燃燒仿真技術教程：燃燒數(shù)值模擬方法與化學反應動力學

燃燒仿真技術教程：燃燒數(shù)值模擬方法與化學反應動力學1燃燒仿真基礎1.1燃燒過程簡介燃燒是一種復雜的物理化學過程，涉及到燃料與氧化劑之間的快速化學反應，產(chǎn)生熱能和光能。在燃燒過程中，燃料分子與氧氣分子在適當?shù)臈l件下（如溫度、壓力和濃度）相遇并反應，生成二氧化碳、水蒸氣和其他產(chǎn)物。這一過程不僅受到化學反應動力學的控制，還受到流體動力學、傳熱學和傳質學的影響。1.1.1化學反應動力學化學反應動力學研究反應速率與反應物濃度、溫度、壓力等條件之間的關系。在燃燒仿真中，化學反應動力學模型是核心，它描述了燃料氧化的速率和路徑。例如，對于簡單的甲烷燃燒，其化學反應可以表示為：CH4+2O2->CO2+2H2O然而，實際的燃燒過程涉及多個反應步驟和中間產(chǎn)物，形成復雜的反應網(wǎng)絡。1.1.2流體動力學流體動力學考慮燃燒過程中氣體的流動，包括湍流、擴散和對流等現(xiàn)象。在數(shù)值模擬中，通常使用Navier-Stokes方程來描述流體的運動。1.1.3傳熱學與傳質學傳熱學研究熱量在燃燒系統(tǒng)中的傳遞，而傳質學則關注物質（如燃料、氧氣和產(chǎn)物）的擴散。這些過程對燃燒效率和產(chǎn)物分布有重要影響。1.2燃燒模型分類燃燒模型根據(jù)其對燃燒過程的描述程度和應用范圍，可以分為以下幾類：1.2.1零維模型零維模型假設燃燒室內的條件（如溫度、壓力）是均勻的，不隨時間和空間變化。這種模型主要用于快速預測燃燒過程的宏觀行為，如燃燒速率和最終產(chǎn)物。1.2.2維模型一維模型考慮了燃燒過程在某個方向上的變化，如火焰?zhèn)鞑シ较?。它通常用于描述層流燃燒或簡單的火焰結構。1.2.3維和三維模型二維和三維模型考慮了燃燒過程在空間上的復雜變化，能夠更準確地模擬實際燃燒環(huán)境中的湍流、傳熱和傳質過程。這些模型通常需要高性能計算資源。1.2.4反應流模型反應流模型結合了化學反應動力學和流體動力學，能夠模擬燃燒過程中化學反應和流體流動的相互作用。這種模型適用于詳細研究燃燒機理和優(yōu)化燃燒系統(tǒng)設計。1.3數(shù)值模擬在燃燒仿真中的應用數(shù)值模擬是燃燒仿真中不可或缺的工具，它通過求解控制方程（如Navier-Stokes方程、能量方程和物種守恒方程）來預測燃燒過程的動態(tài)行為。數(shù)值模擬可以分為以下步驟：1.3.1網(wǎng)格劃分首先，需要將燃燒區(qū)域劃分為一系列小的網(wǎng)格單元，以便在每個單元上應用控制方程。網(wǎng)格的大小和形狀取決于燃燒系統(tǒng)的復雜性和所需的計算精度。1.3.2控制方程離散化將控制方程在網(wǎng)格上離散化，轉換為代數(shù)方程組。常用的離散化方法包括有限差分法、有限體積法和有限元法。1.3.3求解方程組使用數(shù)值方法（如迭代法或直接法）求解離散后的方程組，得到每個網(wǎng)格單元的物理量（如速度、溫度和濃度）。1.3.4后處理與可視化最后，對計算結果進行后處理，生成可視化圖像，以便于分析燃燒過程的細節(jié)。1.3.5示例：一維層流燃燒模擬下面是一個使用Python和SciPy庫進行一維層流燃燒模擬的簡單示例。假設我們有一個甲烷和空氣的層流燃燒過程，使用零維化學反應動力學模型。importnumpyasnp

fromegrateimportodeint

importmatplotlib.pyplotasplt

#定義化學反應速率常數(shù)

k1=1.0e10#甲烷與氧氣反應的速率常數(shù)

#定義物種守恒方程

defspecies_conservation(y,t,k1):

#y=[CH4,O2,CO2,H2O]

CH4,O2,CO2,H2O=y

dydt=[

-k1*CH4*O2,#甲烷消耗速率

-2*k1*CH4*O2,#氧氣消耗速率

k1*CH4*O2,#二氧化碳生成速率

2*k1*CH4*O2#水蒸氣生成速率

]

returndydt

#初始條件

y0=[0.1,0.2,0.0,0.0]#初始甲烷、氧氣、二氧化碳和水蒸氣的濃度

#時間向量

t=np.linspace(0,1,100)#模擬時間從0到1秒，共100個時間點

#求解方程組

y=odeint(species_conservation,y0,t,args=(k1,))

#可視化結果

plt.figure()

plt.plot(t,y[:,0],label='CH4')

plt.plot(t,y[:,1],label='O2')

plt.plot(t,y[:,2],label='CO2')

plt.plot(t,y[:,3],label='H2O')

plt.xlabel('時間(秒)')

plt.ylabel('濃度')

plt.legend()

plt.show()1.3.6解釋在這個示例中，我們使用了SciPy庫中的odeint函數(shù)來求解物種守恒方程。species_conservation函數(shù)定義了甲烷和氧氣反應生成二氧化碳和水蒸氣的速率方程。我們假設反應速率常數(shù)k1為1.0e10，這在實際應用中需要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)或理論計算來確定。初始條件y0設定了甲烷和氧氣的初始濃度，而t向量定義了模擬的時間范圍。最后，我們使用Matplotlib庫來可視化不同物種隨時間變化的濃度。通過數(shù)值模擬，我們可以深入理解燃燒過程的動態(tài)特性，為燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供科學依據(jù)。2化學反應動力學原理2.1基本概念與定律化學反應動力學主要研究化學反應的速率以及影響速率的因素。在燃燒仿真中，理解化學反應動力學是至關重要的，因為它直接關系到燃燒過程的效率和產(chǎn)物的生成。2.1.1Arrhenius定律Arrhenius定律描述了溫度對反應速率的影響，公式如下：k其中，k是反應速率常數(shù)，A是頻率因子，Ea是活化能，R是理想氣體常數(shù)，T2.1.2反應級數(shù)反應級數(shù)表示反應速率與反應物濃度的關系。例如，對于一個二級反應，其速率方程可以表示為：r其中，r是反應速率，k是速率常數(shù)，A和B$分別是反應物A和B的濃度。2.2反應速率與反應機理反應速率受多種因素影響，包括反應物濃度、溫度、催化劑的存在等。反應機理則是描述反應如何從反應物轉化為產(chǎn)物的詳細步驟。2.2.1例子：氫氣與氧氣的燃燒反應氫氣與氧氣的燃燒反應是一個典型的例子，其反應機理可以簡化為以下幾步：HHO每一步都有其特定的速率常數(shù)和活化能，通過這些參數(shù)可以計算出整個反應的速率。2.3動力學方程的建立與求解在燃燒仿真中，建立和求解動力學方程是模擬化學反應過程的關鍵步驟。2.3.1方程建立動力學方程的建立通?；谫|量守恒和化學反應速率。對于一個簡單的燃燒反應，方程可以表示為：ddd其中，C是產(chǎn)物的濃度。2.3.2方程求解動力學方程的求解可以通過數(shù)值方法進行，例如使用Runge-Kutta方法。Python代碼示例importnumpyasnp

fromegrateimportsolve_ivp

#定義反應速率常數(shù)

k=0.01

#定義動力學方程

defkinetics(t,y):

A,B,C=y

dA_dt=-k*A*B

dB_dt=-k*A*B

dC_dt=k*A*B

return[dA_dt,dB_dt,dC_dt]

#初始條件

y0=[1.0,1.0,0.0]

#時間范圍

t_span=(0,10)

#使用solve_ivp求解動力學方程

sol=solve_ivp(kinetics,t_span,y0,t_eval=np.linspace(0,10,100))

#打印結果

print(sol.t)#時間點

print(sol.y)#各物質濃度隨時間的變化這段代碼使用了Python的egrate.solve_ivp函數(shù)來求解動力學方程，模擬了反應物A和B隨時間轉化為產(chǎn)物C的過程。2.3.3結果分析通過求解動力學方程，我們可以得到反應物和產(chǎn)物濃度隨時間變化的曲線，從而分析燃燒過程的動態(tài)特性，優(yōu)化燃燒條件，提高燃燒效率。以上內容詳細介紹了化學反應動力學的基本原理、反應速率與機理，以及動力學方程的建立與求解方法，包括一個使用Python進行數(shù)值求解的示例。這為理解和模擬燃燒過程提供了理論基礎和實踐指導。3反應流模型詳解3.1反應流模型概述在燃燒仿真中，反應流模型是用于描述化學反應與流體動力學相互作用的數(shù)學模型。這些模型結合了流體動力學方程（如連續(xù)性方程、動量方程、能量方程）和化學反應動力學方程，以預測燃燒過程中的溫度、壓力、組分濃度等關鍵參數(shù)。反應流模型可以分為詳細化學反應機理模型和簡化化學反應機理模型兩大類。3.1.1詳細化學反應機理模型詳細化學反應機理模型考慮了燃燒過程中所有可能的化學反應，包括燃料的裂解、氧化、中間產(chǎn)物的生成和消耗等。這種模型通常包含數(shù)百甚至數(shù)千個反應，能夠提供燃燒過程的全面描述，但計算成本極高。原理詳細化學反應機理模型基于Arrhenius定律，該定律描述了化學反應速率與溫度的關系。模型中每個反應的速率都由反應物的濃度、活化能、頻率因子和溫度決定。這些模型還考慮了反應物和產(chǎn)物之間的質量守恒和能量守恒。內容Arrhenius定律：rr：反應速率A：頻率因子EaR：理想氣體常數(shù)T：溫度質量守恒方程：?ρ：密度Yi：組分iu：流速Γ：擴散系數(shù)ωi：組分i能量守恒方程：?e：內能k：熱導率Hi：組分i3.1.2簡化化學反應機理模型簡化化學反應機理模型通過減少反應數(shù)量和復雜性來降低計算成本，同時保持足夠的準確性。這種模型通常通過選擇關鍵反應、忽略次要反應或使用經(jīng)驗公式來簡化詳細機理。原理簡化模型的構建基于化學反應網(wǎng)絡的分析，識別出對燃燒過程貢獻最大的反應路徑，忽略那些反應速率較慢或對最終結果影響較小的反應。簡化模型還可能使用化學平衡假設或準穩(wěn)態(tài)假設來進一步簡化計算。內容關鍵反應選擇：通過分析反應網(wǎng)絡，識別出對燃燒過程有顯著影響的反應?；瘜W平衡假設：在某些條件下，假設某些反應達到平衡狀態(tài)，從而簡化反應動力學方程。準穩(wěn)態(tài)假設：假設某些中間產(chǎn)物的濃度變化緩慢，可以忽略其時間導數(shù)，從而簡化模型。3.2示例：詳細化學反應機理模型的Python實現(xiàn)下面是一個使用Python和Cantera庫實現(xiàn)詳細化學反應機理模型的簡單示例。Cantera是一個開源軟件，用于化學反應動力學和燃燒的數(shù)值模擬。importcanteraasct

importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#設置氣體模型

gas=ct.Solution('gri30.xml')#使用GRI3.0機理

#初始條件

P=ct.one_atm#壓力為1大氣壓

Tin=300.0#初始溫度

Xin='CH4:1,O2:2,N2:7.56'#初始組分

#設置反應器

r=ct.IdealGasConstPressureReactor(gas)

sim=ct.ReactorNet([r])

#設置初始條件

r.TPX=Tin,P,Xin

#記錄數(shù)據(jù)

times=[]

temperatures=[]

species_concentrations=[]

#模擬燃燒過程

foriinrange(1000):

sim.advance(i*1e-3)

times.append(sim.time)

temperatures.append(r.T)

species_concentrations.append(r.thermo.X)

#繪制結果

plt.figure()

plt.plot(times,temperatures)

plt.xlabel('時間(s)')

plt.ylabel('溫度(K)')

plt.title('詳細化學反應機理模型的溫度變化')

plt.show()

#繪制組分濃度變化

plt.figure()

fori,nameinenumerate(gas.species_names):

plt.plot(times,[X[i]forXinspecies_concentrations],label=name)

plt.xlabel('時間(s)')

plt.ylabel('組分濃度')

plt.legend()

plt.title('詳細化學反應機理模型的組分濃度變化')

plt.show()3.2.1示例描述此示例使用Cantera庫和GRI3.0化學反應機理模型來模擬甲烷在空氣中的燃燒過程。首先，我們定義了氣體模型、初始條件和反應器。然后，通過sim.advance函數(shù)逐步推進模擬，記錄下時間和溫度的變化，以及所有組分的濃度變化。最后，使用Matplotlib庫繪制溫度和組分濃度隨時間變化的圖表。3.3示例：簡化化學反應機理模型的Python實現(xiàn)簡化化學反應機理模型的實現(xiàn)通常涉及對詳細機理的修改，例如減少反應數(shù)量。下面的示例展示了如何使用Cantera庫和一個簡化版的GRI3.0機理來模擬燃燒過程。importcanteraasct

importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#設置氣體模型

gas=ct.Solution('gri30_reduced.xml')#使用簡化版GRI3.0機理

#初始條件

P=ct.one_atm

Tin=300.0

Xin='CH4:1,O2:2,N2:7.56'

#設置反應器

r=ct.IdealGasConstPressureReactor(gas)

sim=ct.ReactorNet([r])

#設置初始條件

r.TPX=Tin,P,Xin

#記錄數(shù)據(jù)

times=[]

temperatures=[]

species_concentrations=[]

#模擬燃燒過程

foriinrange(1000):

sim.advance(i*1e-3)

times.append(sim.time)

temperatures.append(r.T)

species_concentrations.append(r.thermo.X)

#繪制結果

plt.figure()

plt.plot(times,temperatures)

plt.xlabel('時間(s)')

plt.ylabel('溫度(K)')

plt.title('簡化化學反應機理模型的溫度變化')

plt.show()

#繪制組分濃度變化

plt.figure()

fori,nameinenumerate(gas.species_names):

plt.plot(times,[X[i]forXinspecies_concentrations],label=name)

plt.xlabel('時間(s)')

plt.ylabel('組分濃度')

plt.legend()

plt.title('簡化化學反應機理模型的組分濃度變化')

plt.show()3.3.1示例描述在這個示例中，我們使用了一個簡化版的GRI3.0機理模型，該模型包含較少的反應，以降低計算成本。通過與詳細機理模型相同的步驟，我們記錄了時間和溫度的變化，以及所有組分的濃度變化，并使用Matplotlib庫繪制了圖表。簡化模型的結果與詳細模型相比，雖然可能在某些細節(jié)上有所差異，但總體趨勢和關鍵特征仍然保持一致。通過上述示例，我們可以看到詳細化學反應機理模型和簡化化學反應機理模型在燃燒仿真中的應用。詳細模型提供了更準確的燃燒過程描述，而簡化模型則在保持一定準確性的前提下，顯著減少了計算時間，適用于需要快速模擬的場景。4數(shù)值模擬方法在燃燒仿真中的應用4.1有限差分法4.1.1原理有限差分法(FiniteDifferenceMethod,FDM)是將連續(xù)的偏微分方程離散化，轉換為一系列代數(shù)方程的方法。在燃燒仿真中，F(xiàn)DM主要用于求解控制燃燒過程的物理和化學方程，如能量守恒、動量守恒和質量守恒方程。通過在空間和時間上對這些方程進行離散，可以將復雜的連續(xù)問題轉化為計算機可以處理的離散問題。4.1.2內容空間離散化在空間上，有限差分法通過將計算域劃分為一系列網(wǎng)格點，然后在這些點上用差商代替導數(shù)。例如，對于一維空間中的導數(shù)，可以使用中心差分格式：?其中，ui表示網(wǎng)格點i上的變量值，Δ時間離散化在時間上，有限差分法可以使用顯式或隱式格式。顯式格式簡單直觀，但可能需要較小的時間步長以保持數(shù)值穩(wěn)定性。隱式格式雖然計算復雜度較高，但通常具有更好的穩(wěn)定性。示例假設我們有一個簡單的燃燒反應模型，其中溫度T隨時間t和空間x的變化遵循以下偏微分方程：?其中，α是熱擴散率。使用有限差分法，我們可以將上述方程離散化為：T這里，Tin表示在時間步n和網(wǎng)格點代碼示例importnumpyasnp

#參數(shù)設置

alpha=0.1#熱擴散率

L=1.0#空間長度

T=1.0#時間長度

dx=0.01#空間步長

dt=0.001#時間步長

#網(wǎng)格點數(shù)和時間步數(shù)

nx=int(L/dx)+1

nt=int(T/dt)

#初始化溫度分布

T=np.zeros(nx)

T[int(0.5/dx):int(0.7/dx)]=1#在0.5到0.7之間設置初始溫度為1

#計算系數(shù)

sigma=alpha*dt/(dx**2)

#時間迭代

forninrange(nt):

Tn=T.copy()

foriinrange(1,nx-1):

T[i]=Tn[i]+sigma*(Tn[i+1]-2*Tn[i]+Tn[i-1])

#輸出最終溫度分布

print(T)4.1.3有限體積法4.1.4原理有限體積法(FiniteVolumeMethod,FVM)是一種基于守恒原理的數(shù)值方法。在燃燒仿真中，F(xiàn)VM通過將計算域劃分為一系列控制體積，然后在每個控制體積上應用守恒定律，從而得到一組代數(shù)方程。這種方法確保了質量、動量和能量的守恒，因此在處理流體動力學和燃燒過程時非常有效。4.1.5內容控制體積控制體積是有限體積法的基本單元，通常選擇為網(wǎng)格單元。在每個控制體積上，物理量的積分形式被用于描述守恒定律。通量計算在控制體積的邊界上，需要計算物理量的通量。通量的計算通?；跀?shù)值通量公式，如Roe通量或HLL通量。示例考慮一個簡單的燃燒反應模型，其中質量m隨時間t和空間x的變化遵循以下守恒方程：?其中，v是流體速度。使用有限體積法，我們可以在每個控制體積上應用質量守恒定律，得到：m這里，F(xiàn)i+1/2n和Fi代碼示例importnumpyasnp

#參數(shù)設置

L=1.0#空間長度

T=1.0#時間長度

dx=0.01#空間步長

dt=0.001#時間步長

v=0.1#流體速度

#網(wǎng)格點數(shù)和時間步數(shù)

nx=int(L/dx)+1

nt=int(T/dt)

#初始化質量分布

m=np.zeros(nx)

m[int(0.5/dx):int(0.7/dx)]=1#在0.5到0.7之間設置初始質量為1

#時間迭代

forninrange(nt):

mn=m.copy()

foriinrange(1,nx-1):

F_left=v*mn[i-1]

F_right=v*mn[i]

m[i]=mn[i]-dt/dx*(F_right-F_left)

#輸出最終質量分布

print(m)4.1.6有限元法4.1.7?原理有限元法(FiniteElementMethod,FEM)是一種基于變分原理的數(shù)值方法。在燃燒仿真中，F(xiàn)EM通過將計算域劃分為一系列有限元，然后在每個有限元上使用插值函數(shù)來逼近解。這種方法可以處理復雜的幾何形狀和邊界條件，適用于非線性問題和多物理場耦合問題。4.1.8內容插值函數(shù)在有限元法中，插值函數(shù)用于在有限元內部逼近解。常用的插值函數(shù)有線性插值、二次插值和三次插值。弱形式有限元法通?；诜匠痰娜跣问剑赐ㄟ^乘以測試函數(shù)并進行積分來轉換原始方程。這種方法可以簡化方程的求解，并允許使用更靈活的邊界條件。示例考慮一個簡單的燃燒反應模型，其中溫度T隨時間t和空間x的變化遵循以下偏微分方程：?使用有限元法，我們可以將上述方程轉換為弱形式，并在每個有限元上使用插值函數(shù)來逼近解。代碼示例有限元法的代碼示例通常涉及復雜的數(shù)學和編程，包括矩陣組裝和求解。以下是一個使用Python和FEniCS庫的簡化示例，用于求解上述方程。fromfenicsimport*

#創(chuàng)建網(wǎng)格和函數(shù)空間

mesh=UnitIntervalMesh(100)

V=FunctionSpace(mesh,'P',1)

#定義邊界條件

defboundary(x,on_boundary):

returnon_boundary

bc=DirichletBC(V,Constant(0),boundary)

#定義變量和測試函數(shù)

T=Function(V)

v=TestFunction(V)

#定義參數(shù)

alpha=0.1

dt=0.001

#定義弱形式

F=T*v*dx+dt*alpha*dot(grad(T),grad(v))*dx

#時間迭代

t=0

T_n=interpolate(Expression('x[0]>0.5&&x[0]<0.7?1:0',degree=1),V)

whilet<1:

solve(F==0,T,bc)

T_n.assign(T)

t+=dt

#輸出最終溫度分布

plot(T_n)

interactive()這個示例使用了FEniCS庫，它是一個用于求解偏微分方程的高級數(shù)值求解器。代碼中，我們首先創(chuàng)建了一個一維網(wǎng)格和一個線性插值函數(shù)空間。然后，我們定義了邊界條件、變量和測試函數(shù)。接著，我們定義了參數(shù)和弱形式，并進行了時間迭代。最后，我們輸出了最終的溫度分布。以上三種方法在燃燒仿真中都有廣泛的應用，選擇哪種方法取決于具體問題的性質和求解需求。有限差分法適用于簡單幾何和邊界條件，有限體積法適用于流體動力學問題，而有限元法則適用于復雜幾何和多物理場耦合問題。5燃燒仿真軟件介紹5.1主流燃燒仿真軟件概述燃燒仿真軟件在工程和科學研究中扮演著至關重要的角色，它們能夠幫助我們理解和預測燃燒過程中的復雜現(xiàn)象。主流的燃燒仿真軟件通常包括：ANSYSFluentANSYSFluent是一款廣泛使用的CFD（計算流體動力學）軟件，它提供了強大的燃燒模型，包括非預混燃燒、預混燃燒和化學反應模型，適用于各種燃燒應用。STAR-CCM+STAR-CCM+是另一款多功能的CFD軟件，它在燃燒仿真方面提供了先進的模型，如PDF（概率密度函數(shù)）模型和EDC（經(jīng)驗標度）模型，適用于詳細燃燒過程的模擬。OpenFOAMOpenFOAM是一個開源的CFD軟件包，它包含了多種燃燒模型，如libReactingFoam，適用于學術研究和工業(yè)應用。OpenFOAM的靈活性和可定制性使其在燃燒仿真領域非常受歡迎。CONVERGECONVERGE是一款專門用于內燃機和燃燒過程仿真的軟件，它使用自適應網(wǎng)格細化技術，能夠處理復雜的幾何結構和瞬態(tài)燃燒過程。CHEMKINCHEMKIN是一個化學動力學軟件包，主要用于處理復雜的化學反應網(wǎng)絡。雖然它不是一款完整的CFD軟件，但可以與上述軟件結合使用，提供精確的化學反應動力學數(shù)據(jù)。5.2軟件操作與案例分析5.2.1ANSYSFluent操作示例案例：預混燃燒仿真假設我們正在使用ANSYSFluent對一個預混燃燒器進行仿真。以下是一個簡化的步驟和代碼示例，展示如何設置和運行預混燃燒模型。網(wǎng)格導入#導入網(wǎng)格文件

Fluent&<case>.mesh選擇燃燒模型#設置燃燒模型為預混燃燒

/solve/models/combustion/premixed定義化學反應#定義化學反應機制

/solve/models/combustion/chemistry/define邊界條件設置#設置入口邊界條件為燃料和空氣混合物

/boundary-conditions/inlet/specify初始化和求解#初始化計算域

/solve/initialize/hybrid-init

#開始計算

/solve/monitors/residual

/solve/control/solution后處理#導出結果

/file/export-data5.2.2OpenFOAM操作示例案例：非預混燃燒仿真在OpenFOAM中，我們可以使用simpleReactingFoam應用來模擬非預混燃燒。以下是一個簡化的步驟和代碼示例，展示如何設置和運行非預混燃燒模型。創(chuàng)建案例目錄foamNewcasenonPremixedCombustion設置物理屬性#編輯constant文件夾下的transportProperties文件

viconstant/transportProperties定義化學反應機制#編輯constant文件夾下的chemistryProperties文件

viconstant/chemistryProperties設置邊界條件#編輯0文件夾下的邊界條件文件

vi0/U

vi0/T初始化和求解#運行初始化腳本

./Allclean

./Allprepare

#運行求解器

simpleReactingFoam后處理#使用ParaView查看結果

paraFoam5.2.3STAR-CCM+操作示例案例：化學反應動力學仿真在STAR-CCM+中，我們可以使用PDF（概率密度函數(shù)）模型來模擬化學反應動力學。以下是一個簡化的步驟和代碼示例，展示如何設置和運行化學反應動力學模型。創(chuàng)建新案例打開STAR-CCM+，創(chuàng)建一個新案例。選擇燃燒模型在“Physics”面板中，選擇“Combustion”并設置為“PDF”模型。定義化學反應在“Chemistry”面板中，導入化學反應機制文件。設置邊界條件在“BoundaryConditions”面板中，設置入口邊界條件為燃料和空氣混合物。初始化和求解在“SolutionMethods”面板中，選擇合適的求解器并設置參數(shù)。點擊“Run”開始計算。后處理在“Post-Processing”面板中，查看和分析計算結果。通過上述示例，我們可以看到不同燃燒仿真軟件在操作上的差異，但它們都遵循相似的步驟：導入網(wǎng)格、設置物理模型、定義化學反應、設置邊界條件、初始化和求解，以及后處理。這些軟件提供了強大的工具，幫助工程師和科學家深入理解燃燒過程，優(yōu)化燃燒設備設計，減少污染物排放，提高能源效率。6高級燃燒仿真技術6.1湍流燃燒模擬6.1.1原理湍流燃燒模擬是燃燒仿真中的一項關鍵技術，它涉及到對湍流和化學反應的耦合模擬。在實際燃燒過程中，湍流的存在極大地影響了燃燒的速率和效率，因此，準確地模擬湍流對理解燃燒過程至關重要。湍流燃燒模擬通常采用大渦模擬(LES)或雷諾平均納維-斯托克斯方程(RANS)方法。大渦模擬(LES)LES是一種直接模擬湍流中大尺度渦旋，而對小尺度渦旋進行模型化的方法。這種方法能夠捕捉到湍流的瞬態(tài)特性，對于研究燃燒過程中的湍流-化學反應相互作用非常有效。雷諾平均納維-斯托克斯方程(RANS)RANS方法則是通過對納維-斯托克斯方程進行時間平均，來消除湍流的瞬態(tài)效應，從而簡化計算。RANS方法通常需要配合湍流模型，如k-ε模型或k-ω模型，來描述湍流的統(tǒng)計特性。6.1.2內容在進行湍流燃燒模擬時，需要考慮以下幾個關鍵因素：湍流模型的選擇：根據(jù)燃燒設備的特性和計算資源，選擇合適的湍流模型?；瘜W反應模型：定義化學反應機理，包括反應物、產(chǎn)物、反應速率等。網(wǎng)格劃分：合理設計計算網(wǎng)格，以確保模擬的準確性和計算效率。邊界條件：設置適當?shù)倪吔鐥l件，如入口的湍流強度和化學組分濃度，出口的壓力等。數(shù)值方法：選擇合適的數(shù)值方法，如有限體積法或有限元法，來求解控制方程。6.1.3示例以下是一個使用OpenFOAM進行湍流燃燒模擬的簡單示例：#設置湍流模型

turbulenceModelkOmegaSST;

#定義化學反應模型

thermodynamicsreactingFoam;

#設置網(wǎng)格

blockMeshDict

{

convertToMeters1;

vertices

(

(000)

(100)

(110)

(010)

(001)

(101)

(111)

(011)

);

...

}

#設置邊界條件

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(100);

turbulencetrue;

intensity0.1;

...

}

outlet

{

typezeroGradient;

...

}

...

}

#求解控制方程

solve

(

fvm::ddt(rho,U)

+fvm::div(phi,U)

-fvm::laplacian(muEff,U)

==turbulence->divDevReff(rho,U)

);

//化學反應速率

volScalarFieldR

(

IOobject

(

"R",

runTime.timeName(),

mesh,

IOobject::NO_READ,

IOobject::NO_WRITE

),

mesh,

dimensionedScalar("R",dimMass/dimTime,0)

);

R=chemistryPtr->R();6.2多相流燃燒模擬6.2.1原理多相流燃燒模擬涉及到氣、液、固三相之間的相互作用。在燃燒過程中，燃料可能以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)存在，而燃燒產(chǎn)物也可能包含液滴或固體顆粒。多相流燃燒模擬需要同時考慮流體動力學和化學反應動力學，以及相間傳質和傳熱。6.2.2內容多相流燃燒模擬的關鍵內容包括：相間傳質模型：描述不同相之間的質量交換。相間傳熱模型：描述不同相之間的熱量交換?；瘜W反應模型：定義化學反應機理，考慮不同相的化學反應。顆粒動力學模型：對于包含固體顆粒的燃燒過程，需要模擬顆粒的運動和分布。數(shù)值方法：選擇合適的數(shù)值方法，如歐拉-拉格朗日方法或歐拉-歐拉方法，來求解多相流的控制方程。6.2.3示例使用OpenFOAM進行多相流燃燒模擬時，可以采用multiphaseReactingFoam求解器。以下是一個簡單的配置示例：#設置多相流模型

multiphasetrue;

#定義化學反應模型

thermodynamicsreactingFoam;

#設置相間傳質模型

interPhaseTransferModeltwoPhaseMixture;

#設置相間傳熱模型

interPhaseHeatTransferModelRanzMarshall;

#設置顆粒動力學模型

particleModelLagrangi