ANSYS Fluent燃烧仿真高级技巧：自定义模型教程

ANSYSFluent燃烧仿真高级技巧：自定义模型教程1燃烧仿真基础1.1燃烧理论简介燃烧是一种复杂的物理化学过程，涉及到燃料与氧化剂的化学反应，产生热能和光能。在燃烧过程中，燃料分子与氧气分子在适当的条件下（如温度、压力和浓度）发生反应，生成二氧化碳、水蒸气和其他副产品。燃烧理论主要研究燃烧的机理、动力学、热力学和流体力学特性，以及如何控制和优化燃烧过程。1.1.1燃烧的类型扩散燃烧：燃料和氧化剂在混合前是分开的，燃烧发生在它们混合的界面。预混燃烧：燃料和氧化剂在燃烧前已经充分混合，燃烧速度由化学反应速率决定。层流燃烧：在低流速和低湍流条件下，燃烧过程是层流的，火焰传播速度稳定。湍流燃烧：在高流速和高湍流条件下，燃烧过程是湍流的，火焰传播速度和燃烧效率受到湍流的影响。1.1.2燃烧模型燃烧模型用于描述燃烧过程中的化学反应和物理现象。常见的燃烧模型包括：EDC模型（EddyDissipationConcept）：适用于预混和非预混燃烧，考虑了湍流对燃烧的影响。PDF模型（ProbabilityDensityFunction）：基于概率密度函数，适用于非预混燃烧，能够处理燃料和氧化剂的不均匀分布。PFR模型（PerfectlyStirredReactor）：适用于预混燃烧，假设反应器内完全混合，适用于研究化学反应动力学。1.2ANSYSFluent软件概览ANSYSFluent是一款广泛应用于流体动力学、传热和燃烧仿真领域的软件。它基于有限体积法，能够解决复杂的多物理场问题，包括湍流、化学反应、辐射和多相流等。Fluent提供了丰富的物理模型和数值方法，适用于从航空航天到能源、化工和汽车等各个行业。1.2.1主要功能湍流模型：包括k-ε、k-ω、RNGk-ε等模型，用于模拟湍流流动。化学反应模型：支持预混燃烧、非预混燃烧和层流燃烧等多种燃烧模型。辐射模型：能够模拟燃烧过程中的辐射传热，包括离散坐标法（DO）、P1近似法等。多相流模型：适用于模拟含有固体、液体和气体的多相流动，如喷雾燃烧。1.2.2操作流程前处理：定义几何模型，设置网格，定义边界条件和初始条件。求解：选择物理模型，设置求解参数，运行仿真。后处理：分析仿真结果，可视化流场、温度、压力和化学组分等。1.3燃烧模型的选择与应用选择燃烧模型时，需要考虑燃烧的类型、流体的流动状态、化学反应的复杂性以及仿真目标。不同的燃烧模型适用于不同的燃烧场景，正确选择模型可以提高仿真的准确性和效率。1.3.1模型选择原则预混燃烧：如果燃料和氧化剂在燃烧前已经充分混合，可以选择PFR模型或层流燃烧模型。非预混燃烧：如果燃料和氧化剂在燃烧前是分开的，可以选择EDC模型或PDF模型。湍流燃烧：如果燃烧过程发生在湍流环境中，需要选择能够处理湍流的燃烧模型，如EDC模型。1.3.2模型应用示例1.3.2.1EDC模型应用假设我们正在模拟一个非预混燃烧过程，燃料是甲烷，氧化剂是空气，燃烧发生在湍流环境中。在ANSYSFluent中，我们可以选择EDC模型来模拟这个过程。定义化学反应：在Fluent中，首先需要定义化学反应方程式。对于甲烷燃烧，反应方程式为：C设置燃烧模型：在“Model”菜单下，选择“Combustion”->“EddyDissipation”，激活EDC模型。定义湍流模型：由于燃烧发生在湍流环境中，需要选择一个湍流模型，如k-ε模型。设置边界条件：定义燃料和氧化剂的入口边界条件，包括速度、温度和化学组分。运行仿真：设置求解参数，如时间步长、迭代次数等，然后运行仿真。1.3.2.2PFR模型应用如果我们要模拟一个预混燃烧过程，燃料是氢气，氧化剂是空气，燃烧发生在层流环境中。在ANSYSFluent中，可以选择PFR模型来模拟这个过程。定义化学反应：对于氢气燃烧，反应方程式为：2设置燃烧模型：在“Model”菜单下，选择“Combustion”->“FiniteRate”，激活PFR模型。定义湍流模型：由于燃烧发生在层流环境中，可以选择层流模型。设置边界条件：定义燃料和氧化剂的混合比例，以及入口的温度和压力。运行仿真：设置求解参数，运行仿真，分析燃烧效率和产物分布。1.3.3总结选择合适的燃烧模型是进行燃烧仿真的关键。通过理解燃烧的类型和条件，以及Fluent提供的模型特性，可以有效地模拟和分析燃烧过程，为燃烧设备的设计和优化提供科学依据。2自定义燃烧模型2.1用户定义函数(UDF)介绍在燃烧仿真领域，尤其是使用ANSYSFluent进行高级技巧的探索时，自定义模型的开发变得至关重要。用户定义函数（UDF）是Fluent中一个强大的工具，允许用户扩展软件的内置功能，以适应特定的物理模型或复杂的工程问题。UDF是用C语言编写的，可以用来定义边界条件、源项、反应速率、材料属性等，从而实现对燃烧过程的精确控制和模拟。2.1.1UDF的结构一个典型的UDF包括以下部分：头文件包含：如#include"udf.h"，这是必须的，因为它包含了FluentUDF所需的所有函数和宏的定义。UDF函数声明：定义UDF函数，如DEFINE_SOURCE、DEFINE_PROFILE等。函数实现：在函数体内实现自定义逻辑。2.1.2示例：定义一个简单的源项UDF#include"udf.h"

/*定义一个源项UDF，用于模拟特定化学反应的热释放率*/

DEFINE_SOURCE(custom_heat_release,c,t,dS,eqn)

{

realheat_release_rate;/*热释放率*/

realdensity,specific_heat,temperature;/*密度、比热、温度*/

/*获取当前单元的密度、比热和温度*/

density=C_DENSITY(c,t);

specific_heat=C_SPEC_HEAT(c,t);

temperature=C_T(c,t);

/*假设热释放率与温度的平方成正比*/

heat_release_rate=100.0*temperature*temperature;

/*计算源项*/

dS[eqn]=heat_release_rate/(density*specific_heat);

}2.2创建自定义燃烧反应在燃烧仿真中，自定义燃烧反应的创建是实现精确模拟的关键步骤。Fluent允许用户通过UDF来定义非标准的燃烧反应，这在研究新型燃料或复杂燃烧机理时非常有用。2.2.1反应机理的定义在UDF中定义燃烧反应，需要指定反应物、产物、反应速率以及可能的活化能和预指数因子。这些参数可以根据实验数据或理论模型来设定。2.2.2示例：创建一个自定义燃烧反应假设我们想要模拟一个简单的燃烧反应：A+B−>C#include"udf.h"

/*定义自定义燃烧反应的UDF*/

DEFINE_SPECIFIC_REACTION_RATE(custom_reaction_rate,species,rate,rev_rate)

{

realA_conc,B_conc;/*反应物A和B的浓度*/

/*获取反应物A和B的浓度*/

A_conc=C_SPEC(species[0],t);

B_conc=C_SPEC(species[1],t);

/*假设反应速率与A和B的浓度成正比*/

rate[0]=0.01*A_conc*B_conc;

}2.3UDF在燃烧仿真中的应用UDF在燃烧仿真中的应用广泛，可以用来：改进模型精度：通过引入更精确的物理模型或化学反应机理。模拟新型燃料：定义新型燃料的燃烧特性。优化燃烧过程：通过调整反应速率或热释放率来优化燃烧效率。2.3.1实例：使用UDF优化燃烧效率假设我们正在模拟一个燃烧室，目标是通过调整燃料的燃烧速率来优化燃烧效率。我们可以使用UDF来动态调整燃烧速率，使其在特定条件下达到最优。#include"udf.h"

/*定义一个UDF，用于动态调整燃烧速率*/

DEFINE_SPECIFIC_REACTION_RATE(optimized_reaction_rate,species,rate,rev_rate)

{

realfuel_conc,oxygen_conc;/*燃料和氧气的浓度*/

realstoichiometric_ratio;/*理论燃烧比*/

/*获取燃料和氧气的浓度*/

fuel_conc=C_SPEC(species[0],t);

oxygen_conc=C_SPEC(species[1],t);

/*设定理论燃烧比*/

stoichiometric_ratio=0.5;

/*如果燃料和氧气的比例接近理论燃烧比，增加燃烧速率*/

if(fabs(fuel_conc/oxygen_conc-stoichiometric_ratio)<0.05)

{

rate[0]=0.02*fuel_conc*oxygen_conc;

}

else

{

rate[0]=0.01*fuel_conc*oxygen_conc;

}

}2.3.2结论通过UDF，用户可以对ANSYSFluent进行深度定制，以满足特定的燃烧仿真需求。无论是改进模型精度、模拟新型燃料，还是优化燃烧过程，UDF都是实现这些目标的强大工具。掌握UDF的编写，将极大地提升在燃烧仿真领域的研究和工程实践能力。3高级燃烧仿真技巧3.1多区域燃烧模型的设置在燃烧仿真中，多区域模型是一种高级技巧，用于模拟燃烧室内不同区域的燃烧过程，特别是在那些燃烧室结构复杂、燃烧过程分阶段进行的场景中。ANSYSFluent提供了多区域模型的设置，允许用户在不同的计算区域中应用特定的燃烧模型和边界条件，从而更准确地模拟整个燃烧过程。3.1.1设置步骤定义区域：首先，需要在Fluent的前处理阶段，使用网格划分工具（如ANSYSMeshing或ICEM）将计算域划分为多个区域，每个区域代表燃烧过程中的一个特定阶段或区域。指定区域类型：在Fluent中，通过“Define”菜单下的“CellZones”选项，为每个区域指定类型，如“Fluid”或“Solid”。选择燃烧模型：对于每个区域，可以独立选择燃烧模型。例如，预混燃烧模型可能适用于燃烧室的主燃烧区，而非预混燃烧模型可能更适合用于模拟燃料喷射区域。设置边界条件：每个区域的边界条件需要根据其物理特性进行设置，包括温度、压力、燃料和氧化剂的浓度等。定义区域间的接口：通过“Define”菜单下的“Interfaces”选项，定义不同区域之间的接口，确保流体和热量在区域间正确传输。3.1.2示例假设我们正在模拟一个内燃机的燃烧过程，其中包含燃料喷射区和主燃烧区。以下是一个简化的设置示例：#设置燃料喷射区为非预混燃烧模型

/fluent

DefineCell-Zones

Edit

Select"InjectionZone"

Model

Combustion

Non-Premixed

Exit

#设置主燃烧区为预混燃烧模型

DefineCell-Zones

Edit

Select"MainCombustionZone"

Model

Combustion

Premixed

Exit

#定义区域间的接口

DefineInterfaces

Create

Select"InjectionZone"and"MainCombustionZone"

Type

Surface

Model

Mixing-Plane

Exit3.1.3解释在上述示例中，我们首先为燃料喷射区选择了非预混燃烧模型，这适用于燃料和空气在喷射过程中混合的情况。接着，我们为主燃烧区选择了预混燃烧模型，这适用于燃料和空气在进入燃烧室前已经充分混合的情况。最后，我们定义了两个区域之间的接口，使用了“Mixing-Plane”模型，它允许在不同区域之间进行质量、动量和能量的交换。3.2非预混燃烧仿真策略非预混燃烧是指燃料和氧化剂在燃烧前没有完全混合的燃烧过程，常见于喷射燃烧系统中。在Fluent中，非预混燃烧模型通常使用“EddyDissipationModel”（EDM）或“FlameletModel”来模拟。3.2.1EDM模型EDM模型假设湍流涡旋能够迅速将燃料和氧化剂混合并燃烧。该模型适用于湍流强度较高的燃烧环境。3.2.2FlameletModelFlamelet模型基于预定义的火焰库，适用于燃料和氧化剂混合程度较低的燃烧环境。该模型需要用户输入火焰库数据，这些数据通常通过其他燃烧模型的详细计算获得。3.2.3设置示例#启用非预混燃烧模型

/fluent

Model

Combustion

Non-Premixed

Exit

#选择EDM模型

Model

Combustion

Non-Premixed

EddyDissipation

Exit

#设置燃料和氧化剂的组分

DefineMaterials

Edit

Select"Fuel"

Composition

Set

Select"Oxidizer"

Composition

Set

Exit3.2.4解释在示例中，我们首先启用了非预混燃烧模型，然后选择了EDM模型作为具体的燃烧模型。接着，我们定义了燃料和氧化剂的组分，这是非预混燃烧模型中非常关键的步骤，因为模型需要知道燃料和氧化剂的化学性质和浓度分布。3.3燃烧仿真结果的后处理与分析燃烧仿真完成后，后处理阶段是分析和理解仿真结果的关键。Fluent提供了丰富的后处理工具，包括可视化工具和数据分析工具，帮助用户深入理解燃烧过程。3.3.1可视化工具等值面：用于显示特定参数（如温度、压力、组分浓度）的等值面，帮助识别燃烧区域和燃烧过程的动态变化。流线：显示流体的流动路径，对于理解燃烧室内流体的混合和分布非常有用。粒子轨迹：在喷射燃烧模型中，可以显示燃料粒子的轨迹，帮助分析燃料喷射和燃烧效率。3.3.2数据分析工具积分计算：计算整个计算域或特定区域的积分参数，如总热量释放率、总燃料消耗率等。剖面分析：分析特定截面上的参数分布，如温度、压力、组分浓度等。时间序列分析：对于瞬态燃烧仿真，可以分析特定参数随时间的变化趋势。3.3.3示例假设我们想要分析燃烧室内的温度分布，并计算总热量释放率。#显示温度等值面

/fluent

DisplayContours

Contours

Select"Temperature"

Levels

Set

Exit

#计算总热量释放率

ReportFluxes

Heat

TotalHeatReleaseRate

Compute3.3.4解释在示例中，我们首先使用Fluent的“Contours”工具显示了温度的等值面，这有助于直观地理解燃烧室内的温度分布。接着，我们使用“ReportFluxes”工具计算了总热量释放率，这是一个重要的参数，用于评估燃烧效率和燃烧过程的热力学性能。通过上述步骤，我们可以更深入地理解燃烧过程，识别潜在的优化点，从而改进燃烧系统的设计和性能。4案例研究与实践4.1工业燃烧器的自定义模型仿真4.1.1原理与内容在工业燃烧器的仿真中，使用ANSYSFluent进行自定义模型的创建，可以更精确地模拟燃烧过程中的复杂化学反应和流体动力学行为。这通常涉及到定义用户自定义函数（UDF）来描述特定的燃烧机理，以及使用用户自定义标量（UDS）和用户自定义边界条件（UBC）来捕捉燃烧器内部的物理现象。4.1.1.1自定义化学反应模型在Fluent中，可以通过UDF来定义非标准的化学反应机理。例如，如果需要模拟一种特定燃料的燃烧，而该燃料的反应机理在Fluent的预定义库中不存在，可以使用UDF来添加。#include"udf.h"

DEFINE_SPECIFIC_RATE(user_reaction,r,c,t)

{

realA,Ea,R,T;

realrho,Y_fuel,Y_oxygen;

face_tf;

A=1.0e10;//反应速率常数的预指数因子

Ea=50000.0;//激活能

R=8.314;//气体常数

T=C_T(c,t);//当前温度

rho=C_R(c,t);//当前密度

Y_fuel=C_YI(c,t,fuel_species);//燃料的质量分数

Y_oxygen=C_YI(c,t,oxygen_species);//氧气的质量分数

r[0]=A*exp(-Ea/(R*T))*Y_fuel*Y_oxygen;//计算反应速率

}4.1.1.2自定义标量模型UDS可以用来跟踪燃烧过程中产生的特定物质或能量。例如，可以定义一个UDS来监测燃烧效率或特定污染物的生成。#include"udf.h"

DEFINE_ADJUST(user_adjust,domain)

{

face_tf;

realvalue;

//初始化UDS

for(c=0;c<NUM_CELLS(domain);c++)

{

value=0.0;

Set_UDSI(c,UDS_ID,value);

}

//更新UDS

for(f=0;f<NUM_FACES(domain);f++)

{

value=...;//计算UDS的值

Set_F_UDSI(f,UDS_ID,value);

}

}4.1.1.3自定义边界条件UBC允许用户定义特定边界上的物理条件，如温度、压力或化学物种的浓度。这对于模拟燃烧器的入口和出口条件特别有用。#include"udf.h"

DEFINE_PROFILE(user_profile,x,y)

{

face_tf;

begin_f_loop(f,thread)

{

realx_pos=F_X(f,thread);

realy_pos=F_Y(f,thread);

if(x_pos<0.0)

{

y[F_ID(f,thread)]=300.0;//设置温度为300K

}

else

{

y[F_ID(f,thread)]=0.0;//设置温度为环境温度

}

}

end_f_loop(f,thread)

}4.1.2验证与优化仿真结果的验证通常包括与实验数据的比较，以及对模型假设的检查。优化则可能涉及调整模型参数，如反应速率常数或边界条件，以更准确地匹配实验结果。4.2汽车发动机燃烧过程的高级仿真4.2.1原理与内容汽车发动机的燃烧仿真需要考虑燃料喷射、混合、点火和燃烧等过程。Fluent的自定义模型功能可以用来精确描述这些过程，特别是在开发新型燃料或发动机设计时。4.2.1.1燃料喷射模型通过UDF，可以自定义燃料喷射的模式和特性，如喷射角度、喷射速度和喷射时间。#include"udf.h"

DEFINE_PROFILE(fuel_injection,x,y)

{

face_tf;

begin_f_loop(f,thread)

{

realx_pos=F_X(f,thread);

realy_pos=F_Y(f,thread);

if(x_pos>0.0&&x_pos<0.05&&y_pos>0.0&&y_pos<0.1)

{

y[F_ID(f,thread)]=100.0;//设置燃料质量分数

}

else

{

y[F_ID(f,thread)]=0.0;//设置燃料质量分数为0

}

}

end_f_loop(f,thread)

}4.2.1.2点火模型点火过程可以通过定义一个UDF来模拟，该UDF可以基于温度、压力或化学物种的浓度来触发燃烧。#include"udf.h"

DEFINE_ADJUST(ignition,domain)

{

face_tf;