燃烧仿真.燃烧仿真软件：OpenFOAM：湍流燃烧仿真原理

燃烧仿真.燃烧仿真软件：OpenFOAM：湍流燃烧仿真原理1燃烧仿真基础1.1燃烧化学反应基础燃烧是一种化学反应过程，其中燃料与氧气反应生成热能和一系列化学产物。在燃烧仿真中，理解燃烧化学反应的基础至关重要。燃烧反应可以是简单的，如甲烷与氧气的反应：CH也可以是复杂的，涉及多种燃料和产物的反应网络。在OpenFOAM中，可以使用chemReactingFoam求解器来模拟化学反应。下面是一个简单的示例，展示如何在OpenFOAM中定义化学反应：#在$FOAM_RUN/tutorials/combustion/chemReactingFoam/case1中创建化学反应文件

$cd$FOAM_RUN/tutorials/combustion/chemReactingFoam/case1

$cp-r$FOAM_TUTORIALS/combustion/chemReactingFoam/case1/constant/chemistry在constant/chemistry目录下，可以编辑reactions文件来定义化学反应：#reactions文件示例

typereactions;

defaultReactionOrder1;

reactions

(

CH4+2O2->CO2+2H2O

);1.2燃烧热力学与动力学燃烧过程不仅涉及化学反应，还涉及热力学和动力学。热力学描述了燃烧反应的能量转换，而动力学则关注反应速率。在OpenFOAM中，可以使用thermophysicalProperties文件来定义燃烧的热力学和动力学属性。例如，定义一个简单的热力学模型：#thermophysicalProperties文件示例

thermoType

{

typehePsiThermo;

mixturemixture;

transportconst;

thermoHConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

mixture

{

specie

{

nMoles1;

molWeight16;//甲烷的摩尔质量

}

//定义燃料和氧化剂的热力学属性

thermodynamics

{

fuelCH4;

oxidantO2;

productsCO2H2O;

Tstd298.15;

pstd101325;

}

}1.3湍流燃烧简介湍流燃烧是在湍流环境中发生的燃烧过程，这种环境下的燃烧比层流燃烧更为复杂，因为湍流会加速燃料与氧化剂的混合，从而影响燃烧速率和火焰结构。在OpenFOAM中，模拟湍流燃烧通常使用turbulentReactingFoam求解器。为了模拟湍流燃烧，需要定义湍流模型。OpenFOAM提供了多种湍流模型，如k-epsilon模型和k-omega模型。下面是一个使用k-epsilon模型的湍流燃烧设置示例：#turbulenceProperties文件示例

simulationTypelaminar;

RAS

{

RASModelkEpsilon;

turbulenceon;

printCoeffson;

}

//定义湍流模型的初始条件和边界条件

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(0.010.010.01);//k的初始值

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

}在实际应用中，还需要定义燃料和氧化剂的初始浓度、温度和湍流强度。这些参数可以通过编辑0目录下的alpha、T和k文件来设置。通过以上步骤，可以使用OpenFOAM进行基本的燃烧仿真，包括化学反应、热力学和动力学以及湍流燃烧的模拟。这为更深入地理解和分析燃烧过程提供了强大的工具。2燃烧仿真软件：OpenFOAM-湍流燃烧仿真原理2.1OpenFOAM软件概览2.1.1OpenFOAM简介与安装OpenFOAM（OpenFieldOperationandManipulation）是一个开源的CFD（计算流体动力学）软件包，由OpenCFD有限公司开发并维护，现由SINTEFDigital的FoamFoundation管理。OpenFOAM提供了丰富的物理模型和数值方法，适用于各种流体动力学和传热问题，包括湍流燃烧仿真。安装OpenFOAM安装OpenFOAM通常涉及以下步骤：下载源代码：从官方网站下载最新版本的OpenFOAM源代码。配置环境：设置必要的环境变量，如WMAKE_INCLUDE_DIR和WMAKE_LIB_DIR。编译：使用wmake工具编译源代码。验证安装：运行一些内置的测试案例，确保安装正确。2.1.2OpenFOAM基本操作OpenFOAM的基本操作包括案例设置、网格生成、求解器选择和后处理。以下是一个简单的案例设置流程：案例目录结构：OpenFOAM案例通常包含0目录（初始条件）、constant目录（网格和物理属性）、system目录（求解器设置）。网格生成：使用blockMesh或snappyHexMesh生成网格。求解器选择：根据问题类型选择合适的求解器，如simpleFoam用于稳态流体流动，rhoCentralFoam用于非稳态燃烧问题。运行求解器：在案例目录下运行求解器，如./Allrun。后处理：使用paraFoam或foamToVTK将结果转换为可视化软件（如ParaView）可读的格式。2.1.3OpenFOAM湍流模型OpenFOAM提供了多种湍流模型，包括RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯方程）模型和LES（大涡模拟）模型。RANS模型中最常用的是k-ε模型和k-ω模型，而LES模型则适用于更复杂的湍流流动。k-ε模型示例在system/fvSolution文件中，可以设置k-ε模型：#system/fvSolution

solvers

{

p

{

solverpBiCG;

preconditionerDILU;

tolerance1e-06;

relTol0;

}

U

{

solversmoothSolver;

smootherGaussSeidel;

nSweeps2;

tolerance1e-05;

relTol0;

}

k

{

solversmoothSolver;

smootherGaussSeidel;

nSweeps2;

tolerance1e-05;

relTol0;

}

epsilon

{

solversmoothSolver;

smootherGaussSeidel;

nSweeps2;

tolerance1e-05;

relTol0;

}

}k-ω模型示例在system/fvSolution文件中，设置k-ω模型：#system/fvSolution

solvers

{

p

{

solverpBiCG;

preconditionerDILU;

tolerance1e-06;

relTol0;

}

U

{

solversmoothSolver;

smootherGaussSeidel;

nSweeps2;

tolerance1e-05;

relTol0;

}

k

{

solversmoothSolver;

smootherGaussSeidel;

nSweeps2;

tolerance1e-05;

relTol0;

}

omega

{

solversmoothSolver;

smootherGaussSeidel;

nSweeps2;

tolerance1e-05;

relTol0;

}

}2.2湍流燃烧仿真原理湍流燃烧仿真涉及到流体动力学、化学反应动力学和传热学的综合应用。在OpenFOAM中，湍流燃烧通常使用RANS或LES模型结合化学反应模型来模拟。2.2.1RANS模型与化学反应RANS模型通过平均纳维-斯托克斯方程来描述湍流流动，而化学反应则通过一组反应速率方程来模拟。在OpenFOAM中，可以使用rhoTurbFoam求解器结合chemReactFoam来模拟湍流燃烧。示例：使用rhoTurbFoam和chemReactFoam在system/controlDict文件中，设置求解器为rhoTurbFoam：#system/controlDict

applicationrhoTurbFoam;

startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime100;

deltaT0.01;

writeControltimeStep;

writeInterval10;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

runTimeModifiabletrue;然后，在system/reactingProperties文件中，定义化学反应模型：#system/reactingProperties

thermodynamics

{

thermoType

{

typereactingIncompressible;

mixturemixture;

transportlaminar;

equationOfStateperfectGas;

energysensibleInternalEnergy;

turbulenceRAS;

}

mixture

{

typemultiComponentMixture;

species(O2N2H2OCO2CH4);

equationOfState

{

typeperfectGas;

}

transport

{

typelaminar;

}

thermodynamics

{

typehePsiThermo;

mixturespecies;

thermoData

{

(O2N2H2OCO2CH4)

{

(specie)

{

molWeight32;

CpCoeffs(3.91650.00120410.0000013811-0.000000000011367);

Hf-300000;

}

...

}

}

}

equationOfStateCoeffs

{

R287.14;

}

}

}2.2.2LES模型与化学反应LES模型通过直接求解大尺度涡流，而小尺度涡流则通过亚网格模型来模拟。在OpenFOAM中，可以使用rhoCentralFoam求解器结合化学反应模型来模拟湍流燃烧。示例：使用rhoCentralFoam在system/controlDict文件中，设置求解器为rhoCentralFoam：#system/controlDict

applicationrhoCentralFoam;

startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime100;

deltaT0.01;

writeControltimeStep;

writeInterval10;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

runTimeModifiabletrue;在system/fvSolution文件中，设置LES湍流模型：#system/fvSolution

LESModeldynamicKEpsilon;

turbulenceon;

alpha0.9;

delta(cDelta*sqrt((2.0/3.0)*k)+deltaMin);

cDelta0.0707;

deltaMin0.001;2.3结论OpenFOAM是一个强大的工具，用于模拟包括湍流燃烧在内的复杂流体动力学问题。通过选择合适的湍流模型和化学反应模型，可以精确地模拟燃烧过程中的流体流动和化学反应。上述示例展示了如何在OpenFOAM中设置k-ε模型、k-ω模型以及LES模型，为湍流燃烧仿真提供了基础。3湍流燃烧模型选择在燃烧仿真中，选择合适的湍流燃烧模型至关重要，它直接影响到仿真结果的准确性和计算效率。OpenFOAM提供了多种模型，包括：层流模型：适用于低湍流强度的燃烧过程。湍流模型：如k-ε模型、k-ω模型、雷诺应力模型（RSM）等，用于描述高湍流强度下的流体动力学行为。湍流燃烧模型：如EDC（EddyDissipationConcept）、PDF（ProbabilityDensityFunction）、LES（LargeEddySimulation）等，专门用于湍流燃烧的仿真。3.1示例：使用k-ε模型进行湍流燃烧仿真在OpenFOAM中，可以通过编辑constant/turbulenceProperties文件来选择k-ε模型。以下是一个示例配置：simulationTypeRAS;

RAS

{

RASModelkEpsilon;

turbulenceon;

printCoeffson;

}4湍流与化学反应的耦合湍流与化学反应的耦合是湍流燃烧仿真的核心。在OpenFOAM中，这通常通过以下几种方式实现：混合分数法：使用混合分数来描述湍流与化学反应的耦合，适用于预混燃烧。PDF法：通过概率密度函数来描述非预混燃烧中燃料与氧化剂的混合状态。EDC法：基于湍流耗散率的概念，适用于非预混和部分预混燃烧。4.1示例：使用混合分数法进行预混燃烧仿真在OpenFOAM中，预混燃烧可以通过constant/thermophysicalProperties文件中的transportModel和thermodynamicsModel来配置。以下是一个使用混合分数法的示例：transportModellaminar;

thermodynamicsModel

{

thermoType

{

typehePsiThermo;

mixturemixture;

transportconst;

thermohConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

mixture

{

typereactingMixture;

transportModelconst;

thermoModelhConst;

equationOfStateperfectGas;

specieModelspecie;

reactionModelfiniteRate;

mixturespeciesTable;

}

}5湍流燃烧数值方法数值方法是实现湍流燃烧仿真的关键。OpenFOAM支持多种数值方法，包括：有限体积法：基于控制体积理论，适用于复杂几何和多物理场问题。时间积分方法：如隐式和显式方法，用于解决时间依赖性问题。空间离散化方法：如中心差分、上风差分等，用于处理对流项。5.1示例：使用有限体积法进行湍流燃烧仿真在OpenFOAM中，有限体积法是默认的数值方法。通过编辑system/fvSchemes文件，可以配置数值离散化方案。以下是一个示例配置：ddtSchemes

{

defaultsteadyState;

}

gradSchemes

{

defaultGausslinear;

}

divSchemes

{

defaultnone;

div(phi,U)Gausslinear;

div(phi,k)Gausslinear;

div(phi,epsilon)Gausslinear;

div(phi,R)Gausslinear;

div(R)none;

div(phi,nuTilda)Gausslinear;

}

laplacianSchemes

{

defaultGausslinearcorrected;

}

interpolationSchemes

{

defaultlinear;

}

snGradSchemes

{

defaultcorrected;

}

fluxRequired

{

defaultno;

p;

}在system/fvSchemes文件中，divSchemes部分配置了对流项的离散化方案，laplacianSchemes部分配置了扩散项的离散化方案。这些设置对于湍流燃烧仿真的准确性至关重要。以上内容详细介绍了在OpenFOAM中进行湍流燃烧仿真时，如何选择模型、实现湍流与化学反应的耦合，以及配置数值方法。通过这些示例，用户可以更好地理解如何在OpenFOAM中设置和运行湍流燃烧仿真。6OpenFOAM湍流燃烧仿真设置6.1仿真案例选择与准备在进行OpenFOAM湍流燃烧仿真前，选择一个合适的案例至关重要。案例的选择应基于仿真目标，例如，研究燃烧效率、污染物生成或火焰传播速度。准备阶段包括收集必要的物理参数，如燃料和氧化剂的化学性质、燃烧反应机理、操作条件（温度、压力）等。6.1.1选择案例假设我们选择一个典型的柴油喷射燃烧案例，目标是分析不同喷射压力下燃烧效率的变化。此案例涉及柴油喷雾的形成、蒸发和燃烧过程，需要一个详细的化学反应机理，如Diesel.nrg。6.1.2准备物理参数燃料化学性质：柴油的化学式、分子量、热容等。燃烧反应机理：使用[Diesel.nrg]文件，包含柴油燃烧的化学反应路径。操作条件：环境温度、压力，喷射压力等。6.2网格生成与优化网格的质量直接影响仿真的准确性和计算效率。OpenFOAM使用六面体网格，可以通过blockMesh工具生成。网格优化包括调整网格密度、确保网格质量（如正交性、扭曲度）和边界层的设置。6.2.1生成网格在案例目录中，编辑constant/polyMesh/blockMeshDict文件，定义网格的几何形状和单元划分。以下是一个简单的blockMeshDict示例：/**-C++-**\

|=========||

|\\/Field|OpenFOAM:TheOpenSourceCFDToolbox|

|\\/Operation|Version:4.x|

|\\/And|Web:www.OpenFOAM.org|

|\\/Manipulation||

\**/

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classdictionary;

objectblockMeshDict;

}

//*************************************//

convertToMeters1;

vertices

(

(000)

(0.100)

(0.10.10)

(00.10)

(000.01)

(0.100.01)

(0.10.10.01)

(00.10.01)

);

blocks

(

hex(01234567)(10101)simpleGrading(111)

);

edges

(

);

boundary

(

inlet

{

typepatch;

faces

(

(3267)

);

}

outlet

{

typepatch;

faces

(

(0154)

);

}

walls

{

typewall;

faces

(

(0374)

(1265)

(0123)

(4567)

);

}

);

mergePatchPairs

(

);

//*************************************************************************//6.2.2优化网格使用checkMesh工具检查网格质量，根据输出结果调整blockMeshDict中的参数，如simpleGrading，以优化网格。blockMesh

checkMesh6.3边界条件与初始条件设置边界条件和初始条件的设置确保仿真结果的物理意义。在OpenFOAM中，这些条件通常在0目录下的文件中定义。6.3.1设置边界条件编辑0目录下的U（速度）、p（压力）、T（温度）和Y（组分浓度）文件，定义边界条件。例如，对于U：/**-C++-**\

|=========||

|\\/Field|OpenFOAM:TheOpenSourceCFDToolbox|

|\\/Operation|Version:4.x|

|\\/And|Web:www.OpenFOAM.org|

|\\/Manipulation||

\**/

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classvolVectorField;

objectU;

}

//*************************************//

dimensions[01-10000];

internalFielduniform(000);

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(100);

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typenoSlip;

}

}

//*************************************************************************//6.3.2设置初始条件在0目录中，同样编辑U、p、T和Y文件，设置初始条件。例如，对于T：/**-C++-**\

|=========||

|\\/Field|OpenFOAM:TheOpenSourceCFDToolbox|

|\\/Operation|Version:4.x|

|\\/And|Web:www.OpenFOAM.org|

|\\/Manipulation||

\**/

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classvolScalarField;

objectT;

}

//*************************************//

dimensions[0001000];

internalFielduniform300;

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform300;

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typefixedValue;

valueuniform300;

}

}

//*************************************************************************//6.3.3结合化学反应机理在constant目录下，编辑thermophysicalProperties文件，引入化学反应机理。例如：thermodynamics

{

thermoType

{

typehePsiThermo;

mixturemixture;

transportconst;

thermohConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

mixture

{

specie

{

nMoles1;

molWeight18;

}

thermodynamics

{

Hf(0);

}

transport

{

mu1.8e-5;

Pr0.71;

}

equationOfState

{

rho1000;

e(300000);

}

energy

{

Cp(4182);

Hf(0);

}

}

}

transport

{

transportModelconstant;

}

turbulence

{

turbulenceModellaminar;

}

chemistry

{

chemistryModelconstant;

chemistryReader

{

typeCHEMKIN;

transportReader

{

typenone;

}

thermoReader

{

typenone;

}

reactionReader

{

typeCHEMKIN;

dictionaryDiesel.nrg;

}

}

}通过以上步骤，我们为OpenFOAM的湍流燃烧仿真准备了一个基本的案例设置，包括网格生成、边界条件和初始条件的定义，以及化学反应机理的引入。这些设置为后续的仿真提供了必要的物理和化学基础。7OpenFOAM湍流燃烧仿真执行7.1仿真参数调整在OpenFOAM中进行湍流燃烧仿真，参数调整是确保仿真准确性和效率的关键步骤。这包括选择合适的湍流模型、燃烧模型以及调整网格分辨率和时间步长等。7.1.1湍流模型选择OpenFOAM提供了多种湍流模型，如k-ε模型、k-ω模型、LES模型等。对于大多数工程应用，k-ε模型是一个好的起点，但如果你的仿真目标是高精度的湍流燃烧分析，可能需要考虑使用LES模型。示例：k-ε模型设置在constant/turbulenceProperties文件中，你可以设置湍流模型如下：simulationTypeRAS;

RAS

{

RASModelkEpsilon;

...

}7.1.2燃烧模型调整OpenFOAM支持多种燃烧模型，包括预混燃烧、非预混燃烧和部分预混燃烧。选择模型时，应考虑燃料类型和燃烧条件。示例：非预混燃烧模型设置在constant/thermophysicalProperties文件中，你可以设置燃烧模型如下：thermoType

{

typereactingIncompressible;

mixturemixture;

...

}

mixture

{

typereactingMixture;

transportreactingMixture;

thermodynamicsreactingMixture;

equationOfStatereactingMixture;

speciereactingMixture;

energysensibleInternalEnergy;

...

}7.1.3网格分辨率和时间步长网格分辨率和时间步长直接影响仿真的精度和计算时间。通常，更精细的网格和更小的时间步长会提高精度，但也会增加计算资源的需求。示例：调整网格分辨率在system/blockMeshDict文件中，你可以调整网格分辨率如下：convertToMeters1;

vertices

(

(000)

(0.100)

(0.10.10)

(00.10)

(000.1)

(0.100.1)

(0.10.10.1)

(00.10.1)

);

blocks

(

hex(01234567)(101010)simpleGrading(111)

);

edges

(

);

boundary

(

...

);

mergePatchPairs

(

);示例：调整时间步长在system/controlDict文件中，你可以设置时间步长如下：startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime100;

deltaT0.01;

...7.2仿真运行与监控运行OpenFOAM湍流燃烧仿真涉及准备计算域、设置边界条件、选择求解器和监控仿真进度。7.2.1准备计算域确保你的计算域定义正确，包括几何形状、网格和边界条件。7.2.2设置边界条件在0目录下，为每个边界设置适当的初始和边界条件。示例：边界条件设置在0/T文件中，你可以设置温度边界条件如下：dimensions[0001000];

internalFielduniform300;

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform300;

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

...

}7.2.3选择求解器根据你的问题类型选择合适的求解器，如simpleFoam、rhoCentralFoam等。示例：运行求解器在终端中，你可以运行求解器如下：simpleFoam-case<yourCaseDirectory>7.2.4监控仿真进度使用foamLog或paraFoam工具监控仿真进度和结果。示例：使用foamLog监控在终端中，你可以使用foamLog命令监控求解器输出：foamLogsimpleFoam-case<yourCaseDirectory>7.3结果后处理与分析OpenFOAM提供了多种工具进行后处理和结果分析，如paraFoam、foamToVTK等。7.3.1使用paraFoam进行可视化paraFoam是一个基于ParaView的后处理工具，可以用来可视化和分析仿真结果。示例：使用paraFoam在终端中，你可以使用paraFoam命令打开ParaView界面：paraFoam-case<yourCaseDirectory>7.3.2使用foamToVTK转换数据foamToVTK工具可以将OpenFOAM的数据格式转换为VTK格式，便于在其他可视化软件中使用。示例：使用foamToVTK在终端中，你可以使用foamToVTK命令转换数据：foamToVTK-case<yourCaseDirectory>7.3.3分析燃烧效率和污染物排放通过分析温度、压力、燃料消耗率和污染物浓度等数据，评估燃烧效率和排放性能。示例：分析温度分布在ParaView中，你可以加载温度数据并使用切片、等值面或流线等工具来分析温度分布。7.3.4生成报告和图表使用分析结果生成报告和图表，以清晰地展示仿真结果和发现。示例：生成温度分布图表在ParaView中，使用图表生成工具，如图表视图，来生成温度分布的图表。以上示例和说明提供了在OpenFOAM中执行湍流燃烧仿真的基本步骤和参数调整方法。通过这些操作，你可以有效地设置、运行和分析你的燃烧仿真项目。8高级湍流燃烧仿真技巧8.1多相流燃烧仿真8.1.1原理与内容在燃烧仿真中，多相流的处理是复杂而关键的，尤其是在涉及液滴燃烧、气溶胶或颗粒物的情况。OpenFOAM提供了多种模型来处理多相流，包括欧拉-欧拉模型和拉格朗日模型。欧拉-欧拉模型适用于连续相和分散相之间的相互作用，而拉格朗日模型则更适用于追踪单个液滴或颗粒的运动。模型选择欧拉-欧拉模型：适用于当分散相的体积分数较高时，连续相和分散相之间的相互作用不能忽略的情况。拉格朗日模型：适用于当分散相的体积分数较低，且需要详细追踪每个液滴或颗粒的运动轨迹时。实现步骤定义相：在constant/transportProperties文件中定义连续相和分散相的物理属性。选择模型：在constant/turbulenceProperties文件中选择适合的湍流模型。设置边界条件：在0目录下为每个相设置初始和边界条件。编写控制字典：在system目录下，通过controlDict和fvSchemes等文件控制仿真参数和数值方法。运行仿真：使用OpenFOAM的多相流求解器，如interFoam或lagrangian模型的求解器sprayFoam。8.1.2示例：欧拉-欧拉模型下的液滴燃烧仿真#在constant/transportProperties中定义连续相和分散相

phase1

{

typeincompressibleNewtonian;

namegas;

rho1.225;//空气密度

nu1.5e-5;//空气动力粘度

};

phase2

{

typeincompressibleNewtonian;

nameliquid;

rho800;//液体密度

nu1e-6;//液体动力粘度

};

#在system/controlDict中设置仿真控制参数

applicationinterFoam;

star