidtypexyzvxvyvz')

mand('dump_modify1sortid')4.1.3燃燒仿真中的不確定性量化原理與內(nèi)容不確定性量化（UQ）在燃燒仿真中至關(guān)重要，因?yàn)樗鼛椭u估模型參數(shù)、初始條件、邊界條件等不確定性對仿真結(jié)果的影響。UQ通常涉及概率統(tǒng)計(jì)、靈敏度分析和蒙特卡洛模擬等方法，以提供燃燒過程的統(tǒng)計(jì)描述和可信度評估。示例：使用Python進(jìn)行不確定性量化#Python不確定性量化示例

#該示例使用蒙特卡洛方法評估燃燒模型參數(shù)的不確定性

importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#定義燃燒模型

defcombustion_model(T,p,phi):

#T:溫度

#p:壓力

#phi:空燃比

#返回燃燒速率

return0.01*T*p/phi

#設(shè)置參數(shù)的分布

T_mean,T_std=1200,50

p_mean,p_std=1,0.1

phi_mean,phi_std=1.5,0.2

#生成隨機(jī)樣本

num_samples=1000

T_samples=np.random.normal(T_mean,T_std,num_samples)

p_samples=np.random.normal(p_mean,p_std,num_samples)

phi_samples=np.random.normal(phi_mean,phi_std,num_samples)

#計(jì)算燃燒速率

combustion_rates=combustion_model(T_samples,p_samples,phi_samples)

#繪制結(jié)果分布

plt.hist(combustion_rates,bins=50,alpha=0.7,color='blue')

plt.xlabel('燃燒速率')

plt.ylabel('頻率')

plt.title('燃燒速率的不確定性分布')

plt.show()以上示例展示了如何使用Python和統(tǒng)計(jì)方法來量化燃燒模型參數(shù)的不確定性，通過蒙特卡洛模擬生成參數(shù)的隨機(jī)樣本，并計(jì)算燃燒速率的分布，從而評估模型的可信度。5燃燒仿真研究案例分析5.11內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真5.1.1原理與內(nèi)容內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真主要涉及對內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部燃燒過程的數(shù)值模擬，包括燃料噴射、混合、點(diǎn)火、燃燒和排放等階段。通過建立物理模型和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合流體力學(xué)、熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)的原理，使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件進(jìn)行仿真，以預(yù)測和優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的性能和排放特性?；瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型是內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真中的核心部分，它描述了燃料與空氣混合物的化學(xué)反應(yīng)過程。模型通常包括一系列的化學(xué)反應(yīng)方程式，以及反應(yīng)速率常數(shù)和活化能等參數(shù)。這些參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論計(jì)算獲得。CFD軟件應(yīng)用使用CFD軟件如AnsysFluent或OpenFOAM，可以模擬內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部的流場和溫度分布，進(jìn)而分析燃燒過程。軟件中需要設(shè)置邊界條件，如入口燃料和空氣的流量、溫度和壓力，以及出口的邊界條件。同時(shí)，還需要選擇合適的湍流模型和燃燒模型。5.1.2示例以下是一個(gè)使用OpenFOAM進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真的簡化示例。假設(shè)我們有一個(gè)簡單的內(nèi)燃機(jī)模型，使用柴油作為燃料，進(jìn)行預(yù)混合燃燒。數(shù)據(jù)樣例燃料性質(zhì)：柴油，密度為850kg/m3，粘度為0.00035Pa·s?？諝庑再|(zhì)：溫度為293K，壓力為101325Pa，密度為1.225kg/m3。燃燒模型：使用EddyDissipationModel(EDM)。代碼示例在OpenFOAM中，首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)包含幾何信息的網(wǎng)格文件，然后在constant目錄下設(shè)置物理屬性和化學(xué)反應(yīng)模型。以下是在constant目錄下的thermophysicalProperties文件示例：//thermophysicalProperties文件示例

thermoType

{

typehePsiThermo;

mixturemixture;

transportconst;

thermohConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

mixture

{

specie

{

species(n2o2arco2coh2och4);

equationOfState

{

typeperfectGas;

}

}

transport

{

typeconst;

specDiffCoeffs(1.0e-5);

thermDiffCoeffs(0.0);

viscosityCoeffs(0.0);

Pr(0.7);

Prt(0.85);

}

thermodynamics

{

typehConst;

mixturenasa;

nasa

{

lowT100;

highT3500;

nasaCpCoeffs(2.96523e+00-2.09026e-038.12514e-06-1.32008e-091.67813e-13-1.31204e+042.47415e+00);

nasaHfCoeffs(-2.41848e+041.10333e+02-1.98769e-012.87255e-05-2.23901e-099.62019e-14);

nasaSfCoeffs(-1.98413e+021.87808e-01-4.17713e-044.85870e-08-2.76485e-12-1.10430e+040.0);

}

}

thermoPath$GAMMA_DIR/thermophysicalProperties;

mixturedieselAir;

transportlaminar;

turbulenceRAS;

combustioneddyDissipation;

sootnone;

radiationnone;

options

{

pureMixtureno;

molWeightMixyes;

limitFuelyes;

limitOxidantyes;

limitTemperatureyes;

limitPressureyes;

limitDensityyes;

limitViscosityyes;

limitThermalConductivityyes;

limitDiffusivityyes;

limitHeatCapacityyes;

limitEntropyyes;

limitEnthalpyyes;

limitSootyes;

limitRadiationyes;

}

}在system目錄下，需要設(shè)置求解器和邊界條件。以下是在system目錄下的fvSchemes文件示例：//fvSchemes文件示例

ddtSchemes

{

defaultsteadyState;

}

gradSchemes

{

defaultGausslinear;

}

divSchemes

{

defaultnone;

div(phi,U)Gausslinear;

div(phi,k)Gausslinear;

div(phi,epsilon)Gausslinear;

div(phi,R)Gausslinear;

div(R)none;

div(phi,nuTilda)Gausslinear;

div((nuEff*dev2(T(grad)U)))Gausslinear;

}

laplacianSchemes

{

defaultnone;

laplacian(nuEff,U)Gausslinearcorrected;

laplacian(DT,T)Gausslinearcorrected;

laplacian(DkEff,k)Gausslinearcorrected;

laplacian(DepsilonEff,epsilon)Gausslinearcorrected;

laplacian(DREff,R)Gausslinearcorrected;

laplacian(DnuTildaEff,nuTilda)Gausslinearcorrected;

}

interpolationSchemes

{

defaultlinear;

}

snGradSchemes

{

defaultcorrected;

}

fluxRequired

{

defaultno;

p;

}5.22噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒仿真5.2.1原理與內(nèi)容噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒仿真主要關(guān)注燃料噴射、燃燒室內(nèi)的湍流混合、燃燒過程以及燃燒產(chǎn)物的排放。與內(nèi)燃機(jī)不同，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程發(fā)生在高壓、高溫的環(huán)境下，因此需要更復(fù)雜的物理模型和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型來準(zhǔn)確描述燃燒過程。化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型通常包括更多的化學(xué)反應(yīng)方程式，以涵蓋燃料的復(fù)雜化學(xué)組成。例如，對于航空煤油，模型可能需要包括C、H、O、N等元素的化學(xué)反應(yīng)。CFD軟件應(yīng)用使用CFD軟件如AnsysFluent或STAR-CCM+，可以模擬噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的流場、溫度分布和化學(xué)反應(yīng)過程。軟件中需要設(shè)置邊界條件，如燃料噴射口的流量、溫度和壓力，以及燃燒室出口的邊界條件。5.2.2示例以下是一個(gè)使用AnsysFluent進(jìn)行噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒仿真的簡化示例。假設(shè)我們有一個(gè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室模型，使用航空煤油作為燃料，進(jìn)行湍流燃燒。數(shù)據(jù)樣例燃料性質(zhì)：航空煤油，密度為775kg/m3，粘度為0.00015Pa·s?？諝庑再|(zhì)：溫度為300K，壓力為200000Pa，密度為4.405kg/m3。燃燒模型：使用PDF(ProbabilityDensityFunction)模型。代碼示例在AnsysFluent中，設(shè)置燃燒模型和邊界條件主要通過圖形界面進(jìn)行，但也可以通過文本文件輸入。以下是一個(gè)使用PDF模型的燃燒室設(shè)置示例：//設(shè)置燃燒模型和邊界條件示例

//選擇湍流模型

turbulencemodel:k-epsilon

//選擇燃燒模型

combustionmodel:PDF

//設(shè)置燃