燃燒仿真基礎(chǔ)教程：火焰?zhèn)鞑ヅc多相流模型詳解

燃燒仿真基礎(chǔ)教程：火焰?zhèn)鞑ヅc多相流模型詳解1燃燒基礎(chǔ)理論1.1燃燒的化學(xué)反應(yīng)機理燃燒是一種化學(xué)反應(yīng)，通常涉及燃料和氧氣的反應(yīng)，產(chǎn)生熱能、光能以及各種燃燒產(chǎn)物。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）相遇并發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出能量。這一過程可以被描述為一系列的化學(xué)反應(yīng)方程式，例如，甲烷（CH4）與氧氣（O2）的燃燒反應(yīng)可以表示為：CH4+2O2→CO2+2H2O+熱能在實際的燃燒仿真中，化學(xué)反應(yīng)機理的復(fù)雜性遠超上述示例。例如，柴油燃燒涉及數(shù)百種不同的化學(xué)反應(yīng)和中間產(chǎn)物。為了模擬這些復(fù)雜的化學(xué)過程，燃燒仿真軟件通常會使用詳細的化學(xué)反應(yīng)機理數(shù)據(jù)庫，如CHEMKIN，其中包含了各種燃料的反應(yīng)路徑和速率常數(shù)。1.2燃燒熱力學(xué)與動力學(xué)基礎(chǔ)1.2.1熱力學(xué)燃燒過程中的熱力學(xué)分析主要關(guān)注能量的轉(zhuǎn)換和平衡。在燃燒反應(yīng)中，化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，這一轉(zhuǎn)換過程可以通過焓變（ΔH）來量化。焓變是化學(xué)反應(yīng)前后系統(tǒng)焓值的差，它反映了反應(yīng)過程中釋放或吸收的熱量。例如，對于甲烷燃燒反應(yīng)，其焓變可以通過下式計算：ΔH=Σ(產(chǎn)物的生成焓)-Σ(反應(yīng)物的生成焓)生成焓是指在標準狀態(tài)下，由元素形成化合物時的焓變。這些數(shù)據(jù)可以從熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫中獲取。1.2.2動力學(xué)燃燒動力學(xué)研究反應(yīng)速率和反應(yīng)路徑。在燃燒仿真中，反應(yīng)速率常數(shù)是關(guān)鍵參數(shù)，它決定了反應(yīng)的快慢。反應(yīng)速率常數(shù)通常與溫度有關(guān)，遵循阿倫尼烏斯方程：k=A*exp(-Ea/(R*T))其中，k是反應(yīng)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)，T是絕對溫度。通過調(diào)整這些參數(shù)，可以模擬不同條件下的燃燒過程。1.3火焰?zhèn)鞑サ幕靖拍罨鹧鎮(zhèn)鞑ナ侵富鹧嬖诳扇蓟旌衔镏幸苿拥倪^程。這一過程受到多種因素的影響，包括燃料的性質(zhì)、氧氣的濃度、溫度、壓力以及混合物的湍流程度。火焰?zhèn)鞑ニ俣仁敲枋龌鹧嬉苿涌炻闹匾獏?shù)，它決定了燃燒過程的效率和安全性。1.3.1層流火焰?zhèn)鞑ピ趯恿鳁l件下，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饕苫瘜W(xué)反應(yīng)速率決定。層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋⊿L）可以通過以下公式計算：SL=(2*D*(Cp*ΔT)/ΔH)*sqrt((ΔH*ΔCp)/(ρ*ΔT))其中，D是擴散系數(shù)，Cp是比熱容，ΔT是溫度變化，ΔH是焓變，ρ是密度，ΔCp是比熱容變化。1.3.2湍流火焰?zhèn)鞑ピ谕牧鳁l件下，火焰?zhèn)鞑ニ俣仁艿酵牧骰旌系挠绊?。湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋⊿T）可以通過以下經(jīng)驗公式估算：ST=SL*(1+C*(Re/Re0)^n)其中，Re是雷諾數(shù)，Re0是參考雷諾數(shù)，C和n是經(jīng)驗常數(shù)，它們?nèi)Q于燃料和燃燒條件。在燃燒仿真中，通過模擬層流和湍流條件下的火焰?zhèn)鞑?，可以預(yù)測燃燒過程的動態(tài)行為，這對于設(shè)計高效和安全的燃燒系統(tǒng)至關(guān)重要。2多相流模型在燃燒仿真中的應(yīng)用2.1多相流的基本理論多相流是指在流體中同時存在兩種或兩種以上不同相態(tài)的流動現(xiàn)象。在燃燒仿真中，多相流模型尤為重要，因為燃燒過程往往涉及氣相、液相和固相的相互作用。多相流的基本理論包括相間相互作用、相變過程、以及多相流的動量、能量和質(zhì)量守恒方程。2.1.1相間相互作用在多相流中，不同相態(tài)之間的相互作用是通過界面張力、摩擦力、重力等力的作用來描述的。這些力的作用影響著流體的分布和流動特性。2.1.2相變過程相變，如蒸發(fā)、凝結(jié)、升華等，是多相流模型中的關(guān)鍵部分。在燃燒仿真中，燃料的蒸發(fā)和燃燒產(chǎn)物的凝結(jié)是常見的相變過程，這些過程對燃燒效率和產(chǎn)物分布有重要影響。2.1.3動量、能量和質(zhì)量守恒方程多相流模型需要滿足動量、能量和質(zhì)量守恒的原則。這些守恒方程描述了流體在流動過程中的物理量變化，是構(gòu)建多相流模型的基礎(chǔ)。2.2氣液兩相流模型氣液兩相流模型在燃燒仿真中用于描述燃料噴射和燃燒過程中的氣液界面行為。常見的模型包括歐拉-歐拉模型和拉格朗日模型。2.2.1歐拉-歐拉模型歐拉-歐拉模型是一種基于固定網(wǎng)格的模型，它將氣相和液相視為連續(xù)介質(zhì)，分別求解各自的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。該模型適用于氣液兩相流中相間速度差較大的情況。示例代碼#歐拉-歐拉模型示例代碼

#假設(shè)使用OpenFOAM進行氣液兩相流仿真

#導(dǎo)入OpenFOAM庫

fromopenfoamimport*

#設(shè)置網(wǎng)格和初始條件

mesh=createMesh()

initialConditions={

'gas':{'velocity':(0,0,0),'pressure':101325},

'liquid':{'velocity':(0,0,0),'pressure':101325}

}

#定義氣液兩相流模型

twoPhaseModel=EulerEulerModel(initialConditions)

#設(shè)置邊界條件

boundaryConditions={

'inlet':{'gas':{'velocity':(10,0,0),'pressure':101325},

'liquid':{'velocity':(0,0,0),'pressure':101325}},

'outlet':{'gas':{'pressure':101325},

'liquid':{'pressure':101325}}

}

#進行仿真

twoPhaseModel.solve(boundaryConditions)

#輸出結(jié)果

twoPhaseModel.printResults()2.2.2拉格朗日模型拉格朗日模型跟蹤每個液滴的運動，適用于液滴尺寸分布不均的情況。該模型可以更準確地描述液滴的蒸發(fā)和燃燒過程。2.3氣固兩相流模型氣固兩相流模型在燃燒仿真中用于描述固體燃料的燃燒過程，如煤粉燃燒。常見的模型包括離散相模型和顆粒流模型。2.3.1離散相模型離散相模型將固體顆粒視為離散的粒子，跟蹤每個顆粒的運動軌跡，同時考慮顆粒與氣相之間的相互作用。示例代碼#離散相模型示例代碼

#假設(shè)使用CFX進行氣固兩相流仿真

#導(dǎo)入CFX庫

fromcfximport*

#設(shè)置網(wǎng)格和初始條件

mesh=createMesh()

initialConditions={

'gas':{'velocity':(0,0,0),'temperature':300},

'solid':{'velocity':(0,0,0),'temperature':300}

}

#定義氣固兩相流模型

twoPhaseModel=DiscretePhaseModel(initialConditions)

#設(shè)置邊界條件

boundaryConditions={

'inlet':{'gas':{'velocity':(10,0,0),'temperature':300},

'solid':{'velocity':(0,0,0),'temperature':300}},

'outlet':{'gas':{'pressure':101325},

'solid':{'temperature':300}}

}

#進行仿真

twoPhaseModel.solve(boundaryConditions)

#輸出結(jié)果

twoPhaseModel.printResults()2.3.2顆粒流模型顆粒流模型考慮了固體顆粒之間的相互作用，適用于高濃度顆粒流的情況。該模型可以更準確地描述顆粒的碰撞和磨損過程。2.4氣液固三相流模型氣液固三相流模型在燃燒仿真中用于描述同時存在氣相、液相和固相的復(fù)雜燃燒過程，如噴霧燃燒。常見的模型包括多流體模型和顆粒流模型的擴展。2.4.1多流體模型多流體模型將氣相、液相和固相視為連續(xù)介質(zhì)，分別求解各自的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。該模型適用于相間速度差較大且相態(tài)分布均勻的情況。示例代碼#多流體模型示例代碼

#假設(shè)使用Fluent進行氣液固三相流仿真

#導(dǎo)入Fluent庫

fromfluentimport*

#設(shè)置網(wǎng)格和初始條件

mesh=createMesh()

initialConditions={

'gas':{'velocity':(0,0,0),'pressure':101325},

'liquid':{'velocity':(0,0,0),'pressure':101325},

'solid':{'velocity':(0,0,0),'temperature':300}

}

#定義氣液固三相流模型

threePhaseModel=MultiFluidModel(initialConditions)

#設(shè)置邊界條件

boundaryConditions={

'inlet':{'gas':{'velocity':(10,0,0),'pressure':101325},

'liquid':{'velocity':(0,0,0),'pressure':101325},

'solid':{'velocity':(0,0,0),'temperature':300}},

'outlet':{'gas':{'pressure':101325},

'liquid':{'pressure':101325},

'solid':{'temperature':300}}

}

#進行仿真

threePhaseModel.solve(boundaryConditions)

#輸出結(jié)果

threePhaseModel.printResults()2.4.2顆粒流模型的擴展顆粒流模型的擴展考慮了氣液固三相之間的相互作用，適用于高濃度顆粒流和液滴分布不均的情況。該模型可以更準確地描述燃燒過程中的相變和化學(xué)反應(yīng)。示例代碼#顆粒流模型擴展示例代碼

#假設(shè)使用CFD-DEM進行氣液固三相流仿真

#導(dǎo)入CFD-DEM庫

fromcfd_demimport*

#設(shè)置網(wǎng)格和初始條件

mesh=createMesh()

initialConditions={

'gas':{'velocity':(0,0,0),'pressure':101325},

'liquid':{'velocity':(0,0,0),'pressure':101325},

'solid':{'velocity':(0,0,0),'temperature':300}

}

#定義氣液固三相流模型

threePhaseModel=ExtendedParticleFlowModel(initialConditions)

#設(shè)置邊界條件

boundaryConditions={

'inlet':{'gas':{'velocity':(10,0,0),'pressure':101325},

'liquid':{'velocity':(0,0,0),'pressure':101325},

'solid':{'velocity':(0,0,0),'temperature':300}},

'outlet':{'gas':{'pressure':101325},

'liquid':{'pressure':101325},

'solid':{'temperature':300}}

}

#進行仿真

threePhaseModel.solve(boundaryConditions)

#輸出結(jié)果

threePhaseModel.printResults()以上代碼示例僅為概念性演示，實際使用時需要根據(jù)具體軟件的API進行調(diào)整。在燃燒仿真中，選擇合適的多相流模型對于準確預(yù)測燃燒過程至關(guān)重要。3火焰?zhèn)鞑サ姆抡婕夹g(shù)3.1火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠嬎惴椒ɑ鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仁侨紵抡嬷械年P(guān)鍵參數(shù)，它決定了火焰如何在燃料中擴散。計算火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆椒ǘ喾N多樣，其中最常用的是基于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的理論計算和基于實驗數(shù)據(jù)的擬合方法。3.1.1理論計算理論計算通常基于Arrhenius定律，該定律描述了化學(xué)反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系。在燃燒仿真中，我們可以通過求解反應(yīng)速率方程來計算火焰?zhèn)鞑ニ俣?。示例假設(shè)我們有一個簡單的燃燒反應(yīng)：A其中，反應(yīng)速率方程可以表示為：r這里，r是反應(yīng)速率，k是反應(yīng)速率常數(shù)，CA和CB分別是反應(yīng)物A和B的濃度。反應(yīng)速率常數(shù)k與溫度k其中，A是頻率因子，Ea是活化能，R在計算火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r，我們可以通過求解上述方程組，結(jié)合流體動力學(xué)方程，如Navier-Stokes方程，來預(yù)測火焰如何在燃料中傳播。3.1.2實驗數(shù)據(jù)擬合實驗數(shù)據(jù)擬合方法是通過實驗測量火焰?zhèn)鞑ニ俣?，然后使用這些數(shù)據(jù)來擬合一個經(jīng)驗公式，以便在仿真中使用。這種方法通常在理論計算難以準確描述復(fù)雜燃燒過程時采用。示例假設(shè)實驗數(shù)據(jù)如下：溫度(K)火焰?zhèn)鞑ニ俣?m/s)3000.14000.25000.36000.47000.5我們可以使用這些數(shù)據(jù)來擬合一個簡單的線性關(guān)系：v其中，v是火焰?zhèn)鞑ニ俣?，T是溫度，m和c是擬合參數(shù)。importnumpyasnp

fromscipy.optimizeimportcurve_fit

#實驗數(shù)據(jù)

T=np.array([300,400,500,600,700])

v=np.array([0.1,0.2,0.3,0.4,0.5])

#定義擬合函數(shù)

deffit_func(T,m,c):

returnm*T+c

#擬合數(shù)據(jù)

params,_=curve_fit(fit_func,T,v)

#輸出擬合參數(shù)

m,c=params

print(f"擬合參數(shù)：m={m},c={c}")3.2湍流火焰模型湍流火焰模型用于描述在湍流條件下火焰的傳播。湍流對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔酗@著影響，因為它增加了燃料和氧化劑的混合速率。3.2.1標準模型k?ε模型是湍流模型中最常用的一種，它通過求解湍動能k和湍動能耗散率示例在OpenFOAM中，k?turbulenceModelkEpsilon;然后，需要在邊界條件中指定k和ε的初始值和邊界條件。3.2.2非預(yù)混火焰的模型在非預(yù)混燃燒中，燃料和氧化劑在燃燒前是分開的，燃燒發(fā)生在它們相遇的界面。PD示例在OpenFOAM中，使用PDthermoType

{

typereactingMultiphaseMixture;

transportreactingMultiphaseMixture;

turbulencereactingMultiphaseMixture;

mixturemixtureProperties;

mixtureTypeEddyDissipation;

PDFTypeOneStep;

}這里，EddyDissipation和OneStep分別指定了湍流燃燒模型和化學(xué)反應(yīng)模型。3.3預(yù)混與非預(yù)混火焰?zhèn)鞑シ抡骖A(yù)混和非預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ姆抡娣椒ㄓ兴煌?，主要取決于燃料和氧化劑在燃燒前是否已經(jīng)混合。3.3.1預(yù)混火焰仿真在預(yù)混燃燒中，燃料和氧化劑在燃燒前已經(jīng)充分混合。預(yù)混火焰的仿真通常使用層流火焰速度和湍流模型。示例在OpenFOAM中，預(yù)混燃燒仿真可以通過以下設(shè)置來實現(xiàn)：thermoType

{

typereactingMixture;

transportreactingMixture;

turbulencereactingMixture;

mixturemixtureProperties;

mixtureTypelaminar;

}這里，laminar指定了層流燃燒模型。3.3.2非預(yù)混火焰仿真在非預(yù)混燃燒中，燃料和氧化劑在燃燒前是分開的。非預(yù)混火焰的仿真通常使用PD示例在OpenFOAM中，非預(yù)混燃燒仿真可以通過以下設(shè)置來實現(xiàn)：thermoType

{

typereactingMultiphaseMixture;

transportreactingMultiphaseMixture;

turbulencereactingMultiphaseMixture;

mixturemixtureProperties;

mixtureTypeEddyDissipation;

PDFTypeOneStep;

}這里，EddyDissipation和OneStep分別指定了湍流燃燒模型和化學(xué)反應(yīng)模型。3.4火焰?zhèn)鞑サ臄?shù)值模擬方法數(shù)值模擬是燃燒仿真中最常用的方法，它通過求解流體動力學(xué)方程和化學(xué)反應(yīng)方程來預(yù)測火焰的傳播。3.4.1有限體積法有限體積法是數(shù)值模擬中最常用的方法之一，它將計算域劃分為一系列控制體積，然后在每個控制體積上求解守恒方程。示例在OpenFOAM中，使用有限體積法進行燃燒仿真，可以通過以下設(shè)置來實現(xiàn)：//選擇求解器

applicationsimpleFoam;

//選擇湍流模型

turbulenceModelkEpsilon;

//選擇化學(xué)反應(yīng)模型

chemistryModelfiniteRate;

//選擇能量方程

energysensibleInternalEnergy;

//選擇擴散模型

diffusionModelFickian;這里，simpleFoam是求解器，kEpsilon是湍流模型，finiteRate是化學(xué)反應(yīng)模型，sensibleInternalEnergy是能量方程，F(xiàn)ickian是擴散模型。3.4.2有限元法有限元法是另一種數(shù)值模擬方法，它將計算域劃分為一系列有限元，然后在每個有限元上求解守恒方程。有限元法在處理復(fù)雜幾何形狀和邊界條件時具有優(yōu)勢。示例在FEniCS中，使用有限元法進行燃燒仿真，可以通過以下代碼來實現(xiàn)：fromfenicsimport*

#創(chuàng)建網(wǎng)格

mesh=UnitSquareMesh(8,8)

#定義函數(shù)空間

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

u=TrialFunction(V)

v=TestFunction(V)

f=Constant(1)

#定義方程

a=dot(grad(u),grad(v))*dx

L=f*v*dx

#求解方程

u=Function(V)

solve(a==L,u,bc)這里，UnitSquareMesh創(chuàng)建了一個單位正方形網(wǎng)格，F(xiàn)unctionSpace定義了函數(shù)空間，DirichletBC定義了邊界條件，TrialFunction和TestFunction定義了變量，dot(grad(u),grad(v))*dx和f*v*dx定義了方程，F(xiàn)unction定義了求解變量，solve求解了方程。3.4.3有限差分法有限差分法是另一種數(shù)值模擬方法，它將計算域劃分為一系列網(wǎng)格點，然后在每個網(wǎng)格點上用差分近似求解守恒方程。有限差分法在處理時間依賴問題時具有優(yōu)勢。示例在Python中，使用有限差分法進行燃燒仿真，可以通過以下代碼來實現(xiàn)：importnumpyasnp

#定義網(wǎng)格

nx=100

ny=100

dx=1.0

dy=1.0

dt=0.1

#初始化變量

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

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

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

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

#定義邊界條件

u[0,:]=1.0

u[-1,:]=0.0

v[:,0]=0.0

v[:,-1]=0.0

p[0,:]=1.0

p[-1,:]=0.0

T[0,:]=300.0

T[-1,:]=400.0

#定義方程

foriinrange(1,nx-1):

forjinrange(1,ny-1):

u[i,j]=u[i,j]+dt*(u[i+1,j]-2*u[i,j]+u[i-1,j])/dx**2

v[i,j]=v[i,j]+dt*(v[i,j+1]-2*v[i,j]+v[i,j-1])/dy**2

p[i,j]=p[i,j]+dt*(p[i+1,j]-2*p[i,j]+p[i-1,j])/dx**2

T[i,j]=T[i,j]+dt*(T[i+1,j]-2*T[i,j]+T[i-1,j])/dx**2

#輸出結(jié)果

print(u)

print(v)

print(p)

print(T)這里，nx和ny定義了網(wǎng)格的大小，dx和dy定義了網(wǎng)格的間距，dt定義了時間步長，u、v、p和T分別初始化了速度、壓力和溫度的變量，邊界條件在網(wǎng)格的邊緣上定義，for循環(huán)求解了每個網(wǎng)格點上的方程，print輸出了結(jié)果。通過上述方法，我們可以進行火焰?zhèn)鞑サ姆抡?，預(yù)測火焰如何在燃料中擴散，以及湍流如何影響火焰的傳播速度。這些方法在燃燒工程、火災(zāi)安全和能源技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。4燃燒仿真中的多相流模型案例分析4.1氣液兩相燃燒仿真案例4.1.1原理與內(nèi)容在氣液兩相燃燒仿真中，我們通常采用歐拉-歐拉模型或歐拉-拉格朗日模型來描述兩相間的相互作用。歐拉-歐拉模型將兩相視為連續(xù)介質(zhì)，使用一組平均的連續(xù)方程和動量方程來描述每一相的運動。歐拉-拉格朗日模型則將液滴視為離散的拉格朗日粒子，而氣體則用歐拉框架描述。在本案例中，我們將使用歐拉-拉格朗日模型來模擬氣液兩相燃燒過程。4.1.2示例假設(shè)我們正在模擬一個液滴在燃燒室中的燃燒過程，液滴由甲醇組成，燃燒室中充滿氧氣。我們將使用OpenFOAM進行仿真，這是一個開源的CFD（計算流體動力學(xué)）軟件包，廣泛用于多相流和燃燒仿真。數(shù)據(jù)樣例物理屬性：甲醇的密度、粘度、熱導(dǎo)率、比熱容、燃燒熱等。初始條件：燃燒室的溫度、壓力、氧氣濃度，液滴的初始位置、速度、直徑等。邊界條件：燃燒室的壁面溫度、壓力，以及可能的進氣口和排氣口條件。代碼示例#設(shè)置仿真參數(shù)

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classdictionary;

location"constant";

objecttransportProperties;

}

//甲醇的物理屬性

thermoType

{

typehePsiThermo;

mixtureMixture;

transportconst;

thermoHConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

//氣體和液滴的屬性

Mixture

{

specie

{

nMoles1;

molWeight32;//甲醇的摩爾質(zhì)量

}

transport

{

typeconst;

mu5.4e-4;//動力粘度

Pr0.8;//普朗特數(shù)

}

thermodynamics

{

Cp1200;//比熱容

Hf-726;//燃燒熱

}

}

#定義燃燒模型

dimensionedScalarsigma("sigma",dimForce/dimArea,0.022);//表面張力系數(shù)

dimensionedScalard("d",dimLength,0.001);//液滴直徑

dimensionedScalarrhoL("rhoL",dimDensity,791.7);//液相密度

dimensionedScalarrhoG("rhoG",dimDensity,1.225);//氣相密度

//液滴蒸發(fā)模型

evaporationModel

{

typeconstantMassEvaporation;

constantMassEvaporationCoeffs

{

dmdt0.001;//質(zhì)量蒸發(fā)率

}

}

//燃燒模型

combustionModel

{

typelaminar;

laminarCoeffs

{

Qr0;//輻射熱損失

}

}4.1.3描述在上述代碼中，我們定義了甲醇的物理屬性，包括密度、粘度、熱導(dǎo)率、比熱容和燃燒熱。我們還定義了液滴的直徑和表面張力系數(shù)，這些參數(shù)對于液滴的蒸發(fā)和燃燒至關(guān)重要。液滴蒸發(fā)模型采用constantMassEvaporation類型，這意味著液滴的質(zhì)量蒸發(fā)率是恒定的。燃燒模型采用laminar類型，適用于層流燃燒過程，其中Qr參數(shù)表示輻射熱損失，這里設(shè)置為0，意味著沒有考慮輻射熱損失。4.2氣固兩相燃燒仿真案例4.2.1原理與內(nèi)容氣固兩相燃燒仿真通常涉及顆粒在燃燒過程中的運動、加熱和燃燒。這種類型的燃燒在煤粉燃燒、生物質(zhì)燃燒和火箭推進劑燃燒中很常見。在仿真中，固體顆粒的運動通過離散相模型（DPM）來描述，而氣體相則通過連續(xù)方程和動量方程來模擬。4.2.2示例假設(shè)我們正在模擬一個煤粉顆粒在燃燒室中的燃燒過程。我們將使用OpenFOAM的DPM模型來描述煤粉顆粒的運動和燃燒。數(shù)據(jù)樣例物理屬性：煤粉的密度、熱導(dǎo)率、比熱容、燃燒熱等。初始條件：燃燒室的溫度、壓力、氧氣濃度，煤粉顆粒的初始位置、速度、直徑等。邊界條件：燃燒室的壁面溫度、壓力，以及可能的進氣口和排氣口條件。代碼示例#設(shè)置仿真參數(shù)

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classdictionary;

location"constant";

objecttransportProperties;

}

//煤粉的物理屬性

thermoType

{

typehePsiThermo;

mixtureMixture;

transportconst;

thermoHConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

//氣體和固體顆粒的屬性

Mixture

{

specie

{

nMoles1;

molWeight12;//煤粉的摩爾質(zhì)量

}

transport

{

typeconst;

mu1.8e-5;//動力粘度

Pr0.7;//普朗特數(shù)

}

thermodynamics

{

Cp1000;//比熱容

Hf-32000;//燃燒熱

}

}

#定義燃燒模型

dimensionedScalarrhoP("rhoP",dimDensity,1500);//顆粒密度

dimensionedScalardP("dP",dimLength,0.001);//顆粒直徑

//顆粒燃燒模型

particleCombustionModel

{

typeconstantRateCombustion;

constantRateCombustionCoeffs

{

k0.01;//燃燒速率常數(shù)

}

}

//氣體燃燒模型

combustionModel

{

typelaminar;

laminarCoeffs

{

Qr0;//輻射熱損失

}

}4.2.3描述在本例中，我們定義了煤粉的物理屬性，包括密度、熱導(dǎo)率、比熱容和燃燒熱。我們還定義了顆粒的直徑和密度，這些參數(shù)對于顆粒的運動和燃燒至關(guān)重要。顆粒燃燒模型采用constantRateCombustion類型，這意味著顆粒的燃燒速率是恒定的，由k參數(shù)控制。氣體燃燒模型同樣采用laminar類型，適用于層流燃燒過程，其中Qr參數(shù)表示輻射熱損失，這里設(shè)置為0，意味著沒有考慮輻射熱損失。4.3氣液固三相燃燒仿真案例4.3.1原理與內(nèi)容氣液固三相燃燒仿真涉及到氣體、液體和固體之間的相互作用，這種類型的燃燒在某些工業(yè)燃燒過程和火箭發(fā)動機中可以觀察到。在仿真中，氣體和液體相通常用歐拉框架描述，而固體相則用離散相模型（DPM）來描述。4.3.2示例假設(shè)我們正在模擬一個火箭發(fā)動機中燃料（液體）和氧化劑（氣體）在固體催化劑表面的燃燒過程。我們將使用OpenFOAM進行仿真，結(jié)合歐拉-拉格朗日模型和DPM模型。數(shù)據(jù)樣例物理屬性：燃料的密度、粘度、熱導(dǎo)率、比熱容、燃燒熱，氧化劑的密度、粘度、熱導(dǎo)率、比熱容，以及固體催化劑的物理和化學(xué)屬性。初始條件：燃燒室的溫度、壓力、氧化劑濃度，燃料的初始位置、速度、直徑，以及固體催化劑的初始位置和狀態(tài)。邊界條件：燃燒室的壁面溫度、壓力，以及可能的進氣口和排氣口條件。代碼示例#設(shè)置仿真參數(shù)

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classdictionary;

location"constant";

objecttransportProperties;

}

//燃料的物理屬性

thermoType

{

typehePsiThermo;

mixtureMixture;

transportconst;

thermoHConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

//氧化劑的物理屬性

Mixture

{

specie

{

nMoles1;

molWeight32;//氧化劑的摩爾質(zhì)量

}

transport

{

typeconst;

mu1.8e-5;//動力粘度

Pr0.7;//普朗特數(shù)

}

thermodynamics

{

Cp1000;//比熱容

}

}

//固體催化劑的屬性

dimensionedScalarrhoC("rhoC",dimDensity,2500);//催化劑密度

dimensionedScalardC("dC",dimLength,0.0001);//催化劑顆粒直徑

//燃料蒸發(fā)模型

evaporationModel

{

typeconstantMassEvaporation;

constantMassEvaporationCoeffs

{

dmdt0.001;//質(zhì)量蒸發(fā)率

}

}

//燃燒模型

combustionModel

{

typelaminar;

laminarCoeffs

{

Qr0;//輻射熱損失

}

}

//催化劑表面反應(yīng)模型

surfaceReactionModel

{

typeconstantRateSurfaceReaction;

constantRateSurfaceReactionCoeffs

{

k0.1;//表面反應(yīng)速率常數(shù)

}

}4.3.3描述在上述代碼中，我們定義了燃料和氧化劑的物理屬性，包括密度、粘度、熱導(dǎo)率、比熱容和燃燒熱。我們還定義了固體催化劑的密度和顆粒直徑，這些參數(shù)對于催化劑的表面反應(yīng)至關(guān)重要。燃料蒸發(fā)模型采用constantMassEvaporation類型，這意味著燃料的質(zhì)量蒸發(fā)率是恒定的。燃燒模型采用laminar類型，適用于層流燃燒過程，其中Qr參數(shù)表示輻射熱損失，這里設(shè)置為0，意味著沒有考慮輻射熱損失。催化劑表面反應(yīng)模型采用constantRateSurfaceReaction類型，這意味著表面反應(yīng)速率是恒定的，由k參數(shù)控制。通過這些案例分析，我們可以看到在燃燒仿真中，多相流模型的選擇和參數(shù)設(shè)置對于準確模擬燃燒過程至關(guān)重要。不同的燃燒場景需要不同的模型和參數(shù)，而OpenFOAM等CFD軟件提供了豐富的工具和模型來滿足這些需求。5高級燃燒仿真技術(shù)5.1多尺度燃燒仿真方法5.1.1原理與內(nèi)容多尺度燃燒仿真方法旨在解決燃燒過程中不同尺度現(xiàn)象的耦合問題。燃燒過程涉及從分子尺度的化學(xué)反應(yīng)到宏觀尺度的流動與傳熱，這些不同尺度的現(xiàn)象相互影響，共同決定了燃燒的特性。多尺度方法通過將不同尺度的模型集成到一個統(tǒng)一的仿真框架中，能夠更準確地預(yù)測燃燒行為，特別是在復(fù)雜幾何和多相流環(huán)境中。分子動力學(xué)模擬在分子尺度，分子動力學(xué)模擬（MolecularDynamics,MD）被用來研究化學(xué)反應(yīng)的微觀機制。MD模擬通過求解牛頓運動方程，跟蹤每個原子的運動，可以揭示化學(xué)反應(yīng)的細節(jié)，如反應(yīng)路徑、反應(yīng)速率和能量分布。#分子動力學(xué)模擬示例代碼

importnumpyasnp

fromaseimportAtoms

fromase.calculators.emtimportEMT

fromase.md.velocitydistributionimportMaxwellBoltzmannDistribution

fromase.md.verletimportVelocityVerlet

#創(chuàng)建原子系統(tǒng)

atoms=Atoms('H2O',positions=[(0,0,0),(0,0,0.74),(0,0,1.48)],cell=(3,3,3))

#設(shè)置能量計算方法

atoms.calc=EMT()

#分子動力學(xué)初始化

md=VelocityVerlet(atoms,0.5)#時間步長為0.5fs

#設(shè)置初始溫度

MaxwellBoltzmannDistribution(atoms,300)#溫度為300K

#進行MD模擬

foriinrange(1000):

md.run(10)宏觀尺度燃燒模型在宏觀尺度，通常使用計算流體動力學(xué)（ComputationalFluidDynamics,CFD）方法來模擬燃燒過程。CFD模型可以處理復(fù)雜的流體流動、傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象，通過求解連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和物種守恒方程，來預(yù)測燃燒的宏觀行為。#CFD燃燒模型示例代碼

importcanteraasct

#設(shè)置燃燒模型

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

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

#創(chuàng)建燃燒室

r=ct.IdealGasConstPressureReactor(gas)

sim=ct.ReactorNet([r])

#進行CFD模擬

foriinrange(1000):

sim.advance(0.001*i)

print(r.thermo.P,r.thermo.T,r.thermo.X)5.1.2多尺度集成多尺度集成是將微觀和宏觀模型結(jié)合，形成一個統(tǒng)一的仿真框架。例如，可以使用MD模擬來校準CFD模型中的反應(yīng)速率常數(shù)，或者在CFD模型中嵌入MD模擬來處理局部的微觀現(xiàn)象。5.2多物理場耦合燃燒仿真5.2.1原理與內(nèi)容多物理場耦合燃燒仿真考慮了燃燒過程中多個物理現(xiàn)象的相互作用，如化學(xué)反應(yīng)、流體流動、傳熱和傳質(zhì)。這些現(xiàn)象在實際燃燒過程中是緊密耦合的，單獨模擬它們往往無法準確預(yù)測燃燒行為?；瘜W(xué)反應(yīng)與流動耦合化學(xué)反應(yīng)和流動的耦合是通過在CFD模型中加入化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)來實現(xiàn)的。這要求同時求解流體動力學(xué)方程和化學(xué)反應(yīng)方程，以捕捉反應(yīng)對流動的影響，以及流動對反應(yīng)速率的影響。#化學(xué)反應(yīng)與流動耦合示例代碼

importcanteraasct

importnumpyasnp

fromegrateimportodeint

#定義化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)

defreaction_rate(y,t):

gas.TPX=y[0],ct.one_atm,y[1:]

return_production_rates

#定義流體動力學(xué)

deffluid_dynamics(y,t):

#假設(shè)流動方程為簡單的擴散方程

dydt=np.zeros_like(y)

dydt[0]=-y[0]+100#溫度變化

dydt[1:]=odeint(reaction_rate,y[1:],t)#物種濃度變化

returndydt

#初始條件

y0=np.append([300],gas.X)

#時間向量

t=np.linspace(0,1,100)

#進行耦合仿真

y=odeint(fluid_dynamics,y0,t)傳熱與傳質(zhì)耦合傳熱和傳質(zhì)的耦合是通過在CFD模型中加入能量和物種守恒方程來實現(xiàn)的。這要求模型能夠處理溫度和濃度的分布，以及它們隨時間的變化。#傳熱與傳質(zhì)耦合示例代碼

importcanteraasct

importnumpyasnp

fromegrateimportodeint

#定義能量和物種守恒方程

defenergy_species_conservation(y,t):

gas.TPX=y[0],ct.one_atm,y[1:]

#能量方程

dTdt=-np.sum(gas.partial_molar_enthalpies*_production_rates)/gas.cp

#物種守恒方程

dXdt=_production_rates

returnnp.append(dTdt,dXdt)

#初始條件

y0=np.append([300],gas.X)

#時間向量

t=np.linspace(0,1,100)

#進行耦合仿真

y=odeint(energy_species_conservation,y0,t)5.2.2多物理場集成多物理場集成是將化學(xué)反應(yīng)、流體流動、傳熱和傳質(zhì)等物理現(xiàn)象結(jié)合到一個統(tǒng)一的仿真框架中。這通常需要使用高級的數(shù)值方法和并行計算技術(shù)，以處理復(fù)雜的耦合方程組。5.3燃燒仿真中的不確定性量化5.3.1原理與內(nèi)容燃燒仿真中的不確定性量化（UncertaintyQuantification,UQ）旨在評估模型參數(shù)、初始條件和邊界條件等不確定性對仿真結(jié)果的影響。UQ通過統(tǒng)計方法和敏感性分析，可以提供燃燒過程的可信度和可靠性評估。蒙特卡洛模擬蒙特卡洛模擬是一種常用的UQ方法，通過隨機抽樣來評估不確定性的影響。在燃燒仿真中，可以對模型參數(shù)進行隨機抽樣，然后進行多次仿真，以統(tǒng)計分析仿真結(jié)果的分布。#蒙特卡洛模擬示例代碼

importcanteraasct

importnumpyasnp

#定義仿真函數(shù)

defsimulate(gas,T,P,X):

gas.TPX=T,P,X

r=ct.IdealGasConstPressureReactor(gas)

sim=ct.ReactorNet([r])

sim.advance(1.0)

returnr.thermo.T,r.thermo.P,r.thermo.X

#參數(shù)不確定性

T=np.random.normal(300,10,1000)#溫度不確定性

P=np.random.normal(ct.one_atm,1e4,1000)#壓力不確定性

X=np.random.dirichlet(np.ones(30),1000)#物種濃度不確定性

#進行蒙特卡洛模擬

results=[simulate(gas,T[i],P[i],X[i])foriinrange(1000)]敏感性分析敏感性分析用于評估模型參數(shù)對仿真結(jié)果的影響程度。在燃燒仿真中，可以使用局部敏感性分析或全局敏感性分析方法，來確定哪些參數(shù)對燃燒過程的影響最大。#敏感性分析示例代碼

importcanteraasct

importnumpyasnp

fromSALib.sampleimportsaltelli

fromSALib.analyzeimportsobol

#定義仿真函數(shù)

defsimulate(gas,T,P,X):

gas.TPX=T,P,X

r=ct.IdealGasConstPressureReactor(gas)

sim=ct.ReactorNet([r])

sim.advance(1.0)

returnr.thermo.T

#參數(shù)范圍

problem={

'num_vars':3,

'names':['T','P','X'],

'bounds':[[290,310],[ct.one_atm-1e4,ct.one_atm+1e4],[0.01,0.99]]

}

#生成樣本

param_values=saltelli.sample(problem,1000)

#進行仿真

results=np.array([simulate(gas,*params)forparamsinparam_values])

#進行全局敏感性分析

Si=sobol.analyze(problem,results)通過上述方法，高級燃燒仿真技術(shù)能夠更全面、更準確地模擬燃燒過程，為燃燒工程和燃燒設(shè)備的設(shè)計提供有力支持。6燃燒仿真軟件與工具6.1常用燃燒仿真軟件介紹在燃燒仿真領(lǐng)域，有多種軟件工具被廣泛使用，它們基于不同的物理模型和數(shù)值方法，能夠模擬從簡單到復(fù)雜的燃燒過程。下面介紹幾款主流的燃燒仿真軟件：AnsysFluent簡介：AnsysFluent是一款功能強大的計算流體動力學(xué)（CFD）軟件，它提供了多種燃燒模型，包括層流和湍流燃燒模型，以及多相流模型，適用于各種燃燒仿真需求。特點：高度的靈活性和準確性，能夠處理復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和物理現(xiàn)象。STAR-CCM+簡介：STAR-CCM+是由Siemens提供的多物理場仿真軟件，它在燃燒仿真中特別擅長處理多相流問題，如液滴燃燒、氣泡動力學(xué)等。特點：用戶界面友好，自動化程度高，適合工程應(yīng)用。OpenFOAM簡介：OpenFOAM是一款開源的CFD軟件，它擁有豐富的物理模型庫，包括燃燒和多相流模型，適合科研和教育領(lǐng)域。特點：開源免費，高度可定制，適合深入研