燃烧仿真软件：OpenFOAM在发动机燃烧仿真中的应用

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文档简介

燃烧仿真软件：OpenFOAM在发动机燃烧仿真中的应用1OpenFOAM简介1.1OpenFOAM的历史与发展OpenFOAM，全称为OpenFieldOperationandManipulation，是一个开源的CFD（计算流体动力学）软件包，由英国的OpenCFD有限公司开发并维护，后被德国的SAP公司收购。OpenFOAM的开发始于2004年，其目标是提供一个全面的、可扩展的、高性能的计算流体动力学和计算物理环境。自发布以来，OpenFOAM经历了多个版本的迭代，不断引入新的功能和改进，使其成为工业界和学术界广泛使用的工具之一。1.1.1发展历程2004年：OpenFOAM的第一个版本发布，标志着开源CFD软件的新纪元。2007年：OpenFOAM1.4版本发布，引入了更多物理模型和并行计算能力。2010年：OpenFOAM1.6版本发布，增强了对复杂几何的处理能力。2014年：OpenFOAM2.3版本发布，进一步优化了并行计算性能，增加了更多化学反应模型。2018年：OpenFOAM6版本发布，引入了新的开发框架，提高了代码的可读性和可维护性。1.2OpenFOAM的特点与优势OpenFOAM以其独特的设计和强大的功能，在CFD领域中脱颖而出。以下是OpenFOAM的一些显著特点和优势：1.2.1特点开源性：OpenFOAM的源代码完全开放，用户可以自由地查看、修改和扩展软件功能。模块化设计：软件采用模块化设计，使得用户可以根据需要选择和组合不同的物理模型和求解器。并行计算：OpenFOAM支持MPI并行计算，能够高效地利用多核处理器和分布式计算资源。丰富的物理模型：包括流体动力学、传热、化学反应、燃烧等多物理场模型。强大的后处理工具：提供了丰富的数据可视化和分析工具，便于结果的解释和展示。1.2.2优势成本效益：开源特性使得OpenFOAM的使用成本远低于商业软件，特别适合学术研究和小型企业。高度定制化：用户可以根据具体需求定制求解器，实现特定的物理模型和边界条件。社区支持：拥有活跃的用户社区，提供丰富的教程、案例和问题解答，加速学习和问题解决过程。持续更新：OpenFOAM的持续开发和更新，确保了软件功能的先进性和稳定性。1.3示例：使用OpenFOAM进行简单的流体动力学仿真下面是一个使用OpenFOAM进行简单流体动力学仿真的示例。我们将使用simpleFoam求解器来模拟一个二维的流体流动问题。1.3.1准备工作创建案例目录：在OpenFOAM的安装目录下，使用blockMesh生成网格。设置边界条件：在0目录下，编辑U和p文件，设置初始和边界条件。选择求解器：在system目录下，编辑controlDict和fvSchemes文件，选择simpleFoam求解器并设置求解参数。1.3.2案例代码#创建案例目录

cd$FOAM_RUN

foamNewsimpleCase

#生成网格

cdsimpleCase

blockMesh

#设置边界条件

echo"

dimensions[01-10000];

internalFielduniform(000);

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(100);

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typenoSlip;

}

">0/U

echo"

dimensions[1-1-20000];

internalFielduniform0;

boundaryField

{

inlet

{

typezeroGradient;

}

outlet

{

typefixedValue;

valueuniform0;

}

walls

{

typefixedValue;

valueuniform0;

}

">0/p

#设置求解参数

echo"

applicationsimpleFoam;

startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime100;

deltaT1;

writeInterval10;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

runTimeModifiabletrue;

">system/controlDict

#运行求解器

simpleFoam1.3.3解释在这个示例中，我们创建了一个名为simpleCase的案例目录，并使用blockMesh生成了网格。然后，我们设置了流体的初始速度和压力边界条件，其中inlet边界设置为固定速度，outlet边界设置为压力梯度为零，walls边界设置为无滑移条件。最后，我们使用simpleFoam求解器运行仿真，设置仿真时间为100秒，每10秒输出一次结果。通过这个简单的示例，我们可以看到OpenFOAM在设置和运行流体动力学仿真方面的灵活性和强大功能。用户可以根据具体问题，调整边界条件、物理模型和求解参数，以获得精确的仿真结果。2发动机燃烧基础理论2.1燃烧过程概述燃烧是燃料与氧化剂在一定条件下发生的化学反应，产生热能和光能，同时生成新的化学物质。在发动机中，燃烧过程是能量转换的关键步骤，直接影响发动机的性能和效率。燃烧过程可以分为几个阶段：预混合阶段：燃料和空气在燃烧前充分混合，形成均一的可燃混合物。点火阶段：通过点火源（如火花塞）引发可燃混合物的燃烧。扩散燃烧阶段：燃料和空气在燃烧过程中动态混合，燃烧速率由混合速率决定。燃烧完成阶段：燃烧反应完成，生成物冷却，释放热能。2.2燃烧模型介绍在发动机燃烧仿真中，选择合适的燃烧模型至关重要。燃烧模型用于描述燃烧过程的物理和化学特性，帮助预测燃烧速率、温度分布、污染物生成等关键参数。以下是一些常用的燃烧模型：2.2.1零维燃烧模型零维燃烧模型假设燃烧室内的气体状态是均匀的，不考虑空间分布。这种模型主要用于快速预测燃烧过程，适用于初步设计阶段。示例代码#零维燃烧模型示例

importcanteraasct

#创建气体对象

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

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

#创建燃烧器对象

r=ct.IdealGasReactor(gas)

#创建仿真器

sim=ct.ReactorNet([r])

#仿真时间步长和结果存储

time=0.0

states=ct.SolutionArray(gas,extra=['t'])

#进行仿真

whiletime<0.01:

sim.advance(time)

states.append(r.thermo.state,t=time)

time+=1e-4

#输出结果

print(states('T'))2.2.2一维燃烧模型一维燃烧模型考虑了燃烧过程中的空间分布，通常用于模拟火焰传播。这种模型可以更准确地预测燃烧速率和火焰结构。示例代码#一维燃烧模型示例

importcanteraasct

#创建气体对象

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

#创建燃烧器对象

f=ct.FreeFlame(gas,{'left':ct.one_atm,'right':ct.one_atm})

f.set_initial_guess()

#设置边界条件

f.flame.set_steady()

f.flame.set_refine_criteria(ratio=3,slope=0.1,curve=0.1)

#进行仿真

f.solve(loglevel=1,auto=True)

#输出结果

f.plot('T','Y')2.2.3三维燃烧模型三维燃烧模型是最复杂的模型，它考虑了燃烧过程中的所有空间维度，可以模拟复杂的流场和燃烧现象。这种模型通常需要使用CFD软件，如OpenFOAM，进行计算。示例代码#OpenFOAM设置示例

#在OpenFOAM中设置燃烧模型需要编辑case文件夹下的各种文件

#1.编辑constant/polyMesh文件夹，定义几何结构

#2.编辑constant/transportProperties文件，定义物质传输属性

#3.编辑constant/turbulenceProperties文件，定义湍流模型

#4.编辑constant/thermophysicalProperties文件，定义燃烧模型和燃料属性

#5.编辑0文件夹，初始化流场和温度分布

#6.编辑system文件夹，设置仿真参数和求解器

#以下是一个简单的constant/thermophysicalProperties文件示例

thermo

{

typehePsiThermo;

mixturespeciesTable;

transportSLG;

thermoGRI30;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

species

{

specie1

{

nMoles1.0;

molWeight16.0435;

thermhpolynomial;

transportSLG;

}

specie2

{

nMoles1.0;

molWeight31.9988;

thermhpolynomial;

transportSLG;

}

//更多物种定义...

}

#以下是一个简单的system/controlDict文件示例

applicationsimpleFoam;

startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime100;

deltaT0.001;

writeControltimeStep;

writeInterval10;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

runTimeModifiabletrue;以上代码示例展示了如何使用Cantera库进行零维和一维燃烧模型的仿真，以及如何在OpenFOAM中设置三维燃烧模型的参数。这些模型的选择和设置应根据具体的应用场景和仿真需求进行。3OpenFOAM在燃烧仿真中的配置3.1设置OpenFOAM环境在开始使用OpenFOAM进行发动机燃烧仿真之前，首先需要确保你的系统上已经正确安装了OpenFOAM，并且环境配置得当。以下步骤将指导你如何在Linux系统上设置OpenFOAM环境。3.1.1安装OpenFOAM下载安装包：访问OpenFOAM官方网站下载最新版本的安装包。假设你下载的是OpenFOAM-v2012版本，可以使用以下命令进行下载：wget/download/openfoam-v2012.tgz解压安装包：使用tar命令解压下载的安装包：tar-xzfopenfoam-v2012.tgz安装OpenFOAM：进入解压后的目录，运行安装脚本：cdOpenFOAM-v2012

./Allwmake3.1.2配置环境变量安装完成后，需要设置环境变量以确保OpenFOAM的可执行文件和库文件能够被系统识别。编辑你的.bashrc文件，添加以下行：#OpenFOAMenvironment

exportWM_PROJECT_DIR=<path-to-your-OpenFOAM-installation>

source$WM_PROJECT_DIR/etc/bashrc替换<path-to-your-OpenFOAM-installation>为你的OpenFOAM安装目录的路径。3.2导入发动机几何模型在OpenFOAM中进行燃烧仿真，首先需要导入发动机的几何模型。这通常涉及到将CAD模型转换为OpenFOAM可以读取的格式，然后创建计算网格。3.2.1准备CAD模型确保你的发动机几何模型是以STL或OBJ格式保存的。这些格式可以直接被OpenFOAM的预处理工具读取。3.2.2使用blockMesh创建网格OpenFOAM提供了blockMesh工具来创建结构化网格。首先，你需要在你的案例目录中创建一个constant/polyMesh目录，并在其中放置一个blockMeshDict文件，该文件定义了网格的结构和边界条件。示例：blockMeshDict文件#blockMeshDict文件示例

convertToMeters1;

vertices

(

(000)

(100)

(110)

(010)

(000.1)

(100.1)

(110.1)

(010.1)

);

blocks

(

hex(01234567)(10101)simpleGrading(111)

);

edges

(

);

boundary

(

inlet

{

typepatch;

faces

(

(3267)

);

}

outlet

{

typepatch;

faces

(

(0473)

);

}

wall

{

typewall;

faces

(

(0154)

(1265)

(0374)

);

}

);

//*************************************************************************//在这个示例中，我们定义了一个简单的立方体几何，其中包含一个入口（inlet）、一个出口（outlet）和一个壁面（wall）。blockMesh工具将根据这个定义创建网格。3.2.3运行blockMesh在你的案例目录中，运行blockMesh命令来生成网格：blockMesh这将根据blockMeshDict文件中的定义创建网格，并将其保存在constant/polyMesh目录下。通过以上步骤，你已经成功设置了OpenFOAM环境，并导入了发动机的几何模型，为后续的燃烧仿真做好了准备。接下来，你可以开始定义燃烧模型、设置边界条件和初始条件，以及运行仿真。4燃烧仿真前处理4.1网格划分技术在进行发动机燃烧仿真时，网格划分是关键的第一步。网格的质量直接影响到计算的准确性和效率。OpenFOAM提供了多种网格划分工具，其中blockMesh是最常用的工具之一，用于生成结构化网格。4.1.1原理blockMesh工具基于用户定义的控制体积（通常为六面体）来生成网格。用户需要在constant/polyMesh目录下创建一个blockMeshDict文件，其中包含网格的定义信息，如边界、内部点和边界的定义。4.1.2内容blockMeshDict文件示例/**-C++-**\

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

|\\/Field|OpenFOAM:TheOpenSourceCFDToolbox|

|\\/Operation|Version:4.1|

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

|\\/Manipulation||

\**/

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classdictionary;

objectblockMeshDict;

}

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

convertToMeters1;

vertices

(

(000)//point1

(0.100)//point2

(0.10.10)//point3

(00.10)//point4

(000.1)//point5

(0.100.1)//point6

(0.10.10.1)//point7

(00.10.1)//point8

);

blocks

(

hex(12345678)(101010)simpleGrading(111)

);

edges

(

);

boundary

(

inlet

{

typepatch;

faces

(

(1234)

);

}

outlet

{

typepatch;

faces

(

(5678)

);

}

walls

{

typewall;

faces

(

(1265)

(2376)

(3487)

(4158)

);

}

);

//*************************************************************************//解释FoamFile：这是OpenFOAM文件的通用头部，定义了文件的版本、格式、类型和名称。convertToMeters：定义了模型的单位，这里设置为1，意味着模型的尺寸是以米为单位。vertices：定义了网格的顶点坐标。blocks：定义了网格的结构，这里是一个六面体块，由8个顶点组成，每个方向的网格数为10，简单分级为1。edges：定义了非线性边，此例中没有非线性边。boundary：定义了边界条件，包括入口（inlet）、出口（outlet）和壁面（walls）。4.1.3运行blockMesh在终端中，可以使用以下命令来运行blockMesh：blockMesh这将根据blockMeshDict文件生成网格。4.2边界条件与初始条件设定在OpenFOAM中，边界条件和初始条件的设定对于燃烧仿真至关重要，它们直接影响仿真结果的准确性和可信度。4.2.1原理边界条件描述了流体在边界上的行为，如速度、压力、温度和化学组分。初始条件则是仿真开始时的流体状态。4.2.2内容目录下的条件文件在OpenFOAM的案例目录中，0目录用于存储初始条件。每个物理量（如U（速度）、p（压力）、T（温度）和Y（化学组分））都有一个对应的文件。示例：U（速度）/**-C++-**\

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

|\\/Field|OpenFOAM:TheOpenSourceCFDToolbox|

|\\/Operation|Version:4.1|

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

|\\/Manipulation||

\**/

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classvolVectorField;

objectU;

}

//TimeIndex0

dimensions[01-10000];

internalFielduniform(100);

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(100);

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typenoSlip;

}

//*************************************************************************//解释FoamFile：文件头部，定义了文件的版本、格式、类型和名称。dimensions：定义了物理量的量纲。internalField：定义了内部场的初始条件，这里设置为均匀的（100）。boundaryField：定义了边界条件，入口（inlet）设置为固定值（100），出口（outlet）设置为零梯度，壁面（walls）设置为无滑移。示例：T（温度）/**-C++-**\

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

|\\/Field|OpenFOAM:TheOpenSourceCFDToolbox|

|\\/Operation|Version:4.1|

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

|\\/Manipulation||

\**/

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classvolScalarField;

objectT;

}

//TimeIndex0

dimensions[0001000];

internalFielduniform300;

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform300;

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typefixedValue;

valueuniform300;

}

//*************************************************************************//解释FoamFile：文件头部，定义了文件的版本、格式、类型和名称。dimensions：定义了温度的量纲。internalField：定义了内部场的初始温度，这里设置为300K。boundaryField：定义了边界条件，入口（inlet）、壁面（walls）设置为固定值300K，出口（outlet）设置为零梯度。通过这些步骤，可以为发动机燃烧仿真准备一个基本的网格和初始边界条件。接下来，可以使用OpenFOAM的求解器进行仿真，如simpleFoam或rhoCentralFoam，具体取决于仿真类型（稳态或瞬态）和流体性质（不可压缩或可压缩）。5OpenFOAM燃烧仿真流程5.1选择合适的燃烧模型在进行发动机燃烧仿真时，选择正确的燃烧模型至关重要。OpenFOAM提供了多种燃烧模型，包括但不限于：层流燃烧模型（Laminar）湍流燃烧模型（Turbulent）PDF燃烧模型（ProbabilityDensityFunction）EDC燃烧模型（EddyDissipationConcept）5.1.1层流燃烧模型示例层流燃烧模型适用于低速、无湍流的燃烧过程。在OpenFOAM中，可以使用reactingFoam求解器，其配置文件constant/reactProperties中定义燃烧模型。以下是一个简单的层流燃烧模型配置示例：#constant/reactProperties文件示例

thermodynamics

{

mixture"gaseousMixture";

transport"const";

thermoType

{

type"hePsiThermo";

mixture"gaseousMixture";

transport"const";

thermo"H2O2";

equationOfState"perfectGas";

specie

{

nMoles1.0;

molWeight34.01468;

}

energyType"sensibleInternalEnergy";

};

chemistryType"laminar";

chemistry"H2O2";

}5.1.2湍流燃烧模型示例湍流燃烧模型适用于高速、有湍流的燃烧过程。在OpenFOAM中，可以使用sprayFoam求解器，其配置文件constant/turbulenceProperties中定义湍流模型。以下是一个使用kEpsilon湍流模型的示例：#constant/turbulenceProperties文件示例

simulationTypeRAS;

RAS

{

RASModelkEpsilon;

turbulencekineticEnergy;

epsilonRateepsilonRate;

}5.2设置求解器参数在OpenFOAM中，求解器参数的设置直接影响仿真结果的准确性和计算效率。主要参数设置在system/fvSolution和system/fvSchemes文件中。5.2.1fvSolution参数示例fvSolution文件用于控制求解器的迭代过程和求解策略。以下是一个示例，展示了如何设置时间步长和求解器的迭代控制：#system/fvSolution文件示例

solvers

{

solverPCG;

preconditionerGAMG;

tolerance1e-06;

relTol0.05;

}

{

solversmoothSolver;

smootherGaussSeidel;

nSweeps2;

}

{

solversmoothSolver;

smootherGaussSeidel;

nSweeps2;

}

epsilon

{

solversmoothSolver;

smootherGaussSeidel;

nSweeps2;

}

PISO

{

nCorrectors2;

nNonOrthogonalCorrectors0;

pRefCell0;

pRefValue0;

}

timeControl

{

startTime0;

endTime1;

deltaT0.001;

writeInterval100;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

}5.2.2fvSchemes参数示例fvSchemes文件用于定义数值离散方案，这些方案影响求解器如何处理方程中的各项。以下是一个示例，展示了如何设置离散方案：#system/fvSchemes文件示例

ddtSchemes

{

defaultEuler;

}

gradSchemes

{

defaultGausslinear;

}

divSchemes

{

defaultnone;

div(phi,U)Gaussupwind;

div(phi,k)Gaussupwind;

div(phi,epsilon)Gaussupwind;

}

laplacianSchemes

{

defaultnone;

laplacian(nuEff,U)Gausslinearcorrected;

laplacian((1|A(U)),p)Gausslinearcorrected;

}

interpolationSchemes

{

defaultlinear;

}

snGradSchemes

{

defaultcorrected;

}

fluxRequired

{

defaultno;

}5.2.3数据样例为了运行上述配置，需要准备初始条件和边界条件数据。以下是一个简单的初始条件设置示例，存储在0目录下：#0/U文件示例

(

(000)

)

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(100);

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typefixedValue;

valueuniform(000);

}

}以上示例展示了如何在OpenFOAM中设置层流和湍流燃烧模型，以及如何配置求解器参数。通过这些设置，可以进行发动机燃烧的仿真分析，但实际应用中可能需要根据具体问题调整模型和参数。6燃烧仿真后处理6.1结果可视化在燃烧仿真中，结果可视化是理解仿真输出的关键步骤。它不仅帮助我们直观地看到燃烧过程中的物理现象，如温度分布、压力变化、燃料与空气混合情况，还能揭示流场的动态特性。OpenFOAM提供了多种工具和方法来实现这一目标。6.1.1ParaViewParaView是一个广泛使用的开源可视化工具，能够处理OpenFOAM生成的多种数据格式。下面是一个使用ParaView查看OpenFOAM仿真结果的示例：导出数据在OpenFOAM中，可以使用foamToVTK命令将仿真结果转换为VTK格式，这是ParaView能够读取的格式之一。foamToVTK-case<your_simulation_directory>加载数据打开ParaView，选择“文件”>“打开”，然后选择在上一步中生成的VTK文件。可视化设置在ParaView中，可以使用多种可视化技术，如等值面、矢量箭头、流线等，来展示仿真结果。例如，要查看温度分布，可以在“管道浏览器”中选择数据集，然后在“属性”面板中添加“切片”过滤器，设置切片平面和显示的变量为温度。6.1.2OpenFOAM自带的可视化工具OpenFOAM自带的paraFoam工具可以直接在OpenFOAM环境中启动ParaView，简化了数据转换和加载的过程。paraFoam-case<your_simulation_directory>此外，gnuplot和matplotlib等工具也可以用于简单的2D数据可视化，适用于查看时间序列数据或特定截面的温度、压力分布。6.2数据分析与解释燃烧仿真的数据分析通常涉及对温度、压力、燃料浓度、燃烧速率等关键参数的统计和趋势分析。OpenFOAM提供了强大的后处理工具，如postProcess和sample，用于提取和分析仿真数据。6.2.1使用postProcesspostProcess是一个通用的后处理工具，可以用于提取时间平均值、统计量等。下面是一个示例，展示如何使用postProcess来计算温度的时间平均值：创建postProcessing字典在constant目录下创建postProcessing子目录，并在其中创建一个字典文件，例如timeAverage，定义要计算的时间平均值。cd<your_simulation_directory>/constant/postProcessingtimeAverage

{

typetimeAverage;

libs("libpostProcessingFunctionObjects.so");

writeControltimeStep;

writeInterval1;

fields(T);

}运行postProcess使用以下命令运行postProcess，它将根据定义的字典文件提取和计算数据。postProcess-functimeAverage6.2.2使用samplesample工具用于从仿真结果中提取特定路径或平面的数据。例如，要从燃烧室中心线提取温度数据，可以创建一个sampleDict文件，并定义采样路径。创建sampleDict在system目录下创建sampleDict文件，定义采样路径和要提取的变量。cd<your_simulation_directory>/systemsampleDict

{

interpolationSchemecellPoint;

setFormatraw;

sets

{

centerLine

{

typeuniform;

axisy;

start(000);

end(010);

nPoints100;

}

};

fields(T);

}运行sample使用以下命令运行sample，它将根据定义的路径提取温度数据。sample-dictsampleDict6.2.3数据解释提取的数据需要进一步分析和解释。例如，温度的时间平均值可以帮助我们理解燃烧过程的稳定性，而中心线的温度分布则可以揭示燃烧室内的热力分布情况。使用matplotlib等Python库可以进行更深入的数据分析和可视化。importmatplotlib.pyplotasplt

importnumpyasnp

#加载数据

data=np.loadtxt('postProcessing/timeAverage/0/T.xy')

#数据可视化

plt.figure()

plt.plot(data[:,0],data[:,1],label='Temperature')

plt.xlabel('Position')

plt.ylabel('Temperature[K]')

plt.title('TemperatureDistributionAlongtheCenterLine')

plt.legend()

plt.show()通过上述步骤，我们可以有效地进行燃烧仿真的后处理，包括结果的可视化和数据分析，从而深入理解燃烧过程的物理特性。7OpenFOAM高级燃烧仿真技巧7.1多相流仿真7.1.1原理与内容多相流仿真在发动机燃烧领域至关重要，它涉及到液体燃料的喷射、雾化、蒸发以及与气体混合物的相互作用。OpenFOAM提供了多种模型来处理多相流问题，包括欧拉-欧拉模型、拉格朗日模型和VOF（VolumeofFluid）模型。在发动机燃烧仿真中，VOF模型因其能够准确追踪界面而被广泛使用。VOF模型VOF模型基于连续方程和动量方程，通过引入体积分数（VolumeFraction）来追踪不同相之间的界面。体积分数定义为某一相在单元格中所占的体积比例，范围从0到1。在OpenFOAM中，interFoam是一个常用的VOF求解器，适用于不可压缩两相流问题。示例代码与数据样例下面是一个使用interFoam进行多相流仿真的简单示例。假设我们有一个水和空气的混合系统，水的密度为1000kg/m^3，空气的密度为1.225kg/m^3。#创建案例目录

mkdirmultiPhaseCase

cdmultiPhaseCase

blockMeshDict>system/blockMeshDictsystem/blockMeshDict文件内容如下：//*************************************************************************//

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classdictionary;

objectblockMeshDict;

}

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

convertToMeters1;

vertices

(

(000)

(100)

(110)

(010)

(000.1)

(100.1)

(110.1)

(010.1)

);

blocks

(

hex(01234567)(10101)simpleGrading(111)

);

edges

(

);

boundary

(

inlet

{

typepatch;

faces

(

(0154)

);

}

outlet

{

typepatch;

faces

(

(2376)

);

}

walls

{

typewall;

faces

(

(1265)

(0473)

);

}

frontAndBack

{

typeempty;

faces

(

(0374)

(1265)

);

}

);

mergePatchPairs

(

);

//*************************************************************************//接下来，定义0目录中的初始条件：alpha.water>0/alpha.water

U>0/U

p>0/p0/alpha.water文件内容如下：//*************************************************************************//

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classvolScalarField;

objectalpha.water;

}

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

dimensions[0000000];

internalFieldnonuniformList<scalar>

(

0.0

#案例研究：OpenFOAM在实际发动机燃烧仿真中的应用

##柴油发动机燃烧仿真

###原理与内容

柴油发动机的燃烧过程主要通过喷油、混合、自燃和燃烧四个阶段来描述。OpenFOAM作为一款开源的CFD（计算流体动力学）软件，提供了强大的工具来模拟这些过程，特别是通过其专门的燃烧模型和喷雾模型。在柴油发动机燃烧仿真中，OpenFOAM可以模拟燃料喷射、燃料与空气的混合、化学反应动力学以及燃烧过程中的热力学和流体力学现象。

####燃烧模型

OpenFOAM支持多种燃烧模型，包括：

-**EddyDissipationModel(EDM)**：适用于湍流燃烧，假设燃料和氧化剂在湍流尺度上迅速混合并燃烧。

-**EddyDissipationConcept(EDC)**：改进的EDM，考虑了燃料颗粒的蒸发和扩散。

-**ProgressVariableModel(PVM)**：基于反应进度变量的模型，适用于预混和非预混燃烧。

####喷雾模型

-**LagrangianParticleTracking(LPT)**：跟踪燃料颗粒的运动，考虑了颗粒的蒸发、破碎和燃烧。

-**SprayAtomizationModels**：如KIVA-3V模型，用于模拟燃料喷射过程中的雾化。

###示例：柴油发动机燃烧仿真设置

假设我们正在设置一个柴油发动机的燃烧仿真，使用OpenFOAM的`icoFoam`作为基本求解器，并添加燃烧和喷雾模型。以下是一个简化的案例设置：

####1.案例目录结构

```markdown

-case

-0

-p

-U

-k

-epsilon

-alpha

-Y

-constant

-polyMesh

-transportProperties

-thermophysicalProperties

-sprayProperties

-system

-controlDict

-fvSchemes

-fvSolution

-sprayProperties控制字典（controlDict）//controlDict

applicationicoFoam;

startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime1000;

deltaT1e-6;

writeControltimeStep;

writeInterval100;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

runTimeModifiabletrue;运输属性（transportProperties）//transportProperties

transportModelNewtonian;

nu1.5e-5;

rho1.225;热物理属性（thermophysicalProperties）//thermophysicalProperties

thermoModelhePsiThermo;

psi1.0;

thermohPolynomial;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

mixture2;

mixtures

(

air

{

species

(

O20.233

N20.767

);

thermodynamics

{

CpCoeffs

(

1004.5

);

HfCoeffs

(

);

};

}

diesel

{

species

(

C12H261.0

);

thermodynamics

{

CpCoeffs

(

2100

);

HfCoeffs

(

-47000

);

};

}

);喷雾属性（sprayProperties）//sprayProperties

sprayModelLagrangian;

evaporationModelconstant;

breakupModelnone;求解器设置（fvSolution）//fvSolution

solvers

(

{

solverGAMG;

smootherGaussSeidel;

tolerance1e-06;

relTol0.01;

}

{

solversmoothSolver;

smootherGaussSeidel;

tolerance1e-06;

relTol0.01;

}

);7.1.2运行仿真在设置好所有必要的文件后，可以通过以下命令运行仿真：cd/path/to/case

blockMesh

icoFoam7.2汽油发动机燃烧仿真7.2.1原理与内容汽油发动机的燃烧过程通常涉及火花点火，与柴油发动机相比，汽油发动机的燃烧过程更依赖于预混燃烧。OpenFOAM通过其预混燃烧模型和点火模型来模拟汽油发动机的燃烧过程。燃烧模型ProgressVariableModel(PVM)：适用于预混燃烧，通过反应进度变量来跟踪燃烧过程。Flamele

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燃烧仿真软件：OpenFOAM在发动机燃烧仿真中的应用

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