燃燒仿真技術(shù)教程：雷諾平均納維-斯托克斯方程（RANS）原理

燃燒仿真技術(shù)教程：雷諾平均納維-斯托克斯方程（RANS）原理1燃燒仿真簡(jiǎn)介1.1燃燒仿真的重要性燃燒仿真在工程和科學(xué)研究中扮演著至關(guān)重要的角色。它不僅幫助我們理解燃燒過(guò)程中的復(fù)雜物理和化學(xué)現(xiàn)象，還為設(shè)計(jì)更高效、更環(huán)保的燃燒系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。例如，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車引擎、火力發(fā)電廠和家用加熱設(shè)備的設(shè)計(jì)中，燃燒仿真可以預(yù)測(cè)燃燒效率、污染物排放和熱力學(xué)性能，從而指導(dǎo)工程師優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少實(shí)驗(yàn)成本，加快產(chǎn)品開發(fā)周期。1.2燃燒仿真中的基本物理過(guò)程燃燒仿真涉及多個(gè)基本物理過(guò)程，包括但不限于：流體動(dòng)力學(xué)：描述氣體或液體的運(yùn)動(dòng)，通常通過(guò)納維-斯托克斯方程來(lái)模擬。傳熱學(xué)：研究熱量的傳遞，包括傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)：分析化學(xué)反應(yīng)速率，特別是燃燒反應(yīng)。湍流模型：在實(shí)際燃燒過(guò)程中，湍流是常見(jiàn)的現(xiàn)象，需要使用特定的模型如雷諾平均納維-斯托克斯方程（RANS）來(lái)描述。1.2.1流體動(dòng)力學(xué)：納維-斯托克斯方程納維-斯托克斯方程是描述流體運(yùn)動(dòng)的基本方程，它基于牛頓第二定律，考慮了流體的粘性、可壓縮性和外部力的作用。在燃燒仿真中，這些方程通常被雷諾平均化，以處理湍流的影響，這就是RANS模型的基礎(chǔ)。1.2.2傳熱學(xué)：熱傳導(dǎo)與對(duì)流在燃燒過(guò)程中，熱能的傳遞對(duì)燃燒效率和產(chǎn)物分布有重要影響。熱傳導(dǎo)是通過(guò)物質(zhì)內(nèi)部的分子運(yùn)動(dòng)來(lái)傳遞熱量，而對(duì)流則是通過(guò)流體的宏觀運(yùn)動(dòng)來(lái)傳遞熱量。這些過(guò)程可以通過(guò)傅立葉定律和牛頓冷卻定律來(lái)描述。1.2.3化學(xué)動(dòng)力學(xué)：燃燒反應(yīng)燃燒是一種化學(xué)反應(yīng)，涉及燃料和氧化劑的快速氧化。化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究這些反應(yīng)的速率和機(jī)理，是燃燒仿真中不可或缺的一部分。在仿真中，通常使用化學(xué)反應(yīng)速率方程來(lái)描述燃燒過(guò)程。1.2.4湍流模型：雷諾平均納維-斯托克斯方程（RANS）湍流是燃燒環(huán)境中常見(jiàn)的現(xiàn)象，它增加了燃燒過(guò)程的復(fù)雜性。RANS模型通過(guò)平均納維-斯托克斯方程來(lái)簡(jiǎn)化湍流的描述，將湍流效應(yīng)轉(zhuǎn)化為額外的湍流粘性項(xiàng)和湍流熱導(dǎo)率項(xiàng)。這種方法雖然犧牲了部分精度，但大大提高了計(jì)算效率，使得大規(guī)模燃燒仿真的實(shí)現(xiàn)成為可能。1.3示例：使用Python進(jìn)行簡(jiǎn)單的流體動(dòng)力學(xué)模擬下面是一個(gè)使用Python和SciPy庫(kù)進(jìn)行簡(jiǎn)單流體動(dòng)力學(xué)模擬的示例。這個(gè)例子模擬了一個(gè)二維不可壓縮流體的流動(dòng)，使用了有限差分方法來(lái)解納維-斯托克斯方程。importnumpyasnp

fromscipy.sparseimportdiags

fromscipy.sparse.linalgimportspsolve

#定義網(wǎng)格大小和時(shí)間步長(zhǎng)

nx,ny=100,100

dx,dy=1.0/nx,1.0/ny

nt=100

dt=0.01

#初始化速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)

u=np.zeros((ny,nx))

v=np.zeros((ny,nx))

p=np.zeros((ny,nx))

#定義粘性系數(shù)

nu=0.1

#邊界條件

u[0,:]=1

u[:,0]=0

u[:,-1]=0

u[-1,:]=0

#有限差分方法解納維-斯托克斯方程

forninrange(nt):

un=u.copy()

vn=v.copy()

#更新速度場(chǎng)

u[1:-1,1:-1]=un[1:-1,1:-1]-un[1:-1,1:-1]*dt/dx*(un[1:-1,1:-1]-un[1:-1,0:-2])\

-vn[1:-1,1:-1]*dt/dy*(un[1:-1,1:-1]-un[0:-2,1:-1])\

+nu*(dt/dx**2+dt/dy**2)*(un[1:-1,2:]-2*un[1:-1,1:-1]+un[1:-1,0:-2]\

+un[2:,1:-1]-2*un[1:-1,1:-1]+un[0:-2,1:-1])

v[1:-1,1:-1]=vn[1:-1,1:-1]-un[1:-1,1:-1]*dt/dx*(vn[1:-1,1:-1]-vn[1:-1,0:-2])\

-vn[1:-1,1:-1]*dt/dy*(vn[1:-1,1:-1]-vn[0:-2,1:-1])\

+nu*(dt/dx**2+dt/dy**2)*(vn[1:-1,2:]-2*vn[1:-1,1:-1]+vn[1:-1,0:-2]\

+vn[2:,1:-1]-2*vn[1:-1,1:-1]+vn[0:-2,1:-1])

#應(yīng)用邊界條件

u[0,:]=1

u[:,0]=0

u[:,-1]=0

u[-1,:]=0

v[0,:]=0

v[-1,:]=0

v[:,0]=0

v[:,-1]=0

#計(jì)算壓力場(chǎng)

b=np.zeros((ny,nx))

b[1:-1,1:-1]=-rho*(1/dt*(un[1:-1,1:-1]-un[1:-1,0:-2])\

+1/dt*(vn[1:-1,1:-1]-vn[0:-2,1:-1])\

-nu*(2/dx**2*(un[1:-1,1:-1]-un[1:-1,0:-2])\

+2/dy**2*(vn[1:-1,1:-1]-vn[0:-2,1:-1]))\

+nu*(1/dx**2*(un[1:-1,2:]-un[1:-1,1:-1])\

+1/dy**2*(vn[2:,1:-1]-vn[1:-1,1:-1]))

#使用迭代方法求解泊松方程

p=solve_poisson(p,b,dx,dy)

#定義泊松方程求解函數(shù)

defsolve_poisson(p,b,dx,dy):

#構(gòu)建泊松方程的矩陣

A=diags([-1,2,-1],[-1,0,1],shape=(nx-2,nx-2)).toarray()

A=A/dx**2+diags([-1,2,-1],[-1,0,1],shape=(ny-2,ny-2)).toarray()/dy**2

#求解泊松方程

foriinrange(ny-2):

p[i,1:-1]=spsolve(A,b[i,1:-1])

returnp1.3.1示例解釋在這個(gè)示例中，我們首先定義了網(wǎng)格大小、時(shí)間步長(zhǎng)和粘性系數(shù)。然后，初始化了速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，并設(shè)置了邊界條件。通過(guò)有限差分方法，我們更新了速度場(chǎng)，模擬了流體的運(yùn)動(dòng)。最后，我們通過(guò)求解泊松方程來(lái)更新壓力場(chǎng)，確保了流體的不可壓縮性。請(qǐng)注意，這個(gè)示例僅用于說(shuō)明目的，實(shí)際的燃燒仿真會(huì)更加復(fù)雜，需要考慮化學(xué)反應(yīng)、傳熱和湍流等多方面因素。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)使用專門的仿真軟件，如OpenFOAM、ANSYSFluent或STAR-CCM+，這些軟件提供了更高級(jí)的物理模型和數(shù)值方法，能夠更準(zhǔn)確地模擬燃燒過(guò)程。2雷諾平均納維-斯托克斯方程（RANS）基礎(chǔ)2.1RANS方程的推導(dǎo)在燃燒仿真中，雷諾平均納維-斯托克斯方程（Reynolds-AveragedNavier-Stokes,RANS）是處理湍流燃燒的關(guān)鍵工具。RANS方程通過(guò)時(shí)間平均流場(chǎng)變量，將瞬時(shí)的納維-斯托克斯方程轉(zhuǎn)化為平均方程，從而簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。下面，我們將詳細(xì)推導(dǎo)RANS方程。2.1.1瞬時(shí)納維-斯托克斯方程納維-斯托克斯方程描述了流體的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于不可壓縮流體，其基本形式為：?其中，ui是流體速度的i分量，p是壓力，ρ是流體密度，ν是動(dòng)力粘度，x2.1.2時(shí)間平均RANS方程的推導(dǎo)始于對(duì)流場(chǎng)變量進(jìn)行時(shí)間平均。設(shè)瞬時(shí)變量為uit，其時(shí)間平均值為u其中，ui2.1.3RANS方程將上述時(shí)間平均的概念應(yīng)用于納維-斯托克斯方程，我們得到RANS方程：?最后一項(xiàng)?u2.2湍流模型簡(jiǎn)介RANS方程中的雷諾應(yīng)力需要通過(guò)湍流模型來(lái)封閉。常見(jiàn)的湍流模型包括：零方程模型：如混合長(zhǎng)度模型，簡(jiǎn)單但精度有限。一方程模型：如Spalart-Allmaras模型，考慮了湍流粘度的演化。兩方程模型：如k-ε模型和k-ω模型，分別跟蹤湍流動(dòng)能和湍流耗散率或渦旋頻率。2.2.1k-ε模型k-ε模型是最常用的兩方程湍流模型之一，它通過(guò)求解湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε的方程來(lái)描述湍流行為。2.2.1.1湍流動(dòng)能方程?其中，μt是湍流粘度，σk是湍流動(dòng)能的Prandtl數(shù)，2.2.1.2湍流耗散率方程?其中，σε是湍流耗散率的Prandtl數(shù)，C1和2.2.2示例：k-ε模型的數(shù)值求解在OpenFOAM中，k-ε模型的求解可以通過(guò)simpleFoam求解器實(shí)現(xiàn)。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的配置文件示例，用于設(shè)置k-ε模型的邊界條件和初始條件。#簡(jiǎn)單的OpenFOAM配置文件示例

//邊界條件

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(0.0500);//平均速度

kuniform1;//湍流動(dòng)能

epsilonuniform0.1;//湍流耗散率

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typefixedValue;

valueuniform(000);//墻面速度

kuniform0;//墻面湍流動(dòng)能

epsilonuniform0;//墻面湍流耗散率

}

}

//初始條件

initialFields

{

U(0.0500);//初始平均速度

k1;//初始湍流動(dòng)能

epsilon0.1;//初始湍流耗散率

}2.2.3結(jié)論RANS方程通過(guò)時(shí)間平均簡(jiǎn)化了湍流燃燒的數(shù)值模擬，而湍流模型如k-ε模型則提供了封閉RANS方程所需的額外信息。通過(guò)選擇合適的湍流模型和設(shè)置合理的邊界與初始條件，可以有效地進(jìn)行燃燒仿真的數(shù)值模擬。請(qǐng)注意，上述代碼示例是簡(jiǎn)化版的OpenFOAM配置文件，實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體問(wèn)題和求解器的要求進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置。此外，RANS方程和湍流模型的選擇應(yīng)基于對(duì)流體流動(dòng)特性的深入理解，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。3RANS方程在燃燒中的應(yīng)用3.1燃燒反應(yīng)的數(shù)學(xué)描述在燃燒仿真中，燃燒反應(yīng)的數(shù)學(xué)描述是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)方程和相關(guān)的動(dòng)力學(xué)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的?；瘜W(xué)反應(yīng)方程描述了燃料和氧化劑之間的反應(yīng)過(guò)程，而動(dòng)力學(xué)模型則提供了反應(yīng)速率的計(jì)算方法。對(duì)于簡(jiǎn)單的燃燒過(guò)程，如甲烷燃燒，化學(xué)反應(yīng)方程可以表示為：C然而，實(shí)際的燃燒過(guò)程往往涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，包括多個(gè)反應(yīng)步驟和中間產(chǎn)物。為了模擬這些過(guò)程，需要使用詳細(xì)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，如：#一個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型示例

importcanteraasct

#創(chuàng)建氣體對(duì)象，設(shè)置為甲烷/空氣混合物

gas=ct.Solution('gri30.xml')

gas.TPX=300,ct.one_atm,'CH4:1,O2:2,N2:7.56'

#創(chuàng)建反應(yīng)器對(duì)象

r=ct.IdealGasReactor(gas)

#創(chuàng)建模擬器

sim=ct.ReactorNet([r])

#記錄時(shí)間點(diǎn)和狀態(tài)

times=[0.0]

states=[r.thermo.state]

#模擬燃燒過(guò)程

fortinrange(1,100):

sim.advance(t*0.01)

times.append(t*0.01)

states.append(r.thermo.state)

#輸出結(jié)果

fori,stateinenumerate(states):

print(f"Time:{times[i]:.2f}s,Temperature:{state.T:.2f}K,Pressure:{state.P/101325:.2f}atm")此代碼示例使用Cantera庫(kù)來(lái)模擬甲烷在空氣中的燃燒過(guò)程。通過(guò)設(shè)置初始條件和化學(xué)反應(yīng)模型，模擬器可以計(jì)算出隨時(shí)間變化的溫度、壓力和組分濃度。3.2湍流燃燒模型湍流燃燒模型是RANS方程在燃燒仿真中的關(guān)鍵組成部分，用于描述湍流對(duì)燃燒過(guò)程的影響。湍流燃燒模型可以分為以下幾類：湍流擴(kuò)散火焰模型：適用于層流和湍流擴(kuò)散火焰，基于層流預(yù)混火焰的理論。湍流預(yù)混火焰模型：適用于湍流預(yù)混燃燒，如湍流火焰速度模型。PDF模型：概率密度函數(shù)模型，用于處理非預(yù)混燃燒中的湍流和化學(xué)反應(yīng)的相互作用。3.2.1湍流預(yù)混火焰速度模型湍流預(yù)混火焰速度模型（如Kolmogorov尺度模型）通過(guò)計(jì)算湍流對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憗?lái)模擬燃燒過(guò)程。模型中通常包含湍流耗散率和湍流長(zhǎng)度尺度的計(jì)算。#湍流預(yù)混火焰速度模型示例

importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#定義湍流耗散率和湍流長(zhǎng)度尺度

epsilon=1.0#湍流耗散率，單位：m^2/s^3

L=0.1#湍流長(zhǎng)度尺度，單位：m

#計(jì)算湍流火焰速度

S_t=0.4*(epsilon*L)**0.25

#輸出結(jié)果

print(f"湍流火焰速度:{S_t:.2f}m/s")

#繪制湍流耗散率和湍流長(zhǎng)度尺度對(duì)火焰速度的影響

epsilon_values=np.logspace(-3,3,100)

S_t_values=0.4*(epsilon_values*L)**0.25

plt.loglog(epsilon_values,S_t_values)

plt.xlabel('湍流耗散率(m^2/s^3)')

plt.ylabel('湍流火焰速度(m/s)')

plt.title('湍流耗散率對(duì)湍流火焰速度的影響')

plt.grid(True)

plt.show()此代碼示例展示了如何計(jì)算湍流預(yù)混火焰速度，并通過(guò)繪圖展示了湍流耗散率對(duì)火焰速度的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，這些參數(shù)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或更復(fù)雜的模型來(lái)確定。3.2.2PDF模型PDF模型（概率密度函數(shù)模型）用于處理非預(yù)混燃燒中的湍流和化學(xué)反應(yīng)的相互作用。它基于統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)計(jì)算反應(yīng)物和產(chǎn)物的分布函數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)燃燒過(guò)程。PDF模型可以分為：直接PDF模型：直接求解PDF方程。混合PDF模型：結(jié)合RANS方程和PDF方法。在實(shí)際應(yīng)用中，PDF模型通常需要與RANS方程結(jié)合使用，以全面描述湍流燃燒過(guò)程。#PDF模型示例：計(jì)算混合物的PDF

importnumpyasnp

#定義混合物的組分和濃度

components=['CH4','O2','N2']

concentrations=[0.1,0.2,0.7]

#計(jì)算PDF

pdf=np.array(concentrations)/sum(concentrations)

#輸出結(jié)果

print(f"混合物的PDF:{pdf}")

#繪制PDF

plt.bar(components,pdf)

plt.xlabel('組分')

plt.ylabel('PDF')

plt.title('混合物的PDF')

plt.grid(True)

plt.show()雖然這個(gè)示例簡(jiǎn)化了PDF模型的復(fù)雜性，僅展示了如何計(jì)算一個(gè)簡(jiǎn)單混合物的PDF，但在實(shí)際燃燒仿真中，PDF模型需要處理更復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和湍流結(jié)構(gòu)，通常涉及到高維積分和數(shù)值方法。通過(guò)上述原理和代碼示例的介紹，我們可以看到RANS方程在燃燒仿真中的應(yīng)用不僅涉及化學(xué)反應(yīng)的數(shù)學(xué)描述，還需要考慮湍流對(duì)燃燒過(guò)程的影響。選擇合適的燃燒模型和參數(shù)是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確燃燒仿真的關(guān)鍵。4RANS模擬的實(shí)施步驟4.1網(wǎng)格生成與選擇在進(jìn)行燃燒數(shù)值模擬時(shí)，網(wǎng)格生成是模擬準(zhǔn)備階段的關(guān)鍵步驟。網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。RANS（雷諾平均納維-斯托克斯方程）模擬中，網(wǎng)格的選擇需要考慮流體的湍流特性，確保能夠捕捉到重要的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)區(qū)域。4.1.1網(wǎng)格類型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：適用于幾何形狀規(guī)則的區(qū)域，網(wǎng)格單元規(guī)則排列，計(jì)算效率高。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：適用于復(fù)雜幾何形狀，網(wǎng)格單元可以自由分布，能夠更好地適應(yīng)邊界形狀。4.1.2網(wǎng)格密度在湍流區(qū)域和化學(xué)反應(yīng)活躍區(qū)域，需要更高的網(wǎng)格密度以捕捉細(xì)節(jié)。在流動(dòng)平穩(wěn)的區(qū)域，可以適當(dāng)降低網(wǎng)格密度以減少計(jì)算量。4.1.3網(wǎng)格適應(yīng)性使用自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)，根據(jù)流場(chǎng)和化學(xué)反應(yīng)的局部變化動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)格密度。4.2邊界條件設(shè)置邊界條件的正確設(shè)置對(duì)于RANS模擬的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。邊界條件包括入口邊界、出口邊界、壁面邊界和對(duì)稱邊界等。4.2.1入口邊界速度：通常指定為平均速度或速度分布。湍流強(qiáng)度：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)定。湍流長(zhǎng)度尺度：影響湍流模型的計(jì)算，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)定。4.2.2出口邊界壓力：通常設(shè)定為大氣壓力或背壓。湍流：可以設(shè)定為自由湍流或指定湍流強(qiáng)度和長(zhǎng)度尺度。4.2.3壁面邊界無(wú)滑移條件：流體在壁面處的速度為零。熱邊界條件：可以設(shè)定為絕熱壁面或指定壁面溫度。4.2.4對(duì)稱邊界在對(duì)稱軸上，設(shè)定速度分量為零，壓力和溫度等標(biāo)量保持連續(xù)。4.3示例：OpenFOAM中的RANS模擬假設(shè)我們使用OpenFOAM進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的RANS燃燒模擬，以下是一個(gè)基本的設(shè)置流程示例：4.3.1網(wǎng)格生成使用blockMesh工具生成一個(gè)簡(jiǎn)單的立方體網(wǎng)格：#執(zhí)行blockMesh生成網(wǎng)格

blockMeshconstant/polyMesh/blockMeshDict文件定義了網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)：#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

(

(3267)

);

}

outlet

{

typepatch;

faces

(

(0451)

);

}

walls

{

typewall;

faces

(

(0374)

(1265)

);

}

symmetry

{

typesymmetryPlane;

faces

(

(0123)

);

}

);

mergePatchPairs

(

);4.3.2邊界條件設(shè)置在0目錄下，設(shè)置邊界條件：4.3.2.1U（速度）#U文件示例

dimensions[01-10000];

internalFielduniform(000);

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(100);

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typenoSlip;

}

symmetry

{

typesymmetry;

}

}4.3.2.2p（壓力）#p文件示例

dimensions[1-1-20000];

internalFielduniform0;

boundaryField

{

inlet

{

typezeroGradient;

}

outlet

{

typefixedValue;

valueuniform101325;

}

walls

{

typezeroGradient;

}

symmetry

{

typesymmetry;

}

}4.3.2.3k（湍流動(dòng)能）#k文件示例

dimensions[1-2-20000];

internalFielduniform0.01;

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform0.01;

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typekqRhoWallFunction;

}

symmetry

{

typesymmetry;

}

}4.3.2.4epsilon（湍流耗散率）#epsilon文件示例

dimensions[0-3-21000];

internalFielduniform0.01;

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform0.01;

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typeepsilonWallFunction;

}

symmetry

{

typesymmetry;

}

}4.3.3運(yùn)行RANS模擬使用simpleFoam求解器進(jìn)行RANS模擬：#執(zhí)行simpleFoam求解器

simpleFoam以上示例展示了如何在OpenFOAM中設(shè)置網(wǎng)格和邊界條件，以及如何運(yùn)行RANS模擬。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體問(wèn)題調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)和邊界條件設(shè)置，以獲得更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。5RANS模擬案例分析5.1預(yù)混燃燒模擬5.1.1原理與內(nèi)容預(yù)混燃燒（PremixedCombustion）是指燃料和氧化劑在燃燒前已經(jīng)充分混合的燃燒過(guò)程。在RANS（雷諾平均納維-斯托克斯方程）框架下，預(yù)混燃燒的模擬主要關(guān)注湍流對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸约盎瘜W(xué)反應(yīng)速率與湍流混合的相互作用。RANS方法通過(guò)時(shí)間平均納維-斯托克斯方程來(lái)處理湍流，從而將瞬時(shí)的湍流效應(yīng)轉(zhuǎn)化為平均效應(yīng)，簡(jiǎn)化計(jì)算模型。在預(yù)混燃燒模擬中，通常采用的模型包括：湍流模型：如k-ε模型或k-ω模型，用于描述湍流的統(tǒng)計(jì)特性?；鹧?zhèn)鞑ツＰ停喝鏔lamelet模型或PDF（ProbabilityDensityFunction）模型，用于處理化學(xué)反應(yīng)和湍流混合的復(fù)雜關(guān)系。5.1.2示例：使用OpenFOAM進(jìn)行預(yù)混燃燒模擬5.1.2.1數(shù)據(jù)樣例假設(shè)我們有一個(gè)預(yù)混燃燒的案例，燃燒室尺寸為1mx1mx1m，燃料為甲烷（CH4），氧化劑為空氣。初始條件為：燃料和空氣的混合物在燃燒室的一側(cè)，溫度為300K，壓力為1atm。燃燒室的另一側(cè)為出口，設(shè)定為大氣壓力。我們將使用OpenFOAM進(jìn)行模擬。5.1.2.2代碼示例在OpenFOAM中，預(yù)混燃燒模擬通常使用sonicFoam或reactingMultiphaseEulerFoam等求解器。以下是一個(gè)使用sonicFoam進(jìn)行預(yù)混燃燒模擬的簡(jiǎn)單示例：#創(chuàng)建案例目錄

mkdirpremixedCombustion

cdpremixedCombustion

blockMeshDict>system/blockMeshDict

#編輯blockMeshDict文件

echo"

convertToMeters1;

vertices

(

(000)

(100)

(110)

(010)

(001)

(101)

(111)

(011)

);

blocks

(

hex(01234567)(101010)simpleGrading(111)

);

edges

(

);

boundary

(

inlet

{

typepatch;

faces

(

(0123)

);

}

outlet

{

typepatch;

faces

(

(4567)

);

}

walls

{

typewall;

faces

(

(0154)

(1265)

(2376)

(3047)

);

}

);

mergePatchPairs

(

);

">system/blockMeshDict

#運(yùn)行blockMesh生成網(wǎng)格

blockMesh

#設(shè)置初始條件和邊界條件

cp-r$FOAM_TUTORIALS/laminar/icoFoam/cavity0constant/polyMesh

cp-r$FOAM_TUTORIALS/laminar/icoFoam/cavity00

cp-r$FOAM_TUTORIALS/laminar/icoFoam/cavity00.001

#編輯0文件夾中的初始條件

echo"

dimensions[0000000];

internalFielduniform300;

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform300;

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typefixedValue;

valueuniform300;

}

}

">0/T

#編輯system文件夾中的控制參數(shù)

echo"

applicationsonicFoam;

startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime1;

deltaT0.001;

writeControltimeStep;

writeInterval10;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

runTimeModifiabletrue;

">system/controlDict

#運(yùn)行模擬

sonicFoam5.1.2.3示例解釋上述代碼示例展示了如何使用OpenFOAM的sonicFoam求解器進(jìn)行預(yù)混燃燒的模擬。首先，我們創(chuàng)建了一個(gè)案例目錄，并在system/blockMeshDict文件中定義了燃燒室的幾何形狀和網(wǎng)格劃分。接著，我們生成了網(wǎng)格，并設(shè)置了初始條件和邊界條件。最后，我們運(yùn)行了sonicFoam求解器來(lái)執(zhí)行模擬。5.2非預(yù)混燃燒模擬5.2.1原理與內(nèi)容非預(yù)混燃燒（Non-PremixedCombustion）是指燃料和氧化劑在燃燒過(guò)程中才開始混合的燃燒過(guò)程。在RANS框架下，非預(yù)混燃燒的模擬更加復(fù)雜，因?yàn)樗婕暗饺剂虾脱趸瘎┑耐牧骰旌?、擴(kuò)散以及化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。常用的模型包括：湍流模型：如k-ε模型或k-ω模型。燃燒模型：如EDC（EddyDissipationConcept）模型或GRI（GasResearchInstitute）機(jī)制，用于描述燃料和氧化劑的混合與燃燒過(guò)程。5.2.2示例：使用OpenFOAM進(jìn)行非預(yù)混燃燒模擬5.2.2.1數(shù)據(jù)樣例假設(shè)我們有一個(gè)非預(yù)混燃燒的案例，燃燒室尺寸為1mx1mx1m，燃料為甲烷（CH4），氧化劑為空氣。燃料從燃燒室的一側(cè)以一定的速度噴射，而空氣從另一側(cè)以不同的速度進(jìn)入。我們將使用OpenFOAM進(jìn)行模擬。5.2.2.2代碼示例在OpenFOAM中，非預(yù)混燃燒模擬通常使用reactingMultiphaseEulerFoam求解器。以下是一個(gè)使用reactingMultiphaseEulerFoam進(jìn)行非預(yù)混燃燒模擬的簡(jiǎn)單示例：#創(chuàng)建案例目錄

mkdirnonPremixedCombustion

cdnonPremixedCombustion

blockMeshDict>system/blockMeshDict

#編輯blockMeshDict文件

echo"

convertToMeters1;

vertices

(

(000)

(100)

(110)

(010)

(001)

(101)

(111)

(011)

);

blocks

(

hex(01234567)(101010)simpleGrading(111)

);

edges

(

);

boundary

(

fuelInlet

{

typepatch;

faces

(

(0123)

);

}

airInlet

{

typepatch;

faces

(

(4567)

);

}

walls

{

typewall;

faces

(

(0154)

(1265)

(2376)

(3047)

);

}

);

mergePatchPairs

(

);

">system/blockMeshDict

#運(yùn)行blockMesh生成網(wǎng)格

blockMesh

#設(shè)置初始條件和邊界條件

cp-r$FOAM_TUTORIALS/laminar/icoFoam/cavity0constant/polyMesh

cp-r$FOAM_TUTORIALS/laminar/icoFoam/cavity00

cp-r$FOAM_TUTORIALS/laminar/icoFoam/cavity00.001

#編輯0文件夾中的初始條件

echo"

dimensions[0000000];

internalFielduniform300;

boundaryField

{

fuelInlet

{

typefixedValue;

valueuniform300;

}

airInlet

{

typefixedValue;

valueuniform300;

}

walls

{

typefixedValue;

valueuniform300;

}

}

">0/T

#編輯system文件夾中的控制參數(shù)

echo"

applicationreactingMultiphaseEulerFoam;

startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime1;

deltaT0.001;

writeControltimeStep;

writeInterval10;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

runTimeModifiabletrue;

">system/controlDict

#運(yùn)行模擬

reactingMultiphaseEulerFoam5.2.2.3示例解釋上述代碼示例展示了如何使用OpenFOAM的reactingMultiphaseEulerFoam求解器進(jìn)行非預(yù)混燃燒的模擬。我們首先創(chuàng)建了一個(gè)案例目錄，并在system/blockMeshDict文件中定義了燃燒室的幾何形狀和網(wǎng)格劃分。然后，我們生成了網(wǎng)格，并設(shè)置了初始條件和邊界條件，