燃烧仿真教程：使用OpenFOAM进行预混燃烧与非预混燃烧仿真

燃烧仿真教程：使用OpenFOAM进行预混燃烧与非预混燃烧仿真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，同时伴随着能量的释放。在燃烧过程中，燃料分子与氧化剂分子在适当的条件下（如温度、压力和浓度）相遇并反应，生成新的化学物质，如二氧化碳、水蒸气等，并释放出大量的热能。燃烧可以分为预混燃烧和非预混燃烧两大类。1.1.1预混燃烧预混燃烧发生在燃料和氧化剂在燃烧前已经充分混合的情况下。这种燃烧模式通常在燃烧室中发生，如内燃机和燃气轮机。预混燃烧的特点是燃烧速度快，火焰温度高，但对混合条件要求严格。1.1.2非预混燃烧非预混燃烧则是在燃料和氧化剂没有预先混合的情况下发生的燃烧。这种燃烧模式常见于火焰喷射器和某些工业燃烧器中。非预混燃烧的特点是燃烧过程较为缓慢，火焰结构复杂，但对混合条件的要求相对较低。1.2燃烧方程与模型燃烧的数学描述主要依赖于质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应动力学方程。在OpenFOAM中，这些方程被离散化并求解，以模拟燃烧过程。1.2.1质量守恒方程质量守恒方程描述了系统中质量的总量保持不变。对于多组分系统，每个组分的质量守恒方程可以表示为：\frac{\partial\rhoY_i}{\partialt}+\nabla\cdot(\rhoY_i\mathbf{u})=\nabla\cdot(\Gamma_{mix}\nablaY_i)+S_i其中，ρ是密度，Yi是组分i的质量分数，u是流体速度，Γmi1.2.2动量守恒方程动量守恒方程描述了流体的运动状态，可以表示为：\frac{\partial(\rho\mathbf{u})}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\mathbf{u}\mathbf{u})=-\nablap+\nabla\cdot\tau+\mathbf{f}其中，p是压力，τ是应力张量，f是外力。1.2.3能量守恒方程能量守恒方程描述了系统中能量的转换和守恒，可以表示为：\frac{\partial(\rhoE)}{\partialt}+\nabla\cdot(\rhoE\mathbf{u})=\nabla\cdot(k\nablaT)+\mathbf{u}\cdot\nablap+S_{heat}其中，E是总能量，k是热导率，T是温度，Sh1.2.4化学反应动力学方程化学反应动力学方程描述了化学反应速率和反应物浓度之间的关系。在OpenFOAM中，可以使用不同的化学反应模型，如：详细化学反应模型：考虑所有可能的化学反应路径，适用于研究燃烧机理。简化化学反应模型：减少化学反应路径，提高计算效率，适用于工程应用。EDC模型（EddyDissipationConcept）：用于非预混燃烧，假设湍流涡旋可以迅速混合燃料和氧化剂，从而促进燃烧。1.3OpenFOAM软件介绍OpenFOAM（OpenFieldOperationandManipulation）是一个开源的CFD（ComputationalFluidDynamics）软件包，由OpenCFDLtd.开发和维护。OpenFOAM提供了丰富的物理模型和数值方法，可以用于模拟各种流体动力学和传热问题，包括燃烧仿真。1.3.1OpenFOAM中的燃烧仿真在OpenFOAM中，燃烧仿真可以通过以下步骤进行：定义物理模型：选择合适的燃烧模型，如预混燃烧模型或非预混燃烧模型。设置边界条件：定义入口、出口和壁面的边界条件，包括温度、压力、速度和组分浓度。网格划分：创建计算网格，网格的精细程度直接影响计算的准确性和效率。求解设置：选择求解器，设置求解参数，如时间步长、迭代次数和收敛准则。运行求解器：执行计算，OpenFOAM会根据设定的模型和条件求解燃烧过程。后处理：分析计算结果，可视化流场、温度分布和组分浓度等。1.3.2示例：预混燃烧仿真以下是一个使用OpenFOAM进行预混燃烧仿真的简单示例。我们将使用sonicFoam求解器，这是一个适用于高速流体和燃烧仿真的求解器。1.3.2.1案例设置假设我们有一个简单的预混燃烧案例，燃烧室入口有燃料和空气的混合物，出口为自由边界，壁面为绝热边界。1.3.2.2网格文件网格文件通常保存在constant/polyMesh目录下。这里我们不展示具体的网格文件，但确保网格已经创建并满足计算需求。1.3.2.3物理模型设置在constant/thermophysicalProperties文件中，定义燃料和氧化剂的化学反应模型。例如，使用预混燃烧模型：thermodynamics

{

mixturepureMixture;

speciespecie;

equationOfStateperfectGas;

}

transport

{

typelaminar;

mu1.78e-5;

}

thermophysicalProperties

{

typereactingMixture;

mixturemixture;

transporttransport;

thermothermo;

equationOfStateequationOfState;

speciespecie;

radiationnone;

turbulenceturbulence;

turbulenceModelkOmegaSST;

}

mixture

{

specie

{

nMoles1;

molWeight28.9647;

}

equationOfState

{

rho01.225;

Cp01004.5;

Hf00;

}

transport

{

As6.63e-6;

n0.78;

}

thermo

{

T0300;

Cp1004.5;

Hf0;

}

species

{

fuel

{

specie

{

nMoles1;

molWeight16.04;

}

equationOfState

{

rho01.84;

Cp029.1;

Hf0-50.6;

}

transport

{

As6.63e-6;

n0.78;

}

thermo

{

T0300;

Cp29.1;

Hf-50.6;

}

}

air

{

specie

{

nMoles1;

molWeight28.9647;

}

equationOfState

{

rho01.225;

Cp01004.5;

Hf00;

}

transport

{

As6.63e-6;

n0.78;

}

thermo

{

T0300;

Cp1004.5;

Hf0;

}

}

}

reactions

{

typeoneStep;

nReactions1;

reactionfuel+1.5*O2->CO2+2*H2O;

heatOfReaction-500000;

}

}1.3.2.4求解器设置在system/controlDict文件中，设置求解器参数：applicationsonicFoam;

startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime1;

deltaT0.001;

writeControltimeStep;

writeInterval10;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

graphFormatraw;

runTimeModifiabletrue;1.3.2.5运行求解器在终端中，使用以下命令运行求解器：sonicFoam1.3.2.6后处理使用paraFoam或foamToVTK将计算结果转换为可视化软件（如ParaView）可以读取的格式，进行结果分析和可视化。以上示例展示了如何在OpenFOAM中设置和运行一个预混燃烧仿真案例。实际应用中，可能需要更复杂的网格、更详细的物理模型和更精细的求解参数设置。2预混燃烧仿真2.1预混燃烧原理预混燃烧是指燃料和氧化剂在燃烧前已经充分混合的燃烧过程。这种燃烧方式在燃气轮机、火箭发动机和家用燃气灶等设备中常见。预混燃烧的特点是燃烧速度快，火焰温度高，但同时也容易产生NOx等污染物。在预混燃烧中，火焰锋面的传播速度和稳定性是关键因素，这取决于混合物的化学组成、温度、压力以及流体动力学条件。2.1.1化学反应模型预混燃烧的化学反应模型通常包括：-Arrhenius定律：描述化学反应速率与温度的关系。-详细化学反应机理：如GRI-Mech3.0，包含多种燃料和氧化剂的复杂反应路径。-简化化学反应机理：如乙烷燃烧的简化机理，适用于快速仿真。2.1.2火焰传播模型层流火焰传播：在无湍流影响下，火焰锋面的传播速度由化学反应速率决定。湍流火焰传播：在湍流环境中，火焰锋面的传播速度受到湍流扩散和混合的影响。2.2OpenFOAM预混燃烧案例设置OpenFOAM是一款开源的CFD（计算流体动力学）软件，广泛用于燃烧仿真。预混燃烧案例的设置涉及网格生成、物理模型选择、边界条件设定以及初始条件设定。2.2.1网格生成使用blockMesh工具生成网格。例如，创建一个简单的立方体网格：#$FOAM_RUNblockMesh网格定义文件blockMeshDict位于constant/polyMesh目录下。2.2.2物理模型选择预混燃烧仿真中，需要选择合适的湍流模型和燃烧模型。例如，选择kOmegaSST湍流模型和laminar燃烧模型：#$FOAM_RUNsimpleFoam-case<caseName>-dict<systemDictName>在system/fvSolution和system/fvSchemes中定义求解器和离散方案。2.3边界条件与初始条件设定边界条件和初始条件对于燃烧仿真至关重要，它们定义了燃烧环境的物理状态。2.3.1边界条件入口边界：设定燃料和空气的混合比例、速度和温度。出口边界：通常设定为大气压力或自由出流。壁面边界：设定为绝热或指定热流。2.3.2初始条件温度：预混燃烧的初始温度。压力：系统初始压力。组分浓度：燃料和氧化剂的初始浓度。在0目录下设置初始条件，如温度T、压力p和组分浓度Y。2.4湍流模型选择与应用湍流模型的选择取决于燃烧环境的湍流程度。OpenFOAM提供了多种湍流模型，包括：层流模型：适用于低湍流强度的预混燃烧。k-ε模型：适用于中等湍流强度的燃烧仿真。k-ωSST模型：适用于高湍流强度和近壁面效应的燃烧仿真。2.4.1k-ωSST模型应用在system/turbulenceProperties文件中选择kOmegaSST模型：simulationTypeRAS;

RAS

{

RASModelkOmegaSST;

...

}2.4.2模型参数调整根据具体燃烧环境调整模型参数，如湍流强度和湍流长度尺度。//在system/fvOptions中调整湍流模型参数

turbulence

{

RAS

{

printCoeffsno;

...

}

}通过以上步骤，可以使用OpenFOAM进行预混燃烧的仿真，理解燃烧过程中的物理和化学现象，优化燃烧设备的设计和性能。3非预混燃烧仿真3.1非预混燃烧原理非预混燃烧，也称为扩散燃烧，发生在燃料和氧化剂在燃烧前未充分混合的条件下。这种燃烧模式常见于工业燃烧器、汽车发动机和许多自然火灾中。在非预混燃烧中，燃烧过程由燃料和氧化剂的扩散和混合速率控制，而非化学反应速率。燃烧区域通常由燃料和氧化剂的界面定义，其中火焰锋面沿着燃料和空气的混合边界移动。3.1.1燃烧过程非预混燃烧涉及以下关键过程：-燃料和氧化剂的扩散：燃料和氧化剂通过扩散混合。-化学反应：在混合区域，燃料和氧化剂达到一定比例时，化学反应开始，释放热量。-热传导和对流：释放的热量通过热传导和对流进一步影响周围的混合过程。3.2OpenFOAM非预混燃烧案例设置在OpenFOAM中，非预混燃烧的仿真通常使用reactingMultiphaseFoam或laminarReactingMultiphaseFoam等求解器。这些求解器能够处理多组分、多相流的燃烧问题，特别适用于非预混燃烧的仿真。3.2.1案例文件结构一个典型的非预混燃烧案例在OpenFOAM中的文件结构包括：-0：初始条件和边界条件的设置。-system：包含控制参数、网格信息和物理模型的设置。-constant：包含化学反应机理、燃料和氧化剂的属性等常数信息。3.2.2控制文件在system目录下，controlDict文件用于控制仿真过程，包括时间步长、终止条件等。下面是一个controlDict的示例：//controlDict

applicationreactingMultiphaseFoam;

startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime100;

deltaT0.01;

writeControltimeStep;

writeInterval10;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

runTimeModifiabletrue;3.2.3物理模型设置在system目录下，thermophysicalProperties文件用于定义燃料和氧化剂的物理和化学属性，包括热力学模型、化学反应机理等。下面是一个thermophysicalProperties的示例：//thermophysicalProperties

thermoType

{

typereactingMultiphaseMixture;

mixturemixture;

transportconst;

thermohConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

mixture

{

phases

{

gas

{

typereactingPhase;

transportconst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

thermodynamics

{

molWeight28.9647;

CpCoeffs(1.0000000000000000e+040.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+00);

Hf0.0000000000000000e+00;

}

}

}

species

{

methane

{

molWeight16.0425;

CpCoeffs(1.0000000000000000e+040.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+00);

Hf5.0630000000000000e+04;

}

oxygen

{

molWeight31.9988;

CpCoeffs(1.0000000000000000e+040.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+000.0000000000000000e+00);

Hf0.0000000000000000e+00;

}

}

transport

{

typeconst;

nu1.5e-5;

}

turbulence

{

simulationTypelaminar;

}

chemistry

{

typefiniteRate;

chemistryReaderchemistryReader;

chemistryFilechemistry.dat;

}

}3.2.4化学反应机理导入化学反应机理通常存储在constant目录下的chemistry.dat文件中。这个文件定义了参与燃烧的化学反应和反应速率。下面是一个简单的化学反应机理示例：//chemistry.dat

SPECIES

{

methane;

oxygen;

carbonDioxide;

water;

}

REACTIONS

{

methane+2*oxygen->carbonDioxide+2*water;

rateCoeff

{

A3.87e+26;

b-0.78;

Ea62.0;

}

}3.3燃料与氧化剂混合模型在非预混燃烧中，燃料和氧化剂的混合模型至关重要。OpenFOAM提供了多种混合模型，包括：-湍流扩散模型：适用于湍流条件下的燃烧。-层流扩散模型：适用于层流条件下的燃烧。3.3.1湍流扩散模型湍流扩散模型考虑了湍流对混合过程的影响。在thermophysicalProperties文件中，通过设置simulationType为RAS或LES来启用湍流模型。3.3.2层流扩散模型层流扩散模型假设混合过程仅由分子扩散控制。在thermophysicalProperties文件中，通过设置simulationType为laminar来启用层流模型。3.4结论通过上述设置，可以使用OpenFOAM进行非预混燃烧的仿真。理解非预混燃烧的原理、正确设置案例文件和选择合适的混合模型是成功仿真的关键。在实际应用中，可能需要更复杂的化学反应机理和更精细的网格设置来获得准确的结果。4仿真结果分析4.1OpenFOAM输出数据解读在OpenFOAM中，燃烧仿真的输出数据通常包含在postProcessing目录下的多个子目录中，这些数据对于理解燃烧过程至关重要。OpenFOAM会生成各种类型的文件，包括但不限于：标量场（ScalarFields）：如温度（T）、压力（p）等。向量场（VectorFields）：如速度（U）。张量场（TensorFields）：如应力张量。混合物分数（MixtureFraction）：对于非预混燃烧。反应速率（ReactionRates）：对于预混燃烧。4.1.1示例：读取温度数据假设我们有一个OpenFOAM仿真结果，其中包含温度数据。我们可以使用Python的numpy和matplotlib库来读取和可视化这些数据。importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#读取OpenFOAM输出的温度数据

withopen('postProcessing/sets/0/T','r')asfile:

data=file.readlines()

#解析数据

temperature=[]

forlineindata:

ifline.startswith('('):

temp=line.strip('()').split()

temperature.append(float(temp[0]))

#转换为numpy数组

temperature=np.array(temperature)

#可视化温度数据

plt.figure()

plt.plot(temperature)

plt.title('温度分布')

plt.xlabel('位置')

plt.ylabel('温度(K)')

plt.show()4.2燃烧效率与污染物生成分析燃烧效率和污染物生成是评估燃烧过程性能的关键指标。OpenFOAM提供了多种方法来计算这些指标，包括：燃烧效率：通常通过计算燃料消耗率与理论最大消耗率的比值来评估。污染物生成：如NOx、CO、未燃烧碳氢化合物（UHC）等，通过反应机理模型计算。4.2.1示例：计算燃烧效率在预混燃烧中，燃烧效率可以通过分析燃料消耗率来计算。以下是一个简单的示例，展示如何从OpenFOAM输出中提取燃料消耗率数据，并计算燃烧效率。#假设燃料消耗率数据存储在文件`postProcessing/sets/0/omega`中

withopen('postProcessing/sets/0/omega','r')asfile:

omega_data=file.readlines()

#解析燃料消耗率数据

omega=[]

forlineinomega_data:

ifline.startswith('('):

rate=line.strip('()').split()

omega.append(float(rate[0]))

#转换为numpy数组

omega=np.array(omega)

#计算燃烧效率

#假设理论最大消耗率为omega_max

omega_max=1.0#示例值，实际应用中应根据具体燃烧条件确定

efficiency=np.sum(omega)/(omega_max*len(omega))

print(f'燃烧效率:{efficiency}')4.3结果可视化技术OpenFOAM仿真结果的可视化是理解和分析燃烧过程的重要工具。常用的可视化软件包括ParaView和FOAM-EXTEND的foamToVTK工具，它们可以将OpenFOAM的原始数据转换为更易于处理的格式。4.3.1示例：使用foamToVTK转换数据假设我们想要将OpenFOAM的仿真结果转换为VTK格式，以便在ParaView中进行可视化。以下是一个使用foamToVTK工具的示例命令：foamToVTK-case<your_simulation_directory>转换后，可以使用ParaView打开生成的VTK文件，进行详细的后处理分析，包括切片、等值面、流线等。4.3.2示例：在ParaView中分析温度等值面打开ParaView，选择File>Open，然后选择转换后的VTK文件。在Pipeline中，选择你的数据集，然后添加Contour过滤器。在Contour属性中，选择T作为ContourBy，并设置你想要显示的温度等值面值。点击Apply，然后在RenderView中查看结果。通过上述步骤，你可以清晰地看到燃烧区域的温度分布，这对于理解燃烧过程的热力学行为非常有帮助。以上内容提供了OpenFOAM燃烧仿真结果分析的基本框架，包括数据解读、关键指标计算和结果可视化。通过这些步骤，可以深入理解燃烧过程的物理和化学特性，为优化燃烧系统设计提供数据支持。5高级燃烧仿真技巧5.1并行计算与OpenFOAM在燃烧仿真中，处理大规模计算域或高精度模型时，单个处理器的计算能力往往不足以在合理时间内完成仿真。OpenFOAM提供了强大的并行计算功能，通过分解计算域并在多个处理器上同时运行，显著加速仿真过程。5.1.1原理并行计算基于域分解方法（DomainDecompositionMethod,DDM），将计算域分割成多个子域，每个子域由一个或多个处理器处理。OpenFOAM使用ParallelVirtualMachine(PVM)和MessagePassingInterface(MPI)来实现并行计算，确保数据在不同处理器间高效传输。5.1.2内容使用blockMesh生成并行计算网格：blockMe