燃燒仿真軟件OpenFOAM網(wǎng)格生成技術(shù)教程

燃燒仿真軟件OpenFOAM網(wǎng)格生成技術(shù)教程1OpenFOAM簡介1.1OpenFOAM的歷史與發(fā)展OpenFOAM,一個開源的計算流體動力學(xué)(CFD)軟件包，由英國的OpenCFD有限公司開發(fā)，后被SINTEF收購。自2004年首次發(fā)布以來，OpenFOAM因其強大的功能、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)勢在于其能夠處理復(fù)雜的流體動力學(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，以及并行計算，使得大規(guī)模仿真成為可能。1.1.1發(fā)展歷程2004年：OpenFOAM首次發(fā)布，標志著開源CFD軟件的一個重要里程碑。2007年：OpenFOAM1.4版本發(fā)布，引入了更多物理模型和并行計算能力。2010年：OpenFOAM1.6版本發(fā)布，增強了燃燒模型和化學(xué)反應(yīng)模型。2014年：OpenFOAM2.3版本發(fā)布，進一步優(yōu)化了網(wǎng)格生成技術(shù)和并行計算效率。2020年：OpenFOAM7版本發(fā)布，引入了新的用戶界面和更先進的物理模型。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，如層流燃燒、湍流燃燒、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型等，適用于不同類型的燃燒器和燃燒環(huán)境。1.2.1燃燒模型層流燃燒模型：適用于低速、無湍流影響的燃燒過程。OpenFOAM通過解決能量方程和物種守恒方程來模擬層流燃燒。湍流燃燒模型：考慮到湍流對燃燒過程的影響，OpenFOAM提供了多種湍流模型，如k-ε模型、k-ω模型和雷諾應(yīng)力模型(RSM)。化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型：OpenFOAM能夠處理復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，包括多步反應(yīng)和中間產(chǎn)物的生成。1.2.2示例：使用OpenFOAM進行層流燃燒仿真假設(shè)我們想要模擬一個簡單的層流燃燒過程，其中氫氣在空氣中燃燒。以下是一個基本的設(shè)置步驟和代碼示例：1.2.2.1準備計算域首先，我們需要定義計算域的幾何形狀和邊界條件。這通常在constant/polyMesh目錄下的blockMeshDict文件中完成。#blockMeshDict文件示例

convertToMeters1;

vertices

(

(000)

(0.100)

(0.10.10)

(00.10)

(000.1)

(0.100.1)

(0.10.10.1)

(00.10.1)

);

blocks

(

hex(01234567)(101010)simpleGrading(111)

);

edges

(

);

boundary

(

inlet

{

typepatch;

faces

(

(0154)

);

}

outlet

{

typepatch;

faces

(

(2376)

);

}

walls

{

typewall;

faces

(

(1265)

(0374)

);

}

frontAndBack

{

typeempty;

faces

(

(0321)

(4765)

);

}

);1.2.2.2設(shè)置物理模型和邊界條件在constant目錄下，我們需要設(shè)置物理模型和邊界條件。這通常涉及到transportProperties、thermophysicalProperties和boundary文件。#thermophysicalProperties文件示例

thermoType

{

typehePsiThermo;

mixturemixture;

transportconst;

thermohConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

mixture

{

specie

{

species(H2O2N2H2O);

nMoles(213.760);

molWeight(2.016322818);

}

equationOfState

{

rho(0.08991.4291.2510.801);

Cp(1430091810401430);

Hf(0-2420000-242000);

}

transport

{

mu(8.4e-061.98e-051.81e-056.0e-06);

Pr(0.710.710.710.71);

}

thermodynamics

{

Tstd(298.15);

pRef(101325);

TRef(298.15);

}

}1.2.2.3運行仿真使用OpenFOAM的simpleFoam求解器來運行仿真。在命令行中，可以使用以下命令：simpleFoam-case<yourCaseDirectory>1.2.3結(jié)果分析仿真完成后，結(jié)果通常存儲在postProcessing目錄下，可以使用OpenFOAM自帶的后處理工具如paraFoam或第三方軟件如ParaView進行可視化和分析。1.2.3.1示例：使用paraFoam可視化溫度分布paraFoam-case<yourCaseDirectory>在ParaView中，可以加載溫度分布數(shù)據(jù)，設(shè)置顏色映射，生成等溫面或流線圖，以直觀地展示燃燒過程中的溫度變化。通過以上步驟，我們可以使用OpenFOAM進行基本的層流燃燒仿真，這對于理解燃燒過程的基礎(chǔ)物理和化學(xué)機制至關(guān)重要。OpenFOAM的靈活性和強大的物理模型庫使其成為燃燒仿真領(lǐng)域的首選工具之一。2網(wǎng)格生成基礎(chǔ)2.1網(wǎng)格類型與選擇在進行燃燒仿真時，網(wǎng)格的選擇至關(guān)重要，它直接影響到計算的準確性和效率。OpenFOAM支持多種網(wǎng)格類型，包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、混合網(wǎng)格以及自適應(yīng)網(wǎng)格。下面將詳細介紹這些網(wǎng)格類型及其在OpenFOAM中的應(yīng)用。2.1.1結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是最常見的網(wǎng)格類型之一，其特點是網(wǎng)格單元在空間上呈規(guī)則排列，如矩形、立方體等。在OpenFOAM中，可以使用blockMesh工具來生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。下面是一個簡單的blockMeshDict配置文件示例，用于生成一個3D結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格：/**-C++-**\

|=========||

|\\/Field|OpenFOAM:TheOpenSourceCFDToolbox|

|\\/Operation|Version:v2012|

|\\/And||

|\\/Manipulation||

\**/

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classdictionary;

objectblockMeshDict;

}

//*************************************//

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

(

(0154)

(0374)

(1265)

(2376)

);

}

);

//*************************************************************************//在這個示例中，我們定義了一個包含8個頂點的立方體，然后使用這些頂點定義了一個六面體（hex）網(wǎng)格塊。網(wǎng)格塊被劃分為10x10x1個單元，且所有方向上的單元大小相同。2.1.2非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的單元在空間上不規(guī)則排列，適用于復(fù)雜幾何形狀的模擬。OpenFOAM中的snappyHexMesh工具可以生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，它能夠自動適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀。下面是一個使用snappyHexMesh生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的簡單流程：準備幾何模型（如STL文件）。創(chuàng)建constant/triSurface目錄，將幾何模型文件放入其中。編寫snappyHexMeshDict配置文件，指定網(wǎng)格生成參數(shù)。運行snappyHexMesh命令生成網(wǎng)格。#snappyHexMeshDict配置文件示例

castellatedMeshControls

{

nCellsBetweenLevels3;

maxLocalCells100000;

maxGlobalCells1000000;

maxLoadUnbalance10;

nCellsInInsertLayer0;

cacheBbtrue;

allowFreeStandingZoneFacestrue;

}

refinementSurfaces

{

surfaceRefinement10;

}

refinementLevels

{

level00;

level11;

level22;

level33;

}

refinementZones

{

zone0

{

levels(level0);

};

}

meshQualityControls

{

maxNonOrtho70;

maxBoundaryNonOrtho70;

minVol1e-10;

minArea1e-10;

minFaceWeight0.01;

minMedianWeight0.1;

minVolDiff0.1;

minAreaDiff0.1;

maxSkewness0.8;

maxConcave0.8;

maxNumBadEdges10000;

maxFacePyramidDepth10;

maxFacePatches10;

maxGlobalCells1000000;

maxLocalCells100000;

maxLoadUnbalance10;

allowFreeStandingZoneFacestrue;

}2.1.3混合網(wǎng)格混合網(wǎng)格結(jié)合了結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點，通常在邊界層使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而在遠離邊界層的區(qū)域使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。OpenFOAM中的blockMesh和snappyHexMesh工具可以聯(lián)合使用來生成混合網(wǎng)格。2.1.4自適應(yīng)網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)允許在計算過程中動態(tài)調(diào)整網(wǎng)格密度，以提高計算效率和精度。OpenFOAM支持基于誤差估計的自適應(yīng)網(wǎng)格細化，這在處理瞬態(tài)燃燒仿真時特別有用。2.2網(wǎng)格質(zhì)量的重要性網(wǎng)格質(zhì)量直接影響燃燒仿真的準確性和計算效率。低質(zhì)量的網(wǎng)格可能導(dǎo)致數(shù)值解的不穩(wěn)定性，增加計算時間，甚至導(dǎo)致計算失敗。OpenFOAM提供了多種工具來檢查和優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，如checkMesh和refineMesh。2.2.1網(wǎng)格質(zhì)量檢查checkMesh命令可以檢查網(wǎng)格的非正交性、扭曲度、最小體積等質(zhì)量指標。例如：$checkMesh2.2.2網(wǎng)格優(yōu)化網(wǎng)格優(yōu)化可以通過調(diào)整網(wǎng)格單元的大小、形狀和分布來提高網(wǎng)格質(zhì)量。OpenFOAM中的refineMesh命令可以基于預(yù)定義的規(guī)則對網(wǎng)格進行細化，而adaptMesh命令則可以基于解的誤差估計進行自適應(yīng)細化。#refineMesh命令示例

$refineMesh2在上述命令中，數(shù)字2表示網(wǎng)格細化的倍數(shù)，即每個方向上的單元數(shù)將增加到原來的2倍。2.2.3網(wǎng)格質(zhì)量指標非正交性：網(wǎng)格單元的非正交性角度，角度越小，網(wǎng)格質(zhì)量越高。扭曲度：網(wǎng)格單元的形狀偏離理想形狀的程度，值越接近1，網(wǎng)格質(zhì)量越高。最小體積：網(wǎng)格中最小單元的體積，體積越小，網(wǎng)格越細，但過小可能導(dǎo)致計算不穩(wěn)定。通過理解和優(yōu)化這些網(wǎng)格質(zhì)量指標，可以顯著提高燃燒仿真的準確性和效率。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體問題和計算資源來選擇合適的網(wǎng)格類型和優(yōu)化策略。3OpenFOAM網(wǎng)格生成流程3.1預(yù)處理：定義幾何與邊界在進行燃燒仿真之前，OpenFOAM的預(yù)處理階段是至關(guān)重要的，它涉及到定義幾何形狀和邊界條件。這一過程通常使用dict文件來描述，其中blockMeshDict是最常用的文件之一，用于定義計算域的幾何形狀和網(wǎng)格劃分的參數(shù)。3.1.1定義幾何形狀幾何形狀的定義是通過一系列的點和邊來實現(xiàn)的。這些點和邊構(gòu)成了計算域的邊界。在blockMeshDict文件中，首先定義這些點的坐標，然后使用這些點來定義邊和面，最后通過面來定義體塊。3.1.1.1示例：定義點和邊//定義點

points

(

(000)//點1

(100)//點2

(110)//點3

(010)//點4

(001)//點5

(101)//點6

(111)//點7

(011)//點8

);

//定義邊

edges

(

//無特殊邊定義，使用默認直線邊

);3.1.2定義邊界條件邊界條件的定義是通過指定體塊的邊界面來實現(xiàn)的。在blockMeshDict文件中，邊界條件通常包括入口、出口、壁面和對稱面等。3.1.2.1示例：定義邊界//定義邊界

boundary

(

inlet

{

typepatch;

faces

(

(1265)

);

}

outlet

{

typepatch;

faces

(

(4567)

);

}

walls

{

typewall;

faces

(

(1234)

(5678)

(1584)

(2673)

);

}

);3.2網(wǎng)格劃分：使用blockMesh工具blockMesh是OpenFOAM中用于生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的工具。它基于blockMeshDict文件中的定義，將計算域劃分為一系列的體塊，每個體塊內(nèi)部的網(wǎng)格是均勻的。3.2.1體塊定義體塊定義包括體塊的角點、網(wǎng)格的劃分數(shù)量、網(wǎng)格的類型（如uniform或graded）以及邊界條件的引用。3.2.1.1示例：定義體塊//定義體塊

blocks

(

hex(12345678)(101010)simpleGrading(111)

);3.2.2網(wǎng)格劃分在定義了體塊之后，運行blockMesh命令即可生成網(wǎng)格。生成的網(wǎng)格文件將保存在constant/polyMesh目錄下，包括points、faces、owner、neighbour等文件。3.2.2.1示例：運行blockMesh命令blockMesh3.2.3網(wǎng)格檢查生成網(wǎng)格后，應(yīng)使用checkMesh命令檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，確保沒有重疊或扭曲的單元。3.2.3.1示例：檢查網(wǎng)格checkMesh3.2.4網(wǎng)格可視化OpenFOAM提供了paraFoam工具，可以將生成的網(wǎng)格可視化，以便于檢查和分析。3.2.4.1示例：使用paraFoam可視化網(wǎng)格paraFoam通過上述步驟，我們可以使用OpenFOAM的blockMesh工具生成用于燃燒仿真的網(wǎng)格。這包括定義幾何形狀、邊界條件、體塊劃分，以及網(wǎng)格的生成、檢查和可視化。這些操作是進行任何CFD（計算流體動力學(xué)）仿真，包括燃燒仿真的基礎(chǔ)。4高級網(wǎng)格生成技術(shù)4.1使用snappyHexMesh處理復(fù)雜幾何4.1.1原理snappyHexMesh是OpenFOAM中一個強大的網(wǎng)格生成工具，特別適用于處理復(fù)雜幾何形狀。它通過結(jié)合六面體(hexahedral)網(wǎng)格和表面三角形(surfacingtriangulation)來生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。該工具首先創(chuàng)建一個包圍復(fù)雜幾何的六面體網(wǎng)格，然后通過“切割”(cutting)和“適應(yīng)”(snapping)的過程，使網(wǎng)格邊界精確地貼合幾何表面。4.1.2內(nèi)容定義幾何模型：使用STL或OBJ格式的文件來定義復(fù)雜幾何形狀。配置snappyHexMeshDict：設(shè)置網(wǎng)格生成參數(shù)，包括初始網(wǎng)格尺寸、細化區(qū)域、表面適應(yīng)等。運行網(wǎng)格生成：執(zhí)行snappyHexMesh命令，生成適應(yīng)復(fù)雜幾何的網(wǎng)格。后處理：檢查生成的網(wǎng)格質(zhì)量，進行必要的優(yōu)化和修復(fù)。4.1.3示例代碼#snappyHexMeshDict配置文件示例

castellatedMeshControls

{

nCellsBetweenLevels3;

maxLocalCells100000;

maxGlobalCells1000000;

maxLoadUnbalance0.5;

nCellsInInsertLayer0;

cacheBbtrue;

allowFreeStandingZoneFacestrue;

}

refinementSurfaces

{

surface1

{

typepatch;

level(666);

finalLevel6;

nSmoothPatch3;

featureAngle60;

}

}

refinementRegions

{

region1

{

level(666);

nSmooth3;

nBufferCells3;

cellLevel0;

}

}4.1.4解釋castellatedMeshControls部分定義了網(wǎng)格生成的基本控制參數(shù)，如nCellsBetweenLevels控制網(wǎng)格細化的密度。refinementSurfaces部分用于指定需要細化的表面，surface1是一個示例，其中l(wèi)evel定義了表面細化的層次。refinementRegions部分定義了需要細化的區(qū)域，region1是一個示例，其中l(wèi)evel定義了區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格細化的層次。4.2動態(tài)網(wǎng)格適應(yīng)與優(yōu)化4.2.1原理動態(tài)網(wǎng)格適應(yīng)是OpenFOAM中的一項高級功能，允許在仿真過程中自動調(diào)整網(wǎng)格的分辨率，以適應(yīng)流場的變化。這通過監(jiān)測特定的流場變量，如速度或溫度，來實現(xiàn)。當這些變量的梯度較大時，網(wǎng)格會自動細化，以提高局部的計算精度；反之，當梯度較小時，網(wǎng)格會自動粗化，以減少計算成本。4.2.2內(nèi)容定義適應(yīng)標準：選擇用于網(wǎng)格適應(yīng)的流場變量和適應(yīng)閾值。配置適應(yīng)參數(shù)：在controlDict中設(shè)置適應(yīng)控制參數(shù)，如適應(yīng)頻率和最大細化級別。運行適應(yīng)性仿真：執(zhí)行仿真，同時激活動態(tài)網(wǎng)格適應(yīng)功能。監(jiān)控和調(diào)整：根據(jù)仿真結(jié)果，調(diào)整適應(yīng)標準和參數(shù)，以優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量和計算效率。4.2.3示例代碼#controlDict配置文件示例

functions

{

adaptiveMesh

{

typeadaptiveMesh;

libs("libmeshAdaptivity.so");

activetrue;

nAdaptiveLevels3;

adaptiveCoeffs

{

velocity

{

gradientCoeff0.1;

maxLevel3;

}

};

writeControltimeStep;

writeInterval1;

}

}4.2.4解釋functions部分定義了仿真中的函數(shù)，adaptiveMesh是一個用于動態(tài)網(wǎng)格適應(yīng)的函數(shù)。nAdaptiveLevels定義了網(wǎng)格適應(yīng)的最大細化級別。adaptiveCoeffs部分定義了用于網(wǎng)格適應(yīng)的流場變量和適應(yīng)系數(shù)，velocity是一個示例，其中g(shù)radientCoeff定義了速度梯度的適應(yīng)系數(shù)。writeControl和writeInterval定義了網(wǎng)格適應(yīng)結(jié)果的寫入控制，即每一步(timeStep)寫入一次適應(yīng)后的網(wǎng)格。通過以上示例，我們可以看到OpenFOAM的snappyHexMesh和動態(tài)網(wǎng)格適應(yīng)功能如何在處理復(fù)雜幾何和優(yōu)化計算效率方面發(fā)揮作用。這些高級網(wǎng)格生成技術(shù)是實現(xiàn)精確燃燒仿真不可或缺的工具。5燃燒仿真中的網(wǎng)格優(yōu)化5.1燃燒區(qū)域的網(wǎng)格細化在燃燒仿真中，網(wǎng)格細化是提高計算精度的關(guān)鍵步驟，尤其是在燃燒反應(yīng)活躍的區(qū)域。OpenFOAM提供了多種方法來實現(xiàn)網(wǎng)格細化，包括靜態(tài)網(wǎng)格細化和動態(tài)網(wǎng)格細化。靜態(tài)網(wǎng)格細化在模擬開始前進行，而動態(tài)網(wǎng)格細化則可以在模擬過程中根據(jù)物理場的變化自動調(diào)整網(wǎng)格。5.1.1靜態(tài)網(wǎng)格細化靜態(tài)網(wǎng)格細化通常在預(yù)處理階段完成，通過在關(guān)鍵區(qū)域（如燃燒區(qū)域）增加網(wǎng)格密度來實現(xiàn)。在OpenFOAM中，可以通過編輯blockMeshDict文件來控制網(wǎng)格的細化。下面是一個blockMeshDict文件的簡化示例，展示了如何在特定區(qū)域細化網(wǎng)格：//*************************************************************************//

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classdictionary;

objectblockMeshDict;

}

//*************************************************************************//

convertToMeters1;

vertices

(

(000)

(100)

(110)

(010)

(000.1)

(100.1)

(110.1)

(010.1)

);

blocks

(

hex(01234567)(10101)simpleGrading(111)

hex(01234567)(20201)simpleGrading(221)//燃燒區(qū)域細化

);

edges

(

);

boundary

(

//省略邊界條件

);

//省略其他參數(shù)在這個例子中，我們定義了兩個六面體塊，第一個塊的網(wǎng)格密度為10x10x1，第二個塊（燃燒區(qū)域）的網(wǎng)格密度為20x20x1，實現(xiàn)了燃燒區(qū)域的網(wǎng)格細化。5.1.2動態(tài)網(wǎng)格細化動態(tài)網(wǎng)格細化允許在模擬過程中根據(jù)物理場的變化自動調(diào)整網(wǎng)格。OpenFOAM中的dynamicFvMesh和dynamicMeshDict可以實現(xiàn)這一功能。下面是一個使用dynamicFvMesh的簡化示例：//*************************************************************************//

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classdictionary;

objectdynamicMeshDict;

}

//*************************************************************************//

//動態(tài)網(wǎng)格類型

dynamicMeshTypedynamicFvMesh;

//動態(tài)網(wǎng)格控制參數(shù)

{

//網(wǎng)格細化控制

refinementControl

{

typeadaptive;

nCells100000;//目標網(wǎng)格數(shù)量

maxLocalCells10000;//單個處理器上的最大網(wǎng)格數(shù)量

maxGlobalCells1000000;//所有處理器上的最大網(wǎng)格數(shù)量

maxLoadUnbalance0.1;//最大負載不平衡

nRefinementSteps5;//網(wǎng)格細化步驟數(shù)

nBufferCells5;//緩沖區(qū)網(wǎng)格數(shù)量

nCellsBetweenLevels3;//級別間網(wǎng)格數(shù)量

refinementField"T";//用于網(wǎng)格細化的場變量

level2;//網(wǎng)格細化級別

minLevel1;//最小網(wǎng)格細化級別

maxLevel3;//最大網(wǎng)格細化級別

}

}在這個例子中，我們設(shè)置了動態(tài)網(wǎng)格的控制參數(shù)，包括目標網(wǎng)格數(shù)量、最大網(wǎng)格數(shù)量、負載不平衡的限制等。我們還指定了用于網(wǎng)格細化的場變量（T，溫度）和細化的級別，這允許OpenFOAM根據(jù)溫度場的變化自動調(diào)整燃燒區(qū)域的網(wǎng)格密度。5.2時間步長與網(wǎng)格關(guān)系在燃燒仿真中，時間步長的選擇對計算的穩(wěn)定性和效率至關(guān)重要。時間步長過大會導(dǎo)致計算不穩(wěn)定，而時間步長過小則會增加計算時間。網(wǎng)格的細化程度直接影響了時間步長的選擇，因為更細的網(wǎng)格通常需要更小的時間步長來保持計算的穩(wěn)定性。5.2.1時間步長的計算OpenFOAM中計算時間步長的一個常用方法是基于Courant數(shù)（CFL數(shù)）。Courant數(shù)是時間步長與網(wǎng)格尺寸的函數(shù)，它定義了流體在時間步長內(nèi)可以移動的網(wǎng)格單元數(shù)量。為了保持計算的穩(wěn)定性，Courant數(shù)通常應(yīng)小于1。下面是一個計算時間步長的簡化示例：//*************************************************************************//

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classdictionary;

objectcontrolDict;

}

//*************************************************************************//

//時間步長控制

deltaT0.001;//初始時間步長

maxDeltaT0.01;//最大時間步長

minDeltaT0.0001;//最小時間步長

deltaTModeadaptive;//自適應(yīng)時間步長

cDeltaT0.9;//Courant數(shù)的系數(shù)

maxCo1;//最大Courant數(shù)

minCo0.1;//最小Courant數(shù)

maxAlphaCo1;//最大alphaCourant數(shù)

minAlphaCo0.1;//最小alphaCourant數(shù)在這個例子中，我們設(shè)置了時間步長的控制參數(shù)，包括初始時間步長、最大和最小時間步長，以及Courant數(shù)的系數(shù)和限制。OpenFOAM將根據(jù)這些參數(shù)和網(wǎng)格的細化程度自動調(diào)整時間步長。5.2.2網(wǎng)格細化對時間步長的影響網(wǎng)格細化會減小網(wǎng)格單元的尺寸，這意味著在相同的流速下，流體在時間步長內(nèi)可以移動的網(wǎng)格單元數(shù)量會增加，從而可能導(dǎo)致Courant數(shù)超過1。因此，當在燃燒區(qū)域進行網(wǎng)格細化時，通常需要相應(yīng)地減小時間步長，以保持計算的穩(wěn)定性。例如，如果我們將燃燒區(qū)域的網(wǎng)格密度增加一倍，那么時間步長可能需要減半，以保持Courant數(shù)小于1。通過以上示例和解釋，我們可以看到在燃燒仿真中，網(wǎng)格優(yōu)化（包括靜態(tài)和動態(tài)網(wǎng)格細化）以及時間步長的選擇是相互關(guān)聯(lián)的。合理地調(diào)整這些參數(shù)可以顯著提高計算的精度和效率。6OpenFOAM網(wǎng)格后處理6.1檢查網(wǎng)格質(zhì)量6.1.1原理與內(nèi)容在進行燃燒仿真之前，確保網(wǎng)格的質(zhì)量至關(guān)重要。OpenFOAM提供了多種工具和函數(shù)對象來檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，包括但不限于檢查網(wǎng)格的扭曲度、網(wǎng)格單元的正交性、網(wǎng)格單元的大小變化率等。這些檢查有助于識別可能影響仿真結(jié)果準確性的網(wǎng)格問題，如非正交網(wǎng)格、扭曲的網(wǎng)格單元或過大的網(wǎng)格單元。6.1.1.1示例：檢查網(wǎng)格質(zhì)量在OpenFOAM中，可以使用checkMesh命令來檢查網(wǎng)格質(zhì)量。下面是一個使用checkMesh命令的示例，該命令通常在system目錄下的fvSolution文件中調(diào)用。#進入OpenFOAM的工作目錄

cd/path/to/your/OpenFOAM/case

#執(zhí)行checkMesh命令

checkMeshcheckMesh命令將輸出網(wǎng)格的基本信息，包括網(wǎng)格的類型、邊界條件、網(wǎng)格單元數(shù)量、面數(shù)量、點數(shù)量以及網(wǎng)格質(zhì)量的詳細信息。例如，輸出可能包括網(wǎng)格單元的最小、最大和平均扭曲度，以及網(wǎng)格單元的正交性檢查結(jié)果。6.1.2網(wǎng)格可視化與分析6.1.3原理與內(nèi)容網(wǎng)格可視化與分析是理解網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。OpenFOAM提供了paraFoam和foamToVTK等工具，可以將網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ParaView或VTK格式，便于使用可視化軟件進行查看和分析。這些工具不僅能夠顯示網(wǎng)格的幾何形狀，還能幫助分析網(wǎng)格的分布、單元大小和質(zhì)量，以及邊界條件的設(shè)置。6.1.3.1示例：使用paraFoam進行網(wǎng)格可視化paraFoam是一個用于將OpenFOAM的計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為ParaView可以讀取的格式的工具。下面是一個使用paraFoam將網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ParaView格式的示例。#進入OpenFOAM的工作目錄

cd/path/to/your/OpenFOAM/case

#執(zhí)行paraFoam命令

paraFoam執(zhí)行paraFoam后，它將自動打開ParaView，顯示網(wǎng)格數(shù)據(jù)。在ParaView中，可以使用多種工具來分析網(wǎng)格，如顯示網(wǎng)格單元的大小、檢查網(wǎng)格的正交性、查看邊界條件等。6.1.3.2示例：使用foamToVTK進行網(wǎng)格轉(zhuǎn)換foamToVTK是一個命令行工具，用于將OpenFOAM的網(wǎng)格和場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為VTK格式。下面是一個使用foamToVTK將網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為VTK格式的示例。#進入OpenFOAM的工作目錄

cd/path/to/your/OpenFOAM/case

#執(zhí)行foamToVTK命令

foamToVTKtime=0在上述命令中，time=0參數(shù)指定了要轉(zhuǎn)換的時間步。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可以使用VTK兼容的可視化軟件進行查看和分析。6.2總結(jié)通過上述示例，我們可以看到OpenFOAM提供了強大的工具來檢查和分析網(wǎng)格質(zhì)量，以及將網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化軟件可以讀取的格式。這些步驟對于確保燃燒仿真的準確性和可靠性至關(guān)重要。在實際操作中，根據(jù)具體的需求和問題，可能需要多次迭代網(wǎng)格生成和后處理過程，以優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量。7實踐案例分析7.1簡單燃燒室網(wǎng)格生成在燃燒仿真中，網(wǎng)格生成是關(guān)鍵步驟之一，它直接影響到計算的準確性和效率。OpenFOAM提供了強大的網(wǎng)格生成工具，包括blockMesh，snappyHexMesh等，用于創(chuàng)建適合燃燒分析的高質(zhì)量網(wǎng)格。下面，我們將通過一個簡單的燃燒室網(wǎng)格生成案例，來展示如何使用OpenFOAM的blockMesh工具。7.1.1網(wǎng)格定義首先，需要在constant/polyMesh目錄下創(chuàng)建blockMeshDict文件，該文件定義了網(wǎng)格的幾何形狀和網(wǎng)格參數(shù)。以下是一個簡單的燃燒室blockMeshDict示例：/**-C++-**\

|=========||

|\\/Field|OpenFOAM:TheOpenSourceCFDToolbox|

|\\/Operation|Version:v2012|

|\\/And||

|\\/Manipulation||

\**/

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classdictionary;

objectblockMeshDict;

}

//*************************************//

convertToMeters1;

//Geometry

vertices

(

(000)//point0

(100)//point1

(110)//point2

(010)//point3

(000.1)//point4

(100.1)//point5

(110.1)//point6

(010.1)//point7

);

blocks

(

hex(01234567)(10101)simpleGrading

);

edges

(

);

boundary

(

inlet

{

typepatch;

faces

(

(3267)

);

}

outlet

{

typepatch;

faces

(

(0154)

);

}

wall

{

typewall;

faces

(

(0374)

(1265)

);

}

);

//*************************************//在這個示例中，我們定義了一個簡單的立方體燃燒室，其尺寸為1x1x0.1米。入口和出口分別位于頂部和底部，而燃燒室的側(cè)面被定義為壁面。7.1.2網(wǎng)格生成一旦blockMeshDict文件定義完成，我們就可以運行blockMesh命令來生成網(wǎng)格：blockMesh這將根據(jù)blockMeshDict文件中的定義，生成一個三維網(wǎng)格。生成的網(wǎng)格文件將保存在constant/polyMesh目錄下。7.1.3網(wǎng)格檢查為了確保網(wǎng)格的質(zhì)量，我們可以使用checkMesh命令來檢查網(wǎng)格：checkMeshcheckMesh將報告網(wǎng)格的統(tǒng)計信息，包括邊界面的數(shù)量、內(nèi)部面的數(shù)量、邊界點的數(shù)量等，以及網(wǎng)格的質(zhì)量信息，如最小、最大和平均的網(wǎng)格體積。7.2渦輪發(fā)動機燃燒仿真網(wǎng)格案例渦輪發(fā)動機的燃燒室結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，通常包含多個燃燒區(qū)域和復(fù)雜的幾何形狀。OpenFOAM的snappyHexMesh工具可以處理這種復(fù)雜幾何，通過導(dǎo)入CAD模型來生成網(wǎng)格。7.2.1CAD模型導(dǎo)入首先，需要將渦輪發(fā)動機的燃燒室CAD模型轉(zhuǎn)換為STL格式，然后將其導(dǎo)入到OpenFOAM中。假設(shè)我們已經(jīng)有一個名為engine.stl的STL文件，我們可以使用以下命令來創(chuàng)建constant/triSurface目錄下的engine.stl文件：stlToVtkengine.stlengine.vtk然后，使用surfaceFeatureExtract工具來識別模型的特征：surfaceFeatureExtractengine.vtk這將生成一個engine.stl文件，其中包含了模型的特征信息。7.2.2網(wǎng)格生成接下來，我們需要在system目錄下創(chuàng)建snappyHexMeshDict文件，該文件定義了網(wǎng)格生成的參數(shù)，包括邊界層、細化區(qū)域等。以下是一個簡化的snappyHexMeshDict示例：/**-C++-**\

|=========||

|\\/Field|OpenFOAM:TheOpenSourceCFDToolbox|

|\\/Operation|Version:v2012|

|\\/And||

|\\/Manipulation|