燃燒仿真軟件OpenFOAM教程：掌握燃燒仿真中的數(shù)值方法

燃燒仿真軟件OpenFOAM教程：掌握燃燒仿真中的數(shù)值方法1燃燒仿真的基礎(chǔ)理論1.1燃燒化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)燃燒是一種化學(xué)反應(yīng)過程，其中燃料與氧氣反應(yīng)生成熱能和一系列化學(xué)產(chǎn)物。在燃燒仿真中，理解燃燒化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)至關(guān)重要。燃燒反應(yīng)可以是簡單的，如甲烷與氧氣的反應(yīng)：CH也可以是復(fù)雜的，涉及多種燃料和產(chǎn)物，以及多個(gè)反應(yīng)步驟。在OpenFOAM中，可以使用化學(xué)反應(yīng)模型來描述這些過程，例如使用chemReactingFoam求解器。1.1.1示例：定義化學(xué)反應(yīng)在OpenFOAM中，化學(xué)反應(yīng)可以通過thermophysicalProperties文件中的chemistryType和reactionType來定義。例如，定義一個(gè)簡單的甲烷燃燒反應(yīng)：#thermophysicalProperties文件示例

chemistryType

{

typefiniteRate;

nSpecie3;//3種物質(zhì)：甲烷、氧氣、二氧化碳

}

species

{

specie

{

nMoles1;

molWeight16;//甲烷的摩爾質(zhì)量

thermhConst;

equationOfStateperfectGas;

transportconst;

nameCH4;

}

specie

{

nMoles1;

molWeight32;//氧氣的摩爾質(zhì)量

thermhConst;

equationOfStateperfectGas;

transportconst;

nameO2;

}

specie

{

nMoles1;

molWeight44;//二氧化碳的摩爾質(zhì)量

thermhConst;

equationOfStateperfectGas;

transportconst;

nameCO2;

}

}

reactionType

{

typeirreversible;

equationCH4+2O2->CO2+2H2O;

activationEnergy0;

preExponentialFactor1e10;

temperatureExponent0;

}1.2燃燒過程的物理模型燃燒過程的物理模型包括對流、擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)和化學(xué)反應(yīng)的描述。在OpenFOAM中，這些物理現(xiàn)象可以通過不同的模型來模擬，例如rhoCentralFoam求解器用于處理高馬赫數(shù)燃燒問題，而buoyantPimpleFoam則適用于低速燃燒過程。1.2.1示例：使用rhoCentralFoam求解器rhoCentralFoam求解器基于中心差分格式，適用于高速燃燒仿真。下面是一個(gè)簡單的rhoCentralFoam求解器設(shè)置示例：#system/fvSchemes文件示例

ddtSchemes

{

defaultsteadyState;

}

gradSchemes

{

defaultGausslinear;

}

divSchemes

{

defaultnone;

div(phi,U)Gausslinear;

div(phi,Y)Gausslinear;

div(phi,k)Gausslinear;

div(phi,epsilon)Gausslinear;

div(phi,R)Gausslinear;

div(R)Gausslinear;

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;

}1.3數(shù)值方法在燃燒仿真中的應(yīng)用數(shù)值方法是燃燒仿真中的關(guān)鍵工具，用于求解控制燃燒過程的偏微分方程。OpenFOAM提供了多種數(shù)值方法，包括有限體積法、時(shí)間積分方法和空間離散化技術(shù)。1.3.1示例：使用有限體積法求解燃燒方程在OpenFOAM中，有限體積法是最常用的數(shù)值方法。下面是一個(gè)使用有限體積法求解燃燒方程的示例：//代碼示例：使用有限體積法求解燃燒方程

#include"fvCFD.H"

#include"turbulentFluidThermophysicalModels/thermoSingleLayer.H"

#include"turbulentFluidThermophysicalModels/thermoType.H"

#include"turbulentFluidThermophysicalModels/basicThermo.H"

#include"turbulentFluidThermophysicalModels/combustionModel.H"

#include"turbulentFluidThermophysicalModels/LESeddyDiffusivity.H"

intmain(intargc,char*argv[])

{

#include"postProcess.H"

#include"setRootCase.H"

#include"createTime.H"

#include"createMesh.H"

#include"createFields.H"

#include"initContinuityErrs.H"

#include"createCombustionSubModels.H"

#include"CourantNo.H"

#include"setInitialDeltaT.H"

while(runTime.run())

{

#include"readTimeControls.H"

#include"solve.H"

#include"output.H"

}

Info<<"End\n"<<endl;

return0;

}在這個(gè)示例中，我們首先包含了OpenFOAM中用于燃燒仿真的必要頭文件。然后，我們創(chuàng)建了時(shí)間、網(wǎng)格和字段。接下來，初始化連續(xù)性誤差，并創(chuàng)建燃燒子模型。在主循環(huán)中，我們讀取時(shí)間控制，求解方程，并輸出結(jié)果。通過以上示例，我們可以看到OpenFOAM如何使用有限體積法和化學(xué)反應(yīng)模型來模擬燃燒過程。這些方法和模型的組合使得OpenFOAM成為燃燒仿真領(lǐng)域的強(qiáng)大工具。2燃燒仿真軟件：OpenFOAM2.1OpenFOAM概述OpenFOAM（OpenFieldOperationandManipulation）是一個(gè)開源的CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）軟件包，由OpenCFD有限公司開發(fā)并維護(hù)，現(xiàn)由SINTEFDigital的FoamFoundation管理。它提供了一系列的數(shù)值求解器，用于解決流體動(dòng)力學(xué)、傳熱、燃燒、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜工程問題。OpenFOAM的核心優(yōu)勢在于其高度的靈活性和可擴(kuò)展性，允許用戶根據(jù)具體需求定制和開發(fā)新的求解器和模型。2.1.1OpenFOAM在燃燒仿真中的優(yōu)勢廣泛的燃燒模型：OpenFOAM支持多種燃燒模型，包括層流燃燒、湍流燃燒、預(yù)混燃燒、非預(yù)混燃燒等，適用于不同類型的燃燒過程仿真。并行計(jì)算能力：OpenFOAM具有強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，能夠高效處理大規(guī)模計(jì)算網(wǎng)格，加速燃燒仿真過程?；瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)制：OpenFOAM內(nèi)置了豐富的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制庫，如GRI-Mech3.0，能夠精確模擬復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程。用戶友好性：OpenFOAM提供了豐富的文檔和社區(qū)支持，使得用戶能夠快速上手并進(jìn)行高級(jí)定制。2.2OpenFOAM的安裝與配置2.2.1安裝OpenFOAM前提條件Linux操作系統(tǒng)（推薦Ubuntu）C++編譯器（如GCC）MPI（MessagePassingInterface）庫安裝步驟下載OpenFOAM源代碼：wget/resources/software/openfoam-v2012.tar.gz解壓并進(jìn)入源代碼目錄：tar-xzfopenfoam-v2012.tar.gz

cdopenfoam-v2012配置并編譯OpenFOAM：wmakeConfig-installPrefix=/path/to/installation

wmake安裝OpenFOAM：wmakeinstall2.2.2配置OpenFOAM環(huán)境添加OpenFOAM到環(huán)境變量：在~/.bashrc文件中添加以下行：exportWM_PROJECT_DIR=/path/to/openfoam-v2012

source$WM_PROJECT_DIR/etc/bashrc驗(yàn)證安裝：運(yùn)行一個(gè)簡單的案例來驗(yàn)證OpenFOAM是否正確安裝。例如，運(yùn)行cavity案例：cd$FOAM_RUN/tutorials/simpleFoam/cavity

simpleFoam2.3示例：使用OpenFOAM進(jìn)行燃燒仿真2.3.1案例：預(yù)混燃燒仿真準(zhǔn)備數(shù)據(jù)網(wǎng)格文件：system/blockMeshDict物理屬性：constant/thermophysicalProperties初始條件：0/T，0/U，0/p編輯system/controlDictapplicationreactingMultiphaseEulerFoam;

startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime10;

deltaT0.01;

writeControltimeStep;

writeInterval100;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

runTimeModifiabletrue;編輯constant/thermophysicalPropertiesthermoType

{

typereactingMultiphaseMixture;

mixturemixture;

transportconst;

thermohConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

mixture

{

specie

{

species(O2N2CO2CH4);

nMoles(0.2320.75560.01240.0);

}

thermodynamics

{

molWeight(32284416);

molCp(91710729171072);

molHf(0000);

}

transport

{

molViscosity(2.013e-52.911e-51.48e-51.12e-5);

}

chemistry

{

chemistryTypefiniteRate;

chemistryModelGRI-Mech30;

}

}運(yùn)行仿真cd$FOAM_RUN/tutorials/combustion/reactingMultiphaseEulerFoam/premixedFlame

reactingMultiphaseEulerFoam2.3.2解釋在上述示例中，我們通過編輯controlDict和thermophysicalProperties文件，設(shè)置了燃燒仿真的基本參數(shù)。controlDict定義了仿真應(yīng)用、開始和結(jié)束時(shí)間、時(shí)間步長、寫入控制等。thermophysicalProperties文件則詳細(xì)描述了混合物的組成、熱力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)屬性，使用GRI-Mech30化學(xué)反應(yīng)機(jī)制來模擬預(yù)混燃燒過程。通過運(yùn)行reactingMultiphaseEulerFoam求解器，OpenFOAM將根據(jù)設(shè)定的參數(shù)和模型，進(jìn)行燃燒過程的數(shù)值仿真，輸出結(jié)果可以用于分析燃燒效率、溫度分布、化學(xué)反應(yīng)速率等關(guān)鍵指標(biāo)。2.4結(jié)論OpenFOAM作為一款強(qiáng)大的開源CFD軟件，為燃燒仿真提供了全面的解決方案。通過上述安裝步驟和燃燒仿真示例，用戶可以開始探索和利用OpenFOAM進(jìn)行復(fù)雜的燃燒過程分析。隨著對軟件的深入了解，用戶可以進(jìn)一步定制求解器和模型，以滿足特定的工程需求。請注意，上述示例代碼和數(shù)據(jù)樣例是基于OpenFOAM的通用結(jié)構(gòu)和語法，具體數(shù)值和參數(shù)可能需要根據(jù)實(shí)際仿真需求進(jìn)行調(diào)整。3OpenFOAM中的燃燒模型3.1湍流燃燒模型3.1.1原理湍流燃燒模型在OpenFOAM中用于描述在湍流條件下燃料的燃燒過程。這類模型考慮了湍流與化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用，通常包括EddyDissipationModel(EDM)、ProgressVariableModel(PVM)和FlameletGeneratedManifold(FGM)等。其中，EDM假設(shè)湍流尺度大于化學(xué)反應(yīng)尺度，湍流將燃料和氧化劑混合到可以迅速反應(yīng)的程度；PVM使用一個(gè)進(jìn)度變量來跟蹤燃燒過程；FGM則基于預(yù)定義的火焰庫，適用于預(yù)混燃燒。3.1.2內(nèi)容在OpenFOAM中，turbulentMixingLengthFrequency模型常用于湍流燃燒。下面是一個(gè)使用EDM模型的示例：#在系統(tǒng)文件夾下的constant文件夾中創(chuàng)建turbulenceProperties文件

#這個(gè)文件定義了湍流模型的參數(shù)

turbulence

{

RAS

{

RASModelkEpsilon;

turbulenceon;

printCoeffson;

printCoeffsFreq1000;

}

LES

{

LESModeldynamicSmagorinsky;

printCoeffson;

printCoeffsFreq1000;

}

combustionModel

{

typeeddyDissipation;

printCoeffson;

printCoeffsFreq1000;

}

}3.1.3代碼示例在OpenFOAM中設(shè)置EDM模型，需要在constant/turbulenceProperties文件中定義：#定義湍流模型和燃燒模型

turbulence

{

RAS

{

RASModelkEpsilon;

...

}

combustionModel

{

typeeddyDissipation;

...

}

}3.2預(yù)混燃燒與非預(yù)混燃燒模型3.2.1原理預(yù)混燃燒模型適用于燃料和氧化劑在燃燒前已經(jīng)充分混合的情況，如在燃燒室中常見的燃燒過程。非預(yù)混燃燒模型則適用于燃料和氧化劑在燃燒過程中混合的情況，如噴霧燃燒或擴(kuò)散燃燒。OpenFOAM提供了多種模型，如laminar、P1和P3等用于預(yù)混燃燒，而nonPremixedCombustion模型則用于非預(yù)混燃燒。3.2.2內(nèi)容預(yù)混燃燒模型通常需要定義燃料和氧化劑的混合比例，以及化學(xué)反應(yīng)的速率。非預(yù)混燃燒模型則需要定義燃料和氧化劑的擴(kuò)散系數(shù)，以及燃燒的傳播速度。3.2.3代碼示例在constant/thermophysicalProperties文件中定義預(yù)混燃燒模型：thermodynamics

{

...

}

transport

{

...

}

thermoType

{

...

}

mixture

{

typereactingMixture;

mixturespeciesTable;

transportreactingMixture;

thermoreactingMixture;

equationOfStatereactingMixture;

speciereactingMixture;

energysensibleInternalEnergy;

}

species

{

nSpecies2;

species(fuelair);

}

reactionType

{

typepremixed;

nReactions1;

}

reactions

{

reactionfuel+air->products;

heatOfReaction(-1.0e6);

activationEnergy(0.0);

activationTemperature(0.0);

A(1.0e10);

n(0.0);

E(0.0);

}3.3多相燃燒模型3.3.1原理多相燃燒模型用于描述包含固體、液體和氣體的燃燒過程。在OpenFOAM中，multiphaseInter系列模型（如multiphaseInterFoam）可以處理這類問題，通過追蹤不同相之間的界面，以及相間傳質(zhì)和傳熱過程，來模擬燃燒。3.3.2內(nèi)容多相燃燒模型需要定義各相的物理性質(zhì)，如密度、粘度、熱導(dǎo)率等，以及相間傳質(zhì)和傳熱的系數(shù)。此外，還需要定義燃燒反應(yīng)的細(xì)節(jié)，如反應(yīng)速率、反應(yīng)熱等。3.3.3代碼示例在constant/thermophysicalProperties文件中定義多相燃燒模型：thermodynamics

{

...

}

transport

{

...

}

thermoType

{

...

}

mixture

{

typereactingMultiphaseMixture;

mixturespeciesTable;

transportreactingMultiphaseMixture;

thermoreactingMultiphaseMixture;

equationOfStatereactingMultiphaseMixture;

speciereactingMultiphaseMixture;

energysensibleInternalEnergy;

}

species

{

nSpecies3;

species(fuelairwater);

}

reactionType

{

typemultiphase;

nReactions2;

}

reactions

{

reactionfuel+air->products;

heatOfReaction(-1.0e6);

...

reactionfuel+water->products;

heatOfReaction(-1.0e6);

...

}在上述示例中，我們定義了一個(gè)包含燃料、空氣和水的多相燃燒模型，其中燃料可以與空氣和水分別反應(yīng)。這只是一個(gè)基本的框架，實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體的物理和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置。4數(shù)值方法詳解4.1有限體積法原理有限體積法(FiniteVolumeMethod,FVM)是一種廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)和燃燒仿真中的數(shù)值方法。其核心思想是將計(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。這種方法確保了質(zhì)量、動(dòng)量和能量的守恒，特別適合處理包含復(fù)雜物理現(xiàn)象的工程問題。4.1.1原理在燃燒仿真中，F(xiàn)VM通過將連續(xù)的偏微分方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程來求解。每個(gè)控制體積被視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，方程在這些節(jié)點(diǎn)上被離散化?？刂企w積的邊界上，物理量的通量被計(jì)算，以確保守恒。4.1.2離散化過程網(wǎng)格劃分：首先，將計(jì)算域劃分為多個(gè)控制體積，形成網(wǎng)格。積分方程：在每個(gè)控制體積上，對守恒方程進(jìn)行積分，得到積分形式的守恒方程。通量計(jì)算：計(jì)算控制體積邊界上的通量，這通常涉及到物理量在邊界上的平均值或插值。代數(shù)方程：將積分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，通過數(shù)值方法求解這些方程。4.1.3代碼示例在OpenFOAM中，有限體積法的實(shí)現(xiàn)通常涉及以下步驟：//導(dǎo)入必要的頭文件

#include"fvCFD.H"

intmain(intargc,char*argv[])

{

//初始化并讀取控制參數(shù)

argList::addNote("SolvethecombustionproblemusingFVM");

argList::addOption("case","path","Pathtothecasedirectory");

argList::addOption("n","int","Numberofiterations");

argList::addBoolOption("debug","Enabledebugoutput");

//創(chuàng)建時(shí)間對象

TimerunTime;

//創(chuàng)建網(wǎng)格

fvMeshmesh(runTime);

//定義物理量

volScalarFieldtemperature

(

IOobject

(

"temperature",

runTime.timeName(),

mesh,

IOobject::MUST_READ,

IOobject::AUTO_WRITE

),

mesh

);

//定義能量方程

tmp<fvScalarMatrix>energyEqn

(

fvm::ddt(temperature)

+fvm::div(phi,temperature)

==

fvc::laplacian(kappa,temperature)

);

//求解能量方程

for(inti=0;i<n;i++)

{

energyEqn().solve();

}

//輸出結(jié)果

temperature.write();

return0;

}4.1.4解釋上述代碼示例展示了如何在OpenFOAM中使用有限體積法求解能量方程。fvMesh對象用于創(chuàng)建網(wǎng)格，volScalarField用于定義物理量（如溫度）。fvm::ddt、fvm::div和fvc::laplacian分別用于處理時(shí)間導(dǎo)數(shù)、對流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)的離散化。4.2離散化技術(shù)離散化技術(shù)是將連續(xù)的偏微分方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程的關(guān)鍵步驟。在燃燒仿真中，常用的離散化技術(shù)包括中心差分、上風(fēng)差分和二階迎風(fēng)差分。4.2.1中心差分中心差分是最簡單的離散化技術(shù)，它通過在控制體積邊界上取物理量的平均值來計(jì)算通量。這種方法在平滑流場中效果良好，但在有強(qiáng)梯度或非線性流場中可能會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定性。4.2.2上風(fēng)差分上風(fēng)差分是一種單邊差分技術(shù)，它使用流體流動(dòng)方向上的上游節(jié)點(diǎn)的物理量值來計(jì)算通量。這種方法可以減少數(shù)值擴(kuò)散，但在高雷諾數(shù)下可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)值振蕩。4.2.3階迎風(fēng)差分二階迎風(fēng)差分是一種改進(jìn)的上風(fēng)差分技術(shù)，它通過在上游節(jié)點(diǎn)和下游節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行線性插值來計(jì)算通量，從而提高了精度并減少了數(shù)值振蕩。4.2.4代碼示例在OpenFOAM中，可以通過設(shè)置離散化方案來選擇不同的離散化技術(shù)：//設(shè)置離散化方案

mesh.schemesDict().set

(

"div(phi,U)",

"boundedGaussupwind"

);

mesh.schemesDict().set

(

"laplacian(nu,U)",

"Gausslinearcorrected"

);4.2.5解釋上述代碼示例中，div(phi,U)使用了上風(fēng)差分方法，而laplacian(nu,U)使用了二階迎風(fēng)差分方法。通過在fvSchemes文件中設(shè)置這些方案，可以控制OpenFOAM中方程的離散化方式。4.3時(shí)間積分方法時(shí)間積分方法用于處理方程中的時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，將瞬態(tài)問題轉(zhuǎn)化為一系列穩(wěn)態(tài)問題。在燃燒仿真中，常用的時(shí)間積分方法包括歐拉法、隱式歐拉法和Runge-Kutta法。4.3.1歐拉法歐拉法是一種顯式時(shí)間積分方法，它使用當(dāng)前時(shí)間步的物理量值來預(yù)測下一時(shí)間步的值。這種方法簡單，但可能需要非常小的時(shí)間步以保持穩(wěn)定性。4.3.2隱式歐拉法隱式歐拉法是一種隱式時(shí)間積分方法，它使用下一時(shí)間步的物理量值來計(jì)算方程。這種方法比歐拉法更穩(wěn)定，但求解過程可能更復(fù)雜。4.3.3Runge-Kutta法Runge-Kutta法是一種高階時(shí)間積分方法，它通過在時(shí)間步內(nèi)進(jìn)行多次預(yù)測和校正來提高精度。這種方法適用于需要高精度時(shí)間積分的復(fù)雜燃燒仿真。4.3.4代碼示例在OpenFOAM中，可以使用fvm::ddt操作符來處理時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，并通過設(shè)置時(shí)間積分方案來選擇不同的時(shí)間積分方法：//定義時(shí)間積分方案

mesh.schemesDict().set

(

"ddt(U)",

"Euler"

);

//求解能量方程

tmp<fvScalarMatrix>energyEqn

(

fvm::ddt(temperature)

+fvm::div(phi,temperature)

==

fvc::laplacian(kappa,temperature)

);

//求解方程

energyEqn().solve();4.3.5解釋上述代碼示例中，ddt(U)使用了歐拉法作為時(shí)間積分方案。fvm::ddt操作符用于處理溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，而fvm::div和fvc::laplacian分別用于處理對流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)。通過求解這些方程，可以模擬燃燒過程中的溫度變化。通過上述原理和代碼示例的介紹，我們可以看到有限體積法、離散化技術(shù)和時(shí)間積分方法在燃燒仿真中的應(yīng)用。OpenFOAM提供了一個(gè)強(qiáng)大的框架，允許用戶通過簡單的代碼實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的燃燒仿真。5OpenFOAM燃燒仿真案例分析5.1案例選擇與準(zhǔn)備在進(jìn)行燃燒仿真之前，選擇一個(gè)合適的案例至關(guān)重要。案例的選擇應(yīng)基于仿真目標(biāo)，例如，研究火焰?zhèn)鞑ァ⑷紵?、污染物生成等。?zhǔn)備階段包括收集必要的物理參數(shù)、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和初始條件。5.1.1案例選擇假設(shè)我們選擇一個(gè)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程作為案例，目標(biāo)是分析燃燒效率和NOx排放。此案例需要考慮柴油的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)、工作條件等。5.1.2物理參數(shù)與化學(xué)反應(yīng)機(jī)理物理參數(shù)：包括燃料的密度、粘度、熱導(dǎo)率、比熱容等。化學(xué)反應(yīng)機(jī)理：使用詳細(xì)或簡化機(jī)理，如GRI-Mech3.0，它描述了甲烷和空氣的燃燒過程。5.1.3初始條件溫度：室溫或預(yù)熱狀態(tài)。壓力：大氣壓或發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓力。燃料和空氣的混合比：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)類型調(diào)整。5.2網(wǎng)格生成與邊界條件設(shè)置5.2.1網(wǎng)格生成使用OpenFOAM的blockMesh工具生成網(wǎng)格。以下是一個(gè)簡單的blockMeshDict示例，用于創(chuàng)建一個(gè)立方體區(qū)域的網(wǎng)格：/**-C++-**\

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

|\\/Field|OpenFOAM:TheOpenSourceCFDToolbox|

|\\/Operation|Version:v2012|

|\\/And||

|\\/Manipulation||

\**/

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classdictionary;

objectblockMeshDict;

}

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

convertToMeters1;

vertices

(

(000)

(100)

(110)

(010)

(001)

(101)

(111)

(011)

);

blocks

(

hex(01234567)(101010)simpleGrading(111)

);

edges

(

);

boundary

(

inlet

{

typepatch;

faces

(

(2376)

);

}

outlet

{

typepatch;

faces

(

(0451)

);

}

walls

{

typewall;

faces

(

(0154)

(0374)

(1265)

(3267)

);

}

);

//*************************************************************************//5.2.2邊界條件設(shè)置在0目錄下，設(shè)置邊界條件。例如，對于壓力和速度：p

{

...

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform101325;//大氣壓

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typezeroGradient;

}

}

}

U

{

...

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(000);//無初始速度

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typefixedValue;

valueuniform(000);//墻面無滑移

}

}

}5.3后處理與結(jié)果分析5.3.1后處理OpenFOAM提供了多種工具進(jìn)行后處理，如paraFoam，它使用ParaView進(jìn)行可視化。以下命令將仿真結(jié)果轉(zhuǎn)換為ParaView可讀的格式：paraFoam5.3.2結(jié)果分析分析結(jié)果包括溫度分布、壓力變化、燃料消耗率和污染物生成等。例如，使用ParaView可以生成溫度等值面圖，觀察燃燒區(qū)域的溫度變化。5.3.3數(shù)據(jù)樣例分析假設(shè)我們關(guān)注燃燒區(qū)域的溫度變化，可以使用以下命令從仿真結(jié)果中提取特定時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)：foamToVTK-case<caseName>-latestTime然后在ParaView中打開生成的VTK文件，使用“Contours”過濾器來生成溫度等值面圖。5.3.4結(jié)果解釋溫度分布：高溫區(qū)域指示燃燒活躍區(qū)。壓力變化：壓力峰值與燃燒過程相關(guān)。燃料消耗率：評(píng)估燃燒效率。污染物生成：NOx等污染物的生成量反映燃燒過程的清潔度。通過以上步驟，我們可以深入理解燃燒過程的動(dòng)態(tài)特性，為優(yōu)化燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。6高級(jí)燃燒仿真技巧6.1并行計(jì)算在OpenFOAM中的應(yīng)用在燃燒仿真中，處理大規(guī)模的計(jì)算網(wǎng)格和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制往往需要大量的計(jì)算資源。OpenFOAM提供了并行計(jì)算的能力，通過將計(jì)算任務(wù)分解到多個(gè)處理器上，可以顯著提高計(jì)算效率。并行計(jì)算在OpenFOAM中主要通過MPI（MessagePassingInterface）實(shí)現(xiàn)。6.1.1原理并行計(jì)算的基本思想是將計(jì)算任務(wù)分割成多個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)可以在不同的處理器上同時(shí)執(zhí)行。在OpenFOAM中，這通常涉及到將計(jì)算域分割成多個(gè)子域，每個(gè)子域由一個(gè)處理器負(fù)責(zé)計(jì)算。子域之間的數(shù)據(jù)交換通過MPI通信完成。6.1.2內(nèi)容域分解：使用blockMesh和pdTools工具進(jìn)行計(jì)算域的分割。并行運(yùn)行：通過mpirun或mpiexec命令啟動(dòng)并行計(jì)算。數(shù)據(jù)通信：利用MPI函數(shù)如MPI_Send和MPI_Recv進(jìn)行子域間的數(shù)據(jù)交換。6.1.3示例假設(shè)我們有一個(gè)簡單的燃燒仿真案例，需要在并行環(huán)境下運(yùn)行。首先，我們需要準(zhǔn)備計(jì)算域的分割。以下是一個(gè)使用blockMeshDict文件進(jìn)行域分割的例子：#創(chuàng)建計(jì)算網(wǎng)格

blockMesh

#分割計(jì)算域?yàn)椴⑿凶佑?/p>

pdTools接下來，我們使用mpirun命令啟動(dòng)并行計(jì)算：mpirun-np4foamJobsimpleFoam在這個(gè)例子中，-np4指定了使用4個(gè)處理器進(jìn)行并行計(jì)算，foamJob是OpenFOAM提供的用于并行計(jì)算的腳本，simpleFoam是燃燒仿真的求解器。6.2自定義燃燒模型OpenFOAM的靈活性允許用戶自定義燃燒模型，以適應(yīng)特定的燃燒過程和化學(xué)反應(yīng)機(jī)制。這通常涉及到修改或創(chuàng)建新的化學(xué)反應(yīng)方程和燃燒模型。6.2.1原理自定義燃燒模型主要涉及兩個(gè)方面：化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的定義和燃燒模型的實(shí)現(xiàn)。化學(xué)反應(yīng)機(jī)制定義了燃料和氧化劑之間的反應(yīng)路徑和速率，而燃燒模型則描述了燃燒過程的物理和化學(xué)特性。6.2.2內(nèi)容化學(xué)反應(yīng)機(jī)制：在constant/chemistry目錄下定義。燃燒模型：在src/combustionModels目錄下實(shí)現(xiàn)。模型集成：將自定義模型集成到求解器中，通過修改fvSolution和fvSchemes文件配置。6.2.3示例假設(shè)我們需要自定義一個(gè)簡單的燃燒模型，其中包含一個(gè)一級(jí)反應(yīng)。以下是一個(gè)在constant/chemistry目錄下定義化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的例子：#chemistry/thermophysicalProperties

...

reactionIn

{

typeoneStep;

nReactions1;

reactions

(

CO+0.5*O2->CO2

);

heatOfReaction

(

283000

);

}在這個(gè)例子中，我們定義了一個(gè)一級(jí)反應(yīng)CO+0.5*O2->CO2，并指定了反應(yīng)的熱效應(yīng)為283000J/mol。接下來，我們需要在src/combustionModels目錄下實(shí)現(xiàn)這個(gè)燃燒模型。以下是一個(gè)簡單的實(shí)現(xiàn)：//src/combustionModels/oneStep/oneStep.C

#include"oneStep.H"

#include"addToRunTimeSelectionTable.H"

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