燃燒仿真軟件OpenFOAM中的湍流模型應(yīng)用教程

燃燒仿真軟件OpenFOAM中的湍流模型應(yīng)用教程1OpenFOAM簡介1.1OpenFOAM的歷史與發(fā)展OpenFOAM,一個(gè)開源的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件包，由英國的OpenCFD有限公司開發(fā)，后被SINTEF集團(tuán)收購。自2004年首次發(fā)布以來，OpenFOAM因其強(qiáng)大的功能、靈活性以及廣泛的物理模型庫而迅速在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界獲得了廣泛的應(yīng)用。OpenFOAM的核心優(yōu)勢(shì)在于其能夠處理復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)問題，包括但不限于湍流、傳熱、化學(xué)反應(yīng)和燃燒過程。它支持多種網(wǎng)格類型，包括結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化和混合網(wǎng)格，這使得它在處理復(fù)雜幾何形狀時(shí)具有很高的適應(yīng)性。1.1.1發(fā)展歷程2004年：OpenFOAM首次發(fā)布，標(biāo)志著開源CFD軟件的一個(gè)重要里程碑。2007年：OpenFOAM1.4版本發(fā)布，引入了更多物理模型和改進(jìn)的并行計(jì)算能力。2010年：OpenFOAM1.6版本發(fā)布，增加了對(duì)GPU的支持，顯著提高了計(jì)算效率。2014年：OpenFOAM2.3版本發(fā)布，進(jìn)一步優(yōu)化了并行計(jì)算性能，增強(qiáng)了用戶界面和文檔。2018年：OpenFOAM6版本發(fā)布，引入了新的開發(fā)框架，提高了代碼的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。1.2OpenFOAM在燃燒仿真中的應(yīng)用OpenFOAM在燃燒仿真領(lǐng)域提供了豐富的工具和模型，能夠模擬從簡單的預(yù)混燃燒到復(fù)雜的非預(yù)混燃燒過程。它支持多種燃燒模型，包括層流燃燒模型、湍流燃燒模型、化學(xué)反應(yīng)模型等，這使得OpenFOAM成為研究燃燒現(xiàn)象和優(yōu)化燃燒設(shè)備設(shè)計(jì)的強(qiáng)大工具。1.2.1湍流模型應(yīng)用在OpenFOAM中，湍流模型是通過RASModels和LESModels庫來實(shí)現(xiàn)的。RASModels庫包含了雷諾平均方程(RANS)模型，而LESModels庫則包含了大渦模擬(LES)模型。這些模型能夠幫助用戶理解湍流對(duì)燃燒過程的影響，從而優(yōu)化燃燒效率和減少排放。1.2.1.1RANS模型示例在OpenFOAM中設(shè)置k-ε湍流模型，需要在constant/turbulenceProperties文件中進(jìn)行配置。以下是一個(gè)示例：//constant/turbulenceProperties文件示例

simulationType

{

RAS;

}

RAS

{

RASModelkEpsilon;

turbulencekineticenergyk

{

fieldk;

valueuniform0.01;

}

dissipationrateepsilon

{

fieldepsilon;

valueuniform0.001;

}

}在這個(gè)示例中，我們選擇了k-ε湍流模型，它是最常用的RANS模型之一，用于描述湍流的動(dòng)能(k)和耗散率(ε)。通過調(diào)整k和ε的初始值，可以更好地模擬特定的燃燒環(huán)境。1.2.1.2LES模型示例對(duì)于更精細(xì)的湍流模擬，可以使用大渦模擬(LES)。在constant/turbulenceProperties文件中，配置如下：//constant/turbulenceProperties文件示例

simulationType

{

LES;

}

LES

{

LESModeldynamicSmagorinsky;

dynamicSmagorinskyCoeffs

{

Cmu0.09;

Cs10.11;

Cs20.11;

}

}在這個(gè)示例中，我們選擇了動(dòng)態(tài)Smagorinsky模型，它是一種常用的LES模型，用于模擬大尺度渦流，而小尺度渦流則通過亞網(wǎng)格模型來處理。通過調(diào)整Cmu、Cs1和Cs2等參數(shù)，可以優(yōu)化模型的性能，以更準(zhǔn)確地模擬湍流燃燒。1.2.2化學(xué)反應(yīng)模型OpenFOAM還提供了多種化學(xué)反應(yīng)模型，包括層流火焰?zhèn)鞑ツＰ汀DF模型和EDC模型等，用于模擬燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng)。這些模型能夠幫助用戶理解燃燒反應(yīng)的細(xì)節(jié)，從而優(yōu)化燃燒過程。1.2.2.1層流火焰?zhèn)鞑ツＰ褪纠贠penFOAM中，使用層流火焰?zhèn)鞑ツＰ托枰赾onstant/reactingProperties文件中進(jìn)行配置。以下是一個(gè)簡單的示例：//constant/reactingProperties文件示例

thermodynamics

{

thermoType

{

typereactingIncompressible;

mixtureGRI30;

transportlaminar;

equationOfStateperfectGas;

energysensibleInternalEnergy;

}

}在這個(gè)示例中，我們選擇了GRI30混合物模型，它是一個(gè)包含53個(gè)物種和325個(gè)反應(yīng)的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)模型，適用于模擬天然氣燃燒。通過選擇不同的混合物模型和燃燒模型，可以模擬不同燃料的燃燒過程。1.2.3總結(jié)OpenFOAM作為一個(gè)強(qiáng)大的CFD軟件包，不僅在歷史發(fā)展上有著顯著的成就，而且在燃燒仿真領(lǐng)域提供了豐富的模型和工具。通過上述示例，我們可以看到如何在OpenFOAM中配置湍流模型和化學(xué)反應(yīng)模型，以模擬復(fù)雜的燃燒過程。這些模型和工具的應(yīng)用，對(duì)于深入理解燃燒機(jī)制、優(yōu)化燃燒設(shè)備設(shè)計(jì)以及減少燃燒過程中的排放具有重要意義。請(qǐng)注意，上述代碼示例是基于OpenFOAM的通用配置，具體應(yīng)用時(shí)可能需要根據(jù)實(shí)際問題和版本進(jìn)行調(diào)整。此外，OpenFOAM的使用通常需要一定的CFD和編程基礎(chǔ)，對(duì)于初學(xué)者來說，建議從官方文檔和教程開始學(xué)習(xí)。2湍流模型基礎(chǔ)2.1湍流的基本概念湍流，作為流體動(dòng)力學(xué)中的一種復(fù)雜現(xiàn)象，其特征在于流體的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)和能量的多尺度傳遞。在燃燒仿真中，湍流的存在對(duì)火焰的傳播速度、燃燒效率以及污染物的生成有著顯著影響。理解湍流的基本概念對(duì)于正確選擇和應(yīng)用湍流模型至關(guān)重要。2.1.1湍流的定義湍流是一種流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其中流體的運(yùn)動(dòng)軌跡高度不規(guī)則，流速隨時(shí)間和空間快速變化。這種不規(guī)則性源于流體內(nèi)部的不穩(wěn)定性和非線性相互作用，導(dǎo)致能量在不同尺度上不斷交換。2.1.2湍流的特征不規(guī)則性：湍流的流速和壓力在時(shí)間和空間上表現(xiàn)出隨機(jī)波動(dòng)。能量傳遞：湍流中能量從大尺度結(jié)構(gòu)傳遞到小尺度結(jié)構(gòu)，最終通過粘性耗散轉(zhuǎn)化為熱能。多尺度結(jié)構(gòu)：湍流包含從宏觀到微觀的多個(gè)尺度的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)相互作用，影響整體流動(dòng)行為。2.1.3湍流的度量雷諾數(shù)（Reynoldsnumber）：是判斷流體流動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，定義為流體的慣性力與粘性力的比值。高雷諾數(shù)通常與湍流相關(guān)聯(lián)。湍動(dòng)能（Turbulentkineticenergy）：表示湍流中流體粒子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的能量，是湍流模型中的重要變量。2.2湍流模型的分類湍流模型在燃燒仿真軟件如OpenFOAM中扮演著核心角色，它們用于描述和預(yù)測(cè)湍流的統(tǒng)計(jì)特性。根據(jù)模型的復(fù)雜度和計(jì)算需求，湍流模型可以分為以下幾類：2.2.1零方程模型零方程模型是最簡單的湍流模型，它們不直接求解湍動(dòng)能或湍流耗散率，而是通過經(jīng)驗(yàn)公式或常數(shù)來估計(jì)湍流的影響。例如，Prandtl的混合長度理論，它假設(shè)湍流粘性系數(shù)與流體的平均速度梯度和混合長度成正比。#Prandtl的混合長度理論示例

defprandtl_mixture_length_turbulence(nu,l,gradU):

"""

計(jì)算湍流粘性系數(shù)

:paramnu:動(dòng)力粘性系數(shù)

:paraml:混合長度

:paramgradU:速度梯度

:return:湍流粘性系數(shù)

"""

Cmu=0.09#經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

k=(gradU*l)**2#湍動(dòng)能

epsilon=Cmu*(k**1.5)/l#湍流耗散率

nu_t=Cmu*k*l/epsilon#湍流粘性系數(shù)

returnnu_t2.2.2方程模型一方程模型引入了湍動(dòng)能的方程，但通常忽略了湍流耗散率的直接求解，而是通過經(jīng)驗(yàn)公式來估計(jì)。Spalart-Allmaras模型是一個(gè)典型的一方程模型，它通過一個(gè)額外的方程來描述湍動(dòng)能的演化。//Spalart-Allmaras模型示例

Foam::tmp<Foam::volScalarField>SpalartAllmaras::nut()const

{

returnmax(nut_,dimensionedScalar("small",dimViscosity,SMALL));

}2.2.3兩方程模型兩方程模型同時(shí)求解湍動(dòng)能（k）和湍流耗散率（ε）的方程，能夠更準(zhǔn)確地描述湍流的動(dòng)態(tài)行為。k-ε模型和k-ω模型是最常用的兩方程模型。2.2.3.1k-ε模型//k-ε模型湍動(dòng)能方程示例

fvScalarMatrixkEqn

(

fvm::ddt(rho_,k_)

+fvm::div(phi_,k_)

-fvm::laplacian(muEff(),k_)

==

G

+min(0.0,F1)*fvm::SuSp((1.0/epsilon_)*k_,k_)

+fvm::Sp(fvm::SuSp(1.0,omega_)*k_/epsilon_,k_)

-fvm::Su(2.0*rho_*nuEff()*fvc::magSqr(fvc::grad(U_))/k_,k_)

);2.2.3.2k-ω模型//k-ω模型湍動(dòng)能方程示例

fvScalarMatrixkEqn

(

fvm::ddt(rho_,k_)

+fvm::div(phi_,k_)

-fvm::laplacian(muEff(),k_)

==

G

+min(0.0,F1)*fvm::SuSp((1.0/omega_)*k_,k_)

+fvm::Sp(fvm::SuSp(1.0,omega_)*k_/omega_,k_)

-fvm::Su(2.0*rho_*nuEff()*fvc::magSqr(fvc::grad(U_))/k_,k_)

);2.2.4大渦模擬（LES）大渦模擬是一種高級(jí)湍流模型，它直接模擬大尺度湍流結(jié)構(gòu)，而小尺度結(jié)構(gòu)則通過亞格子模型來處理。LES適用于高分辨率的計(jì)算，能夠提供更詳細(xì)的湍流流動(dòng)信息。2.2.5直接數(shù)值模擬（DNS）直接數(shù)值模擬是最精確的湍流模擬方法，它直接求解流體動(dòng)力學(xué)的所有尺度，包括湍流的微觀尺度。然而，DNS需要極高的計(jì)算資源，通常僅限于學(xué)術(shù)研究和小尺度流動(dòng)的模擬。通過以上介紹，我們可以看到，選擇合適的湍流模型對(duì)于準(zhǔn)確模擬燃燒過程中的湍流行為至關(guān)重要。不同的模型適用于不同類型的流動(dòng)和計(jì)算資源，理解它們的原理和適用范圍是進(jìn)行有效燃燒仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。3OpenFOAM中的湍流模型設(shè)置3.1湍流模型的選擇在OpenFOAM中進(jìn)行燃燒仿真時(shí)，選擇合適的湍流模型至關(guān)重要，因?yàn)槿紵^程往往伴隨著復(fù)雜的湍流現(xiàn)象。OpenFOAM提供了多種湍流模型，包括RANS（Reynolds-AveragedNavier-Stokes）模型和LES（LargeEddySimulation）模型。RANS模型中，常用的有k-ε模型和k-ω模型，而LES模型則適用于更高精度的湍流模擬。3.1.1k-ε模型k-ε模型是基于湍流能量（k）和湍流耗散率（ε）的二階閉合模型。它適用于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用，特別是在有強(qiáng)剪切層的流動(dòng)中。在OpenFOAM中，設(shè)置k-ε模型涉及修改constant/turbulenceProperties文件。3.1.1.1示例代碼#constant/turbulenceProperties文件示例

simulationTypeRAS;

RAS

{

RASModelkEpsilon;

turbulencekineticEnergy;

dissipationRateepsilon;

//更多參數(shù)設(shè)置

}3.1.2k-ω模型k-ω模型同樣基于湍流能量（k）和湍流頻率（ω），但通常在邊界層附近提供更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。在OpenFOAM中，k-ω模型的設(shè)置與k-ε模型類似，但需要指定不同的模型類型。3.1.2.1示例代碼#constant/turbulenceProperties文件示例

simulationTypeRAS;

RAS

{

RASModelkOmega;

turbulencekineticEnergy;

omegaomega;

//更多參數(shù)設(shè)置

}3.2湍流模型參數(shù)的調(diào)整選擇完湍流模型后，需要根據(jù)具體問題調(diào)整模型參數(shù)，以提高模擬的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。這些參數(shù)包括湍流粘性系數(shù)、湍流強(qiáng)度、湍流長度尺度等。調(diào)整參數(shù)通常在constant/turbulenceProperties文件中進(jìn)行。3.2.1湍流粘性系數(shù)湍流粘性系數(shù)（nut）是湍流模型中的關(guān)鍵參數(shù)，它影響著流動(dòng)的湍流特性。在k-ε和k-ω模型中，nut的計(jì)算方式不同，但都可以通過調(diào)整模型參數(shù)來優(yōu)化。3.2.1.1示例代碼#constant/turbulenceProperties文件示例

RAS

{

RASModelkEpsilon;

...

nutMin1e-10;//設(shè)置最小湍流粘性系數(shù)

nutMax1e6;//設(shè)置最大湍流粘性系數(shù)

}3.2.2湍流強(qiáng)度和長度尺度湍流強(qiáng)度（I）和湍流長度尺度（L）是初始條件中需要設(shè)定的參數(shù)，它們影響著湍流的初始分布。在燃燒仿真中，這些參數(shù)的合理設(shè)定對(duì)于模擬的初始階段尤為重要。3.2.2.1示例代碼#0文件夾中的初始條件設(shè)置示例

I

(

"uniform0.1";//設(shè)置湍流強(qiáng)度為10%

dimensions[0000000];

)

L

(

"uniform0.1";//設(shè)置湍流長度尺度為0.1m

dimensions[1000000];

)3.2.3模型參數(shù)的敏感性分析在調(diào)整湍流模型參數(shù)時(shí)，進(jìn)行敏感性分析是必要的，以確定哪些參數(shù)對(duì)結(jié)果影響最大。這可以通過運(yùn)行多個(gè)模擬，每次只改變一個(gè)參數(shù)，然后比較結(jié)果來實(shí)現(xiàn)。3.2.3.1示例代碼#運(yùn)行多個(gè)模擬，每次改變湍流強(qiáng)度

forIin0.050.10.15

do

cp-rcasecase_I_$I;

sed-i"s/uniform0.1/uniform$I/g"case_I_$I/0/I;

blockMesh-casecase_I_$I;

simpleFoam-casecase_I_$I;

done以上代碼示例展示了如何在OpenFOAM中設(shè)置和調(diào)整湍流模型，以及如何進(jìn)行敏感性分析。通過這些設(shè)置，可以更準(zhǔn)確地模擬燃燒過程中的湍流現(xiàn)象，從而提高燃燒仿真的精度和可靠性。4湍流燃燒模型在OpenFOAM中的應(yīng)用4.1非預(yù)混燃燒模型4.1.1原理非預(yù)混燃燒模型（Non-premixedCombustionModel）適用于燃料和氧化劑在燃燒前未充分混合的場(chǎng)景，如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒過程。在非預(yù)混燃燒中，湍流和燃燒過程是相互耦合的，湍流促進(jìn)燃料和氧化劑的混合，而燃燒則影響湍流的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。OpenFOAM中的非預(yù)混燃燒模型通常基于EddyDissipationModel(EDM)或者ProgressVariableModel(PVM)。4.1.2內(nèi)容在OpenFOAM中，非預(yù)混燃燒模型的設(shè)置主要在constant/turbulenceProperties和constant/thermophysicalProperties文件中完成。此外，還需要在system/fvSolution和system/fvSchemes中定義求解器的設(shè)置。4.1.2.1示例：EddyDissipationModel(EDM)在constant/turbulenceProperties中，選擇適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ?，如kOmegaSST，并確保在thermophysicalProperties中指定了燃料和氧化劑的物理和化學(xué)屬性。#constant/turbulenceProperties

simulationTypeRAS;

RAS

{

RASModelkOmegaSST;

...

}在system/fvSolution中，定義湍流和燃燒相關(guān)的方程求解器設(shè)置。#system/fvSolution

solvers

{

...

k

{

solversmoothSolver;

...

}

omega

{

solversmoothSolver;

...

}

Y

{

solversmoothSolver;

...

}

}在system/fvSchemes中，選擇適合的離散方案。#system/fvSchemes

ddtSchemes

{

defaultsteadyState;

}

...

divSchemes

{

defaultnone;

div(phi,Y)Gausslinear;

div(phi,k)Gausslinear;

div(phi,omega)Gausslinear;

}4.1.3進(jìn)一步操作為了運(yùn)行非預(yù)混燃燒模型的仿真，需要在0目錄下初始化所有必要的變量，包括湍流變量（如k和omega）和組分濃度（如Y）。然后，使用適當(dāng)?shù)那蠼馄?，如simpleFoam或rhoCentralFoam，開始仿真。#初始化變量

foamDictionary-dict0/Y-entryY-default0|tee0/Y

#運(yùn)行求解器

simpleFoam4.2預(yù)混燃燒模型4.2.1原理預(yù)混燃燒模型（PremixedCombustionModel）適用于燃料和氧化劑在燃燒前已經(jīng)充分混合的場(chǎng)景，如天然氣燃燒。預(yù)混燃燒模型通?；贔lamelet或PDF方法，其中Flamelet方法是基于預(yù)定義的火焰結(jié)構(gòu)，而PDF方法則考慮了燃料和氧化劑的微觀混合狀態(tài)。4.2.2內(nèi)容在OpenFOAM中，預(yù)混燃燒模型的設(shè)置主要在constant/thermophysicalProperties和system/fvSolution文件中完成。thermophysicalProperties中需要定義燃料和氧化劑的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。4.2.2.1示例：Flamelet預(yù)混燃燒模型在constant/thermophysicalProperties中，定義燃料和氧化劑的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，以及選擇Flamelet模型。#constant/thermophysicalProperties

thermoType

{

...

mixturereactingMixture;

...

}

...

equationOfState

{

...

mixturereactingMixture;

...

}

...

thermodynamics

{

...

thermoModelhePsiThermo;

...

}

...

transport

{

...

transportModelconst;

...

}

...

reaction

{

...

reactionModellaminar;

...

}

...

turbulence

{

...

turbulenceModelRAS;

...

}

...

mixing

{

...

mixingModelFlamelet;

...

}在system/fvSolution中，定義求解器的設(shè)置，包括時(shí)間步長和求解控制。#system/fvSolution

SIMPLE

{

...

nNonOrthogonalCorrectors0;

...

}

...

controlDict

{

...

endTime100;

...

writeInterval10;

...

applicationrhoCentralFoam;

...

}4.2.3進(jìn)一步操作初始化所有必要的變量，包括溫度、壓力和組分濃度。然后，使用預(yù)混燃燒求解器，如rhoCentralFoam，開始仿真。#初始化變量

foamDictionary-dict0/T-entryT-default300|tee0/T

#運(yùn)行求解器

rhoCentralFoam通過上述設(shè)置和操作，可以使用OpenFOAM進(jìn)行非預(yù)混和預(yù)混燃燒模型的仿真，從而深入理解湍流對(duì)燃燒過程的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，可能需要根據(jù)具體問題調(diào)整模型參數(shù)和求解器設(shè)置，以獲得更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。5OpenFOAM湍流燃燒仿真案例5.1案例準(zhǔn)備與網(wǎng)格劃分在進(jìn)行OpenFOAM中的湍流燃燒仿真之前，首先需要準(zhǔn)備案例并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。這一步驟是確保仿真準(zhǔn)確性和效率的關(guān)鍵。5.1.1案例準(zhǔn)備案例準(zhǔn)備涉及定義幾何形狀、選擇物理模型、設(shè)置邊界條件和初始條件。在OpenFOAM中，幾何形狀通常通過blockMesh工具定義，該工具允許用戶創(chuàng)建由六面體組成的網(wǎng)格。5.1.1.1定義幾何形狀在constant/polyMesh目錄下，需要?jiǎng)?chuàng)建blockMeshDict文件，該文件描述了幾何形狀和網(wǎng)格的細(xì)節(jié)。例如，一個(gè)簡單的燃燒室?guī)缀涡螤羁梢赃@樣定義：#blockMeshDict文件示例

convertToMeters1;

vertices

(

(000)

(100)

(110)

(010)

(000.1)

(100.1)

(110.1)

(010.1)

);

blocks

(

hex(01234567)(10101)simpleGrading(111)

);

edges

(

);

boundary

(

inlet

{

typepatch;

faces

(

(3267)

);

}

outlet

{

typepatch;

faces

(

(0451)

);

}

walls

{

typewall;

faces

(

(0374)

(1265)

(0123)

);

}

);

boundaryField

(

);

mergePatchPairs

(

);5.1.2網(wǎng)格劃分使用blockMesh命令生成網(wǎng)格：blockMesh生成的網(wǎng)格文件將保存在constant/polyMesh目錄下，可以使用paraFoam或foamToVTK工具進(jìn)行可視化檢查。5.2邊界條件與初始條件設(shè)置邊界條件和初始條件的設(shè)置對(duì)于燃燒仿真至關(guān)重要，它們決定了流體的初始狀態(tài)和邊界行為。5.2.1邊界條件設(shè)置邊界條件通常在0目錄下的U（速度）、p（壓力）、T（溫度）和Y（組分濃度）文件中定義。例如，對(duì)于入口邊界，可以設(shè)置為速度入口：#U文件示例

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(100);

}對(duì)于出口邊界，可以設(shè)置為壓力出口：#p文件示例

outlet

{

typefixedValue;

valueuniform0;

}5.2.2初始條件設(shè)置初始條件同樣在0目錄下的U、p、T和Y文件中設(shè)置。例如，初始溫度可以設(shè)置為：#T文件示例

internalFielduniform300;這表示整個(gè)域的初始溫度為300K。5.2.3物理模型選擇在constant/turbulenceProperties文件中，選擇湍流模型。OpenFOAM提供了多種湍流模型，如k-epsilon、k-omega等。例如，選擇k-epsilon模型：#turbulenceProperties文件示例

simulationTypeRAS;

RAS

{

RASModelkEpsilon;

turbulencekineticEnergy;

dissipationRateepsilon;

}在constant/thermophysicalProperties文件中，定義燃燒模型和燃料特性。例如，選擇thermoType為hePsiThermo，并定義燃料和氧化劑：#thermophysicalProperties文件示例

thermoType

{

typehePsiThermo;

mixturepureMixture;

transportconst;

thermohConst;

equationOfStateperfectGas;

speciemolWt28.96;

energysensibleInternalEnergy;

}

mixture

{

specie

{

nMoles1;

molWeight28.96;

}

thermodynamics

{

Cp1004.5;

Hf0;

}

transport

{

mu1.7894e-5;

Pr0.71;

}

}5.2.4運(yùn)行仿真在設(shè)置好所有條件后，可以使用OpenFOAM的求解器，如simpleFoam或rhoCentralFoam，來運(yùn)行仿真：simpleFoam或rhoCentralFoam在仿真過程中，OpenFOAM會(huì)根據(jù)設(shè)定的物理模型和邊界條件，計(jì)算流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和組分濃度場(chǎng)的變化，從而模擬燃燒過程。5.2.5后處理仿真結(jié)束后，可以使用paraFoam或foamToVTK工具對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化分析，以檢查燃燒過程的細(xì)節(jié)，如火焰?zhèn)鞑?、溫度分布和組分濃度變化。通過以上步驟，可以有效地在OpenFOAM中進(jìn)行湍流燃燒仿真，為理解和優(yōu)化燃燒過程提供有力的工具。6運(yùn)行與后處理6.1OpenFOAM仿真運(yùn)行在進(jìn)行燃燒仿真時(shí)，OpenFOAM提供了一系列強(qiáng)大的工具和模型，特別是針對(duì)湍流燃燒的模擬。運(yùn)行OpenFOAM仿真涉及多個(gè)步驟，從設(shè)置計(jì)算域、選擇湍流模型，到設(shè)定邊界條件和初始條件，最后執(zhí)行求解器。6.1.1設(shè)置計(jì)算域計(jì)算域的定義通常在constant/polyMesh目錄下進(jìn)行，通過blockMesh工具生成網(wǎng)格。例如，定義一個(gè)簡單的立方體域：#blockMeshDict文件示例

convertToMeters1;

vertices

(

(000)

(100)

(110)

(010)

(000.1)

(100.1)

(110.1)

(010.1)

);

blocks

(

hex(01234567)(101010)simpleGrading(111)

);

edges

(

);

boundary

(

inlet

{

typepatch;

faces

(

(2376)

);

}

outlet

{

typepatch;

faces

(

(0154)

);

}

walls

{

typewall;

faces

(

(1265)

(0374)

(0132)

(4567)

);

}

);

mergePatchPairs

(

);6.1.2選擇湍流模型在constant/turbulenceProperties文件中，可以指定湍流模型。例如，選擇k-epsilon模型：#turbulenceProperties文件示例

simulationTypeRAS;

RAS

{

RASModelkEpsilon;

turbulencekineticEnergy;

dissipationRateepsilon;

//更多模型參數(shù)

}6.1.3設(shè)定邊界條件和初始條件邊界條件和初始條件在0目錄下設(shè)置，例如速度、壓力和溫度。以下是一個(gè)速度邊界條件的示例：#U文件示例

dimensions[01-10000];

internalFielduniform(000);

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(100);

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typefixedValue;

valueuniform(000);

}

}6.1.4執(zhí)行求解器最后，通過選擇適當(dāng)?shù)那蠼馄鳎ㄈ鐂impleFoam或combustionFoam）并運(yùn)行，開始仿真：simpleFoam6.2結(jié)果分析與可視化OpenFOAM仿真完成后，結(jié)果通常存儲(chǔ)在postProcessing目錄下。分析和可視化這些結(jié)果是理解燃燒過程的關(guān)鍵步驟。6.2.1分析結(jié)果結(jié)果文件可以使用OpenFOAM自帶的工具進(jìn)行分析，例如postProcess命令可以生成特定的輸出數(shù)據(jù)：postProcess-func"surfaceToCell(heatFlux)"6.2.2可視化結(jié)果OpenFOAM支持多種可視化工具，如ParaView和Foam::functionObjects。以下是如何使用ParaView打開和查看結(jié)果的示例：將結(jié)果轉(zhuǎn)換為VTK格式：foamToVTKtime=latestTime使用ParaView打開轉(zhuǎn)換后的VTK文件：paraview<caseName>.foam在ParaView中，可以使用多種工具和插件來查看和分析流場(chǎng)、溫度分布、湍流強(qiáng)度等。6.2.3示例：溫度分布可視化假設(shè)我們已經(jīng)運(yùn)行了一個(gè)燃燒仿真案例，并想要查看溫度分布。首先，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為VTK格式：foamToVTKtime=latestTime然后，在ParaView中打開生成的VTK文件，選擇T變量進(jìn)行顯示。通過調(diào)整顏色映射、添加等值面或矢量箭頭，可以更直觀地理解燃燒過程中的溫度變化和湍流流動(dòng)。6.2.4總結(jié)通過上述步驟，可以有效地在OpenFOAM中運(yùn)行燃燒仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行深入的分析和可視化。理解湍流模型的選擇、邊界條件的設(shè)定，以及如何利用工具分析和可視化結(jié)果，是進(jìn)行燃燒仿真研究的關(guān)鍵技能。請(qǐng)注意，上述示例和說明是基于OpenFOAM的基本使用流程，具體參數(shù)和模型的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的燃燒仿真需求和物理?xiàng)l件進(jìn)行調(diào)整。7高級(jí)湍流燃燒仿真技巧7.1并行計(jì)算在OpenFOAM中進(jìn)行燃燒仿真時(shí)，處理復(fù)雜的湍流燃燒問題往往需要大量的計(jì)算資源。并行計(jì)算技術(shù)可以顯著提高計(jì)算效率，通過將計(jì)算任務(wù)分解到多個(gè)處理器上同時(shí)執(zhí)行，從而縮短仿真時(shí)間。OpenFOAM支持MPI（MessagePassingInterface）并行計(jì)算，可以利用多核處理器或分布式計(jì)算集群。7.1.1并行計(jì)算原理并行計(jì)算的基本思想是將計(jì)算域分解成多個(gè)子域，每個(gè)子域由一個(gè)處理器負(fù)責(zé)計(jì)算。OpenFOAM使用了“domaindecomposition”方法，即將計(jì)算網(wǎng)格分割成多個(gè)部分，每個(gè)部分由不同的處理器處理。這種分割可以通過手動(dòng)或使用OpenFOAM自帶的工具進(jìn)行。7.1.2并行計(jì)算步驟網(wǎng)格分割：使用blockMesh生成網(wǎng)格后，可以使用pdTools中的pdBlockMesh或simpleBlockMesh進(jìn)行網(wǎng)格分割。并行運(yùn)行：使用mpirun或mpiexec命令啟動(dòng)并行計(jì)算，例如：mpirun-np4$(whichsimpleFoam)-case<case_directory>7.1.3示例：并行運(yùn)行OpenFOAM案例假設(shè)我們有一個(gè)名為turbulentCombustion的案例目錄，下面是如何使用并行計(jì)算運(yùn)行該案例的步驟：網(wǎng)格分割：cdturbulentCombustion

simpleBlockMesh并行化網(wǎng)格：decomposePar并行運(yùn)行：mpirun-np4simpleFoam-caseturbulentCombustion7.2自定義湍流模型OpenFOAM的靈活性允許用戶自定義湍流模型，這對(duì)于研究特定燃燒過程中的湍流行為至關(guān)重要。自定義模型可以更準(zhǔn)確地反映實(shí)際燃燒環(huán)境中的湍流特性，從而提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。7.2.1自定義湍流模型原理OpenFOAM的湍流模型是基于RANS（Reynolds-AveragedNavier-Stokes）方程的。自定義湍流模型通常涉及修改湍流能量方程、湍流耗散率方程或湍流粘性系數(shù)的計(jì)算方式。這可以通過修改現(xiàn)有的湍流模型代碼或創(chuàng)建新的湍流模型類來實(shí)現(xiàn)。7.2.2自定義湍流模型步驟選擇基礎(chǔ)模型：從現(xiàn)有的湍流模型中選擇一個(gè)作為基礎(chǔ)，例如kOmegaSST模型。修改湍流模型代碼：在$FOAM_SRC/turbule