燃燒仿真教程：使用OpenFOAM進行預(yù)混燃燒與非預(yù)混燃燒仿真

燃燒仿真教程：使用OpenFOAM進行預(yù)混燃燒與非預(yù)混燃燒仿真1燃燒仿真基礎(chǔ)1.1燃燒理論簡介燃燒是一種復(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)，同時伴隨著能量的釋放。在燃燒過程中，燃料分子與氧化劑分子在適當(dāng)?shù)臈l件下（如溫度、壓力和濃度）相遇并反應(yīng)，生成新的化學(xué)物質(zhì)，如二氧化碳、水蒸氣等，并釋放出大量的熱能。燃燒可以分為預(yù)混燃燒和非預(yù)混燃燒兩大類。1.1.1預(yù)混燃燒預(yù)混燃燒發(fā)生在燃料和氧化劑在燃燒前已經(jīng)充分混合的情況下。這種燃燒模式通常在燃燒室中發(fā)生，如內(nèi)燃機和燃氣輪機。預(yù)混燃燒的特點是燃燒速度快，火焰溫度高，但對混合條件要求嚴格。1.1.2非預(yù)混燃燒非預(yù)混燃燒則是在燃料和氧化劑沒有預(yù)先混合的情況下發(fā)生的燃燒。這種燃燒模式常見于火焰噴射器和某些工業(yè)燃燒器中。非預(yù)混燃燒的特點是燃燒過程較為緩慢，火焰結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但對混合條件的要求相對較低。1.2燃燒方程與模型燃燒的數(shù)學(xué)描述主要依賴于質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程。在OpenFOAM中，這些方程被離散化并求解，以模擬燃燒過程。1.2.1質(zhì)量守恒方程質(zhì)量守恒方程描述了系統(tǒng)中質(zhì)量的總量保持不變。對于多組分系統(tǒng)，每個組分的質(zhì)量守恒方程可以表示為：\frac{\partial\rhoY_i}{\partialt}+\nabla\cdot(\rhoY_i\mathbf{u})=\nabla\cdot(\Gamma_{mix}\nablaY_i)+S_i其中，ρ是密度，Yi是組分i的質(zhì)量分數(shù)，u是流體速度，Γmi1.2.2動量守恒方程動量守恒方程描述了流體的運動狀態(tài)，可以表示為：\frac{\partial(\rho\mathbf{u})}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\mathbf{u}\mathbf{u})=-\nablap+\nabla\cdot\tau+\mathbf{f}其中，p是壓力，τ是應(yīng)力張量，f是外力。1.2.3能量守恒方程能量守恒方程描述了系統(tǒng)中能量的轉(zhuǎn)換和守恒，可以表示為：\frac{\partial(\rhoE)}{\partialt}+\nabla\cdot(\rhoE\mathbf{u})=\nabla\cdot(k\nablaT)+\mathbf{u}\cdot\nablap+S_{heat}其中，E是總能量，k是熱導(dǎo)率，T是溫度，Sh1.2.4化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程描述了化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)物濃度之間的關(guān)系。在OpenFOAM中，可以使用不同的化學(xué)反應(yīng)模型，如：詳細化學(xué)反應(yīng)模型：考慮所有可能的化學(xué)反應(yīng)路徑，適用于研究燃燒機理。簡化化學(xué)反應(yīng)模型：減少化學(xué)反應(yīng)路徑，提高計算效率，適用于工程應(yīng)用。EDC模型（EddyDissipationConcept）：用于非預(yù)混燃燒，假設(shè)湍流渦旋可以迅速混合燃料和氧化劑，從而促進燃燒。1.3OpenFOAM軟件介紹OpenFOAM（OpenFieldOperationandManipulation）是一個開源的CFD（ComputationalFluidDynamics）軟件包，由OpenCFDLtd.開發(fā)和維護。OpenFOAM提供了豐富的物理模型和數(shù)值方法，可以用于模擬各種流體動力學(xué)和傳熱問題，包括燃燒仿真。1.3.1OpenFOAM中的燃燒仿真在OpenFOAM中，燃燒仿真可以通過以下步驟進行：定義物理模型：選擇合適的燃燒模型，如預(yù)混燃燒模型或非預(yù)混燃燒模型。設(shè)置邊界條件：定義入口、出口和壁面的邊界條件，包括溫度、壓力、速度和組分濃度。網(wǎng)格劃分：創(chuàng)建計算網(wǎng)格，網(wǎng)格的精細程度直接影響計算的準確性和效率。求解設(shè)置：選擇求解器，設(shè)置求解參數(shù)，如時間步長、迭代次數(shù)和收斂準則。運行求解器：執(zhí)行計算，OpenFOAM會根據(jù)設(shè)定的模型和條件求解燃燒過程。后處理：分析計算結(jié)果，可視化流場、溫度分布和組分濃度等。1.3.2示例：預(yù)混燃燒仿真以下是一個使用OpenFOAM進行預(yù)混燃燒仿真的簡單示例。我們將使用sonicFoam求解器，這是一個適用于高速流體和燃燒仿真的求解器。1.3.2.1案例設(shè)置假設(shè)我們有一個簡單的預(yù)混燃燒案例，燃燒室入口有燃料和空氣的混合物，出口為自由邊界，壁面為絕熱邊界。1.3.2.2網(wǎng)格文件網(wǎng)格文件通常保存在constant/polyMesh目錄下。這里我們不展示具體的網(wǎng)格文件，但確保網(wǎng)格已經(jīng)創(chuàng)建并滿足計算需求。1.3.2.3物理模型設(shè)置在constant/thermophysicalProperties文件中，定義燃料和氧化劑的化學(xué)反應(yīng)模型。例如，使用預(yù)混燃燒模型：thermodynamics

{

mixturepureMixture;

speciespecie;

equationOfStateperfectGas;

}

transport

{

typelaminar;

mu1.78e-5;

}

thermophysicalProperties

{

typereactingMixture;

mixturemixture;

transporttransport;

thermothermo;

equationOfStateequationOfState;

speciespecie;

radiationnone;

turbulenceturbulence;

turbulenceModelkOmegaSST;

}

mixture

{

specie

{

nMoles1;

molWeight28.9647;

}

equationOfState

{

rho01.225;

Cp01004.5;

Hf00;

}

transport

{

As6.63e-6;

n0.78;

}

thermo

{

T0300;

Cp1004.5;

Hf0;

}

species

{

fuel

{

specie

{

nMoles1;

molWeight16.04;

}

equationOfState

{

rho01.84;

Cp029.1;

Hf0-50.6;

}

transport

{

As6.63e-6;

n0.78;

}

thermo

{

T0300;

Cp29.1;

Hf-50.6;

}

}

air

{

specie

{

nMoles1;

molWeight28.9647;

}

equationOfState

{

rho01.225;

Cp01004.5;

Hf00;

}

transport

{

As6.63e-6;

n0.78;

}

thermo

{

T0300;

Cp1004.5;

Hf0;

}

}

}

reactions

{

typeoneStep;

nReactions1;

reactionfuel+1.5*O2->CO2+2*H2O;

heatOfReaction-500000;

}

}1.3.2.4求解器設(shè)置在system/controlDict文件中，設(shè)置求解器參數(shù)：applicationsonicFoam;

startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime1;

deltaT0.001;

writeControltimeStep;

writeInterval10;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

graphFormatraw;

runTimeModifiabletrue;1.3.2.5運行求解器在終端中，使用以下命令運行求解器：sonicFoam1.3.2.6后處理使用paraFoam或foamToVTK將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為可視化軟件（如ParaView）可以讀取的格式，進行結(jié)果分析和可視化。以上示例展示了如何在OpenFOAM中設(shè)置和運行一個預(yù)混燃燒仿真案例。實際應(yīng)用中，可能需要更復(fù)雜的網(wǎng)格、更詳細的物理模型和更精細的求解參數(shù)設(shè)置。2預(yù)混燃燒仿真2.1預(yù)混燃燒原理預(yù)混燃燒是指燃料和氧化劑在燃燒前已經(jīng)充分混合的燃燒過程。這種燃燒方式在燃氣輪機、火箭發(fā)動機和家用燃氣灶等設(shè)備中常見。預(yù)混燃燒的特點是燃燒速度快，火焰溫度高，但同時也容易產(chǎn)生NOx等污染物。在預(yù)混燃燒中，火焰鋒面的傳播速度和穩(wěn)定性是關(guān)鍵因素，這取決于混合物的化學(xué)組成、溫度、壓力以及流體動力學(xué)條件。2.1.1化學(xué)反應(yīng)模型預(yù)混燃燒的化學(xué)反應(yīng)模型通常包括：-Arrhenius定律：描述化學(xué)反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系。-詳細化學(xué)反應(yīng)機理：如GRI-Mech3.0，包含多種燃料和氧化劑的復(fù)雜反應(yīng)路徑。-簡化化學(xué)反應(yīng)機理：如乙烷燃燒的簡化機理，適用于快速仿真。2.1.2火焰?zhèn)鞑ツＰ蛯恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ィ涸跓o湍流影響下，火焰鋒面的傳播速度由化學(xué)反應(yīng)速率決定。湍流火焰?zhèn)鞑ィ涸谕牧鳝h(huán)境中，火焰鋒面的傳播速度受到湍流擴散和混合的影響。2.2OpenFOAM預(yù)混燃燒案例設(shè)置OpenFOAM是一款開源的CFD（計算流體動力學(xué)）軟件，廣泛用于燃燒仿真。預(yù)混燃燒案例的設(shè)置涉及網(wǎng)格生成、物理模型選擇、邊界條件設(shè)定以及初始條件設(shè)定。2.2.1網(wǎng)格生成使用blockMesh工具生成網(wǎng)格。例如，創(chuàng)建一個簡單的立方體網(wǎng)格：#$FOAM_RUNblockMesh網(wǎng)格定義文件blockMeshDict位于constant/polyMesh目錄下。2.2.2物理模型選擇預(yù)混燃燒仿真中，需要選擇合適的湍流模型和燃燒模型。例如，選擇kOmegaSST湍流模型和laminar燃燒模型：#$FOAM_RUNsimpleFoam-case<caseName>-dict<systemDictName>在system/fvSolution和system/fvSchemes中定義求解器和離散方案。2.3邊界條件與初始條件設(shè)定邊界條件和初始條件對于燃燒仿真至關(guān)重要，它們定義了燃燒環(huán)境的物理狀態(tài)。2.3.1邊界條件入口邊界：設(shè)定燃料和空氣的混合比例、速度和溫度。出口邊界：通常設(shè)定為大氣壓力或自由出流。壁面邊界：設(shè)定為絕熱或指定熱流。2.3.2初始條件溫度：預(yù)混燃燒的初始溫度。壓力：系統(tǒng)初始壓力。組分濃度：燃料和氧化劑的初始濃度。在0目錄下設(shè)置初始條件，如溫度T、壓力p和組分濃度Y。2.4湍流模型選擇與應(yīng)用湍流模型的選擇取決于燃燒環(huán)境的湍流程度。OpenFOAM提供了多種湍流模型，包括：層流模型：適用于低湍流強度的預(yù)混燃燒。k-ε模型：適用于中等湍流強度的燃燒仿真。k-ωSST模型：適用于高湍流強度和近壁面效應(yīng)的燃燒仿真。2.4.1k-ωSST模型應(yīng)用在system/turbulenceProperties文件中選擇kOmegaSST模型：simulationTypeRAS;

RAS

{

RASModelkOmegaSST;

...

}2.4.2模型參數(shù)調(diào)整根據(jù)具體燃燒環(huán)境調(diào)整模型參數(shù)，如湍流強度和湍流長度尺度。//在system/fvOptions中調(diào)整湍流模型參數(shù)

turbulence

{

RAS

{

printCoeffsno;

...

}

}通過以上步驟，可以使用OpenFOAM進行預(yù)混燃燒的仿真，理解燃燒過程中的物理和化學(xué)現(xiàn)象，優(yōu)化燃燒設(shè)備的設(shè)計和性能。3非預(yù)混燃燒仿真3.1非預(yù)混燃燒原理非預(yù)混燃燒，也稱為擴散燃燒，發(fā)生在燃料和氧化劑在燃燒前未充分混合的條件下。這種燃燒模式常見于工業(yè)燃燒器、汽車發(fā)動機和許多自然火災(zāi)中。在非預(yù)混燃燒中，燃燒過程由燃料和氧化劑的擴散和混合速率控制，而非化學(xué)反應(yīng)速率。燃燒區(qū)域通常由燃料和氧化劑的界面定義，其中火焰鋒面沿著燃料和空氣的混合邊界移動。3.1.1燃燒過程非預(yù)混燃燒涉及以下關(guān)鍵過程：-燃料和氧化劑的擴散：燃料和氧化劑通過擴散混合。-化學(xué)反應(yīng)：在混合區(qū)域，燃料和氧化劑達到一定比例時，化學(xué)反應(yīng)開始，釋放熱量。-熱傳導(dǎo)和對流：釋放的熱量通過熱傳導(dǎo)和對流進一步影響周圍的混合過程。3.2OpenFOAM非預(yù)混燃燒案例設(shè)置在OpenFOAM中，非預(yù)混燃燒的仿真通常使用reactingMultiphaseFoam或laminarReactingMultiphaseFoam等求解器。這些求解器能夠處理多組分、多相流的燃燒問題，特別適用于非預(yù)混燃燒的仿真。3.2.1案例文件結(jié)構(gòu)一個典型的非預(yù)混燃燒案例在OpenFOAM中的文件結(jié)構(gòu)包括：-0：初始條件和邊界條件的設(shè)置。-system：包含控制參數(shù)、網(wǎng)格信息和物理模型的設(shè)置。-constant：包含化學(xué)反應(yīng)機理、燃料和氧化劑的屬性等常數(shù)信息。3.2.2控制文件在system目錄下，controlDict文件用于控制仿真過程，包括時間步長、終止條件等。下面是一個controlDict的示例：//controlDict

applicationreactingMultiphaseFoam;

startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime100;

deltaT0.01;

writeControltimeStep;

writeInterval10;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

runTimeModifiabletrue;3.2.3物理模型設(shè)置在system目錄下，thermophysicalProperties文件用于定義燃料和氧化劑的物理和化學(xué)屬性，包括熱力學(xué)模型、化學(xué)反應(yīng)機理等。下面是一個thermophysicalProperties的示例：//thermophysicalProperties

thermoType

{

typereactingMultiphaseMixture;

mixturemixture;

transportconst;

thermohConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

mixture

{

phases

{

gas

{

typereactingPhase;

transportconst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

thermodynamics

{

molWeight28.9647;

CpCoeffs(1.0000000000000000e+040.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+00);

Hf0.0000000000000000e+00;

}

}

}

species

{

methane

{

molWeight16.0425;

CpCoeffs(1.0000000000000000e+040.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+00);

Hf5.0630000000000000e+04;

}

oxygen

{

molWeight31.9988;

CpCoeffs(1.0000000000000000e+040.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+00);

Hf0.0000000000000000e+00;

}

}

transport

{

typeconst;

nu1.5e-5;

}

turbulence

{

simulationTypelaminar;

}

chemistry

{

typefiniteRate;

chemistryReaderchemistryReader;

chemistryFilechemistry.dat;

}

}3.2.4化學(xué)反應(yīng)機理導(dǎo)入化學(xué)反應(yīng)機理通常存儲在constant目錄下的chemistry.dat文件中。這個文件定義了參與燃燒的化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)速率。下面是一個簡單的化學(xué)反應(yīng)機理示例：//chemistry.dat

SPECIES

{

methane;

oxygen;

carbonDioxide;

water;

}

REACTIONS

{

methane+2*oxygen->carbonDioxide+2*water;

rateCoeff

{

A3.87e+26;

b-0.78;

Ea62.0;

}

}3.3燃料與氧化劑混合模型在非預(yù)混燃燒中，燃料和氧化劑的混合模型至關(guān)重要。OpenFOAM提供了多種混合模型，包括：-湍流擴散模型：適用于湍流條件下的燃燒。-層流擴散模型：適用于層流條件下的燃燒。3.3.1湍流擴散模型湍流擴散模型考慮了湍流對混合過程的影響。在thermophysicalProperties文件中，通過設(shè)置simulationType為RAS或LES來啟用湍流模型。3.3.2層流擴散模型層流擴散模型假設(shè)混合過程僅由分子擴散控制。在thermophysicalProperties文件中，通過設(shè)置simulationType為laminar來啟用層流模型。3.4結(jié)論通過上述設(shè)置，可以使用OpenFOAM進行非預(yù)混燃燒的仿真。理解非預(yù)混燃燒的原理、正確設(shè)置案例文件和選擇合適的混合模型是成功仿真的關(guān)鍵。在實際應(yīng)用中，可能需要更復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)機理和更精細的網(wǎng)格設(shè)置來獲得準確的結(jié)果。4仿真結(jié)果分析4.1OpenFOAM輸出數(shù)據(jù)解讀在OpenFOAM中，燃燒仿真的輸出數(shù)據(jù)通常包含在postProcessing目錄下的多個子目錄中，這些數(shù)據(jù)對于理解燃燒過程至關(guān)重要。OpenFOAM會生成各種類型的文件，包括但不限于：標量場（ScalarFields）：如溫度（T）、壓力（p）等。向量場（VectorFields）：如速度（U）。張量場（TensorFields）：如應(yīng)力張量?；旌衔锓謹?shù)（MixtureFraction）：對于非預(yù)混燃燒。反應(yīng)速率（ReactionRates）：對于預(yù)混燃燒。4.1.1示例：讀取溫度數(shù)據(jù)假設(shè)我們有一個OpenFOAM仿真結(jié)果，其中包含溫度數(shù)據(jù)。我們可以使用Python的numpy和matplotlib庫來讀取和可視化這些數(shù)據(jù)。importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#讀取OpenFOAM輸出的溫度數(shù)據(jù)

withopen('postProcessing/sets/0/T','r')asfile:

data=file.readlines()

#解析數(shù)據(jù)

temperature=[]

forlineindata:

ifline.startswith('('):

temp=line.strip('()').split()

temperature.append(float(temp[0]))

#轉(zhuǎn)換為numpy數(shù)組

temperature=np.array(temperature)

#可視化溫度數(shù)據(jù)

plt.figure()

plt.plot(temperature)

plt.title('溫度分布')

plt.xlabel('位置')

plt.ylabel('溫度(K)')

plt.show()4.2燃燒效率與污染物生成分析燃燒效率和污染物生成是評估燃燒過程性能的關(guān)鍵指標。OpenFOAM提供了多種方法來計算這些指標，包括：燃燒效率：通常通過計算燃料消耗率與理論最大消耗率的比值來評估。污染物生成：如NOx、CO、未燃燒碳氫化合物（UHC）等，通過反應(yīng)機理模型計算。4.2.1示例：計算燃燒效率在預(yù)混燃燒中，燃燒效率可以通過分析燃料消耗率來計算。以下是一個簡單的示例，展示如何從OpenFOAM輸出中提取燃料消耗率數(shù)據(jù)，并計算燃燒效率。#假設(shè)燃料消耗率數(shù)據(jù)存儲在文件`postProcessing/sets/0/omega`中

withopen('postProcessing/sets/0/omega','r')asfile:

omega_data=file.readlines()

#解析燃料消耗率數(shù)據(jù)

omega=[]

forlineinomega_data:

ifline.startswith('('):

rate=line.strip('()').split()

omega.append(float(rate[0]))

#轉(zhuǎn)換為numpy數(shù)組

omega=np.array(omega)

#計算燃燒效率

#假設(shè)理論最大消耗率為omega_max

omega_max=1.0#示例值，實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體燃燒條件確定

efficiency=np.sum(omega)/(omega_max*len(omega))

print(f'燃燒效率:{efficiency}')4.3結(jié)果可視化技術(shù)OpenFOAM仿真結(jié)果的可視化是理解和分析燃燒過程的重要工具。常用的可視化軟件包括ParaView和FOAM-EXTEND的foamToVTK工具，它們可以將OpenFOAM的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更易于處理的格式。4.3.1示例：使用foamToVTK轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)假設(shè)我們想要將OpenFOAM的仿真結(jié)果轉(zhuǎn)換為VTK格式，以便在ParaView中進行可視化。以下是一個使用foamToVTK工具的示例命令：foamToVTK-case<your_simulation_directory>轉(zhuǎn)換后，可以使用ParaView打開生成的VTK文件，進行詳細的后處理分析，包括切片、等值面、流線等。4.3.2示例：在ParaView中分析溫度等值面打開ParaView，選擇File>Open，然后選擇轉(zhuǎn)換后的VTK文件。在Pipeline中，選擇你的數(shù)據(jù)集，然后添加Contour過濾器。在Contour屬性中，選擇T作為ContourBy，并設(shè)置你想要顯示的溫度等值面值。點擊Apply，然后在RenderView中查看結(jié)果。通過上述步驟，你可以清晰地看到燃燒區(qū)域的溫度分布，這對于理解燃燒過程的熱力學(xué)行為非常有幫助。以上內(nèi)容提供了OpenFOAM燃燒仿真結(jié)果分析的基本框架，包括數(shù)據(jù)解讀、關(guān)鍵指標計算和結(jié)果可視化。通過這些步驟，可以深入理解燃燒過程的物理和化學(xué)特性，為優(yōu)化燃燒系統(tǒng)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。5高級燃燒仿真技巧5.1并行計算與OpenFOAM在燃燒仿真中，處理大規(guī)模計算域或高精度模型時，單個處理器的計算能力往往不足以在合理時間內(nèi)完成仿真。OpenFOAM提供了強大的并行計算功能，通過分解計算域并在多個處理器上同時運行，顯著加速仿真過程。5.1.1原理并行計算基于域分解方法（DomainDecompositionMethod,DDM），將計算域分割成多個子域，每個子域由一個或多個處理器處理。OpenFOAM使用ParallelVirtualMachine(PVM)和MessagePassingInterface(MPI)來實現(xiàn)并行計算，確保數(shù)據(jù)在不同處理器間高效傳輸。5.1.2內(nèi)容使用blockMesh生成并行計算網(wǎng)格：blockMe