燃烧仿真技术教程：燃烧与材料科学中的辐射模型

燃烧仿真技术教程：燃烧与材料科学中的辐射模型1燃烧仿真基础1.1燃烧过程简介燃烧是一种复杂的化学反应过程，涉及到燃料与氧化剂（通常是空气中的氧气）的快速氧化反应，产生热能和光能。在燃烧仿真中，我们关注的是燃烧的热力学、流体力学和化学动力学特性。燃烧过程可以分为几个关键阶段：燃料的蒸发或分解：固体或液体燃料在燃烧前需要先蒸发或分解成气体状态。混合：燃料与氧化剂混合，形成可燃混合物。点火：通过外部能量（如火花或高温）引发燃烧反应。燃烧反应：燃料与氧化剂发生化学反应，释放能量。火焰传播：燃烧反应在混合物中传播，形成火焰。热辐射：燃烧过程中产生的热量通过辐射方式传递。1.1.1示例：燃烧反应方程式假设我们模拟甲烷（CH4）在空气中燃烧的过程，其化学反应方程式如下：CH4+2O2->CO2+2H2O在仿真软件中，我们可以通过定义化学反应模型来模拟这一过程。例如，在OpenFOAM中，可以使用chemReactingIncompressibleFoam求解器，该求解器支持化学反应的模拟。1.2燃烧仿真软件概述燃烧仿真软件是用于模拟燃烧过程的工具，它们基于数值方法，如有限体积法，来求解控制燃烧过程的物理和化学方程。常见的燃烧仿真软件包括：OpenFOAM：一个开源的CFD（计算流体动力学）软件包，支持复杂的燃烧模型。ANSYSFluent：一个商业CFD软件，广泛用于工业燃烧仿真。STAR-CCM+：另一个商业CFD软件，具有强大的燃烧和辐射模型。这些软件通常提供图形用户界面，用于设置仿真参数，如网格、边界条件、材料属性和化学反应模型。它们还提供后处理工具，用于分析和可视化仿真结果。1.2.1示例：OpenFOAM中的燃烧仿真设置在OpenFOAM中设置燃烧仿真，首先需要定义燃料和氧化剂的物理和化学属性。以下是一个简单的示例，展示如何在constant/thermophysicalProperties文件中定义甲烷和空气的属性：//constant/thermophysicalProperties

thermoType

{

typehePsiThermo;

mixturereactingMixture;

transportconst;

thermohConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

mixture

{

specie

{

species(CH4O2N2CO2H2O);

}

thermodynamics

{

path$FOAM_RUN/tutorials/combustion/chemReactingIncompressibleFoam/2DJetFlame/constant/thermodynamics;

}

transport

{

path$FOAM_RUN/tutorials/combustion/chemReactingIncompressibleFoam/2DJetFlame/constant/transport;

}

chemistry

{

solverchemKin;

tolerance1e-06;

chemistryModelconstant;

chemistryData

{

path$FOAM_RUN/tutorials/combustion/chemReactingIncompressibleFoam/2DJetFlame/constant/chemistryData;

}

}

}1.3网格生成与边界条件设置网格生成是燃烧仿真中的关键步骤，它决定了计算的精度和效率。网格可以是结构化的（如矩形网格）或非结构化的（如三角形或四面体网格）。边界条件则定义了仿真域的边缘如何与外部环境交互。1.3.1示例：使用Gmsh生成网格Gmsh是一个开源的有限元网格生成器，可以用于生成燃烧仿真的网格。以下是一个使用Gmsh生成2D燃烧室网格的简单示例：#Gmshscriptforgeneratinga2Dcombustionchambermesh

lc=0.1;//Characteristiclengthformeshsize

Point(1)={0,0,0,lc};

Point(2)={1,0,0,lc};

Point(3)={1,1,0,lc};

Point(4)={0,1,0,lc};

Line(1)={1,2};

Line(2)={2,3};

Line(3)={3,4};

Line(4)={4,1};

LineLoop(1)={1,2,3,4};

PlaneSurface(1)={1};

PhysicalSurface("combustionChamber")={1};

PhysicalLine("inlet")={1};

PhysicalLine("outlet")={3};

PhysicalLine("walls")={2,4};在OpenFOAM中，可以使用gmshToFoam工具将Gmsh生成的网格转换为OpenFOAM格式。1.3.2设置边界条件边界条件的设置对于准确模拟燃烧过程至关重要。常见的边界条件包括：入口：定义燃料和氧化剂的流入条件。出口：定义燃烧产物的流出条件。壁面：定义燃烧室壁面的热传递和反射条件。在OpenFOAM中，边界条件通常在0目录下的各个变量文件中定义。例如，U文件定义了速度边界条件，p文件定义了压力边界条件。//0/U

dimensions[01-10000];

internalFielduniform(000);

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(100);//Inletvelocity

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typenoSlip;

}

}//0/p

dimensions[1-1-20000];

internalFielduniform0;

boundaryField

{

inlet

{

typezeroGradient;

}

outlet

{

typefixedValue;

valueuniform0;//Atmosphericpressure

}

walls

{

typezeroGradient;

}

}通过这些设置，我们可以开始进行燃烧仿真的计算，分析燃烧过程中的流场、温度分布和化学反应等关键参数。2辐射模型理论2.1辐射传热基本原理辐射传热是热能通过电磁波的形式在真空中或透明介质中传递的过程。在燃烧仿真中，辐射传热是重要的热传递机制之一，尤其是在高温环境下，其作用可能超过对流和传导。辐射传热的基本原理涉及黑体辐射、斯特藩-玻尔兹曼定律、普朗克定律以及兰贝特定律等。2.1.1斯特藩-玻尔兹曼定律斯特藩-玻尔兹曼定律描述了黑体辐射的总能量与温度的关系。定律公式如下：E其中，E是单位面积单位时间内辐射的能量，σ是斯特藩-玻尔兹曼常数，T是黑体的绝对温度。2.1.2普朗克定律普朗克定律描述了黑体在特定温度下，单位面积单位时间内辐射的能量与波长的关系。定律公式如下：B其中，Bλ,T是单位面积单位时间内在波长λ处辐射的能量，h是普朗克常数，c是光速，k是玻尔兹曼常数，2.1.3兰贝特定律兰贝特定律描述了黑体辐射强度与发射方向的关系。它指出，黑体辐射强度与发射方向的余弦成正比。2.2蒙特卡洛辐射模型蒙特卡洛辐射模型是一种基于概率统计的辐射传热计算方法。它通过模拟大量光子的路径，来估算辐射能量的分布。这种方法特别适用于处理复杂几何形状和多介质的辐射传热问题。2.2.1原理蒙特卡洛模型首先生成一个光子的初始位置和方向，然后根据介质的光学性质（如吸收系数、散射系数和折射率）来模拟光子在介质中的传播、散射和吸收过程。通过统计大量光子的路径和能量分布，可以得到辐射传热的平均效果。2.2.2示例假设我们有一个简单的二维燃烧室模型，其中包含一个热源和一个观察点。我们将使用蒙特卡洛方法来估算观察点接收到的辐射能量。importnumpyasnp

#定义常数

N_PHOTONS=1000000

SOURCE_TEMP=1000#热源温度，单位：K

SOURCE_AREA=1.0#热源面积，单位：m^2

OBSERVER_AREA=0.01#观察点接收面积，单位：m^2

DISTANCE=1.0#热源到观察点的距离，单位：m

SIGMA=5.67e-8#斯特藩-玻尔兹曼常数，单位：W/m^2K^4

#计算热源的辐射能量

source_radiation=SIGMA*SOURCE_TEMP**4*SOURCE_AREA

#初始化接收能量

observer_radiation=0.0

#蒙特卡洛模拟

for_inrange(N_PHOTONS):

#生成随机方向

theta=np.random.uniform(0,np.pi)

phi=np.random.uniform(0,2*np.pi)

#计算光子到达观察点的概率

ifnp.cos(theta)>0andnp.cos(theta)<DISTANCE/np.sqrt(DISTANCE**2+OBSERVER_AREA/np.pi):

observer_radiation+=source_radiation/N_PHOTONS

#输出观察点接收到的平均辐射能量

print("Observerreceivesradiation:{:.2f}W".format(observer_radiation))2.2.3解释在这个示例中，我们首先定义了蒙特卡洛模拟的参数，包括光子数量、热源温度、热源面积、观察点接收面积和热源到观察点的距离。然后，我们使用斯特藩-玻尔兹曼定律计算了热源的辐射能量。接下来，我们通过蒙特卡洛模拟来估算观察点接收到的辐射能量。在每次迭代中，我们生成一个随机方向，并计算光子到达观察点的概率。如果光子能够到达观察点，我们将其辐射能量累加到观察点的接收能量中。最后，我们输出观察点接收到的平均辐射能量。2.3离散坐标法(DO法)离散坐标法（DO法）是一种将辐射传热问题转化为一系列一维问题的数值方法。它通过将辐射强度在空间中离散化，来简化辐射传热的计算。2.3.1原理DO法首先将辐射强度在空间中离散化，即在不同的方向上取样。然后，它使用有限差分或有限元方法来求解每个方向上的辐射传热方程。最后，通过积分或求和，得到总的辐射能量。2.3.2示例假设我们有一个简单的二维燃烧室模型，其中包含一个热源和一个观察点。我们将使用DO法来估算观察点接收到的辐射能量。importnumpyasnp

#定义常数

N_DIRECTIONS=100

SOURCE_TEMP=1000#热源温度，单位：K

SOURCE_AREA=1.0#热源面积，单位：m^2

OBSERVER_AREA=0.01#观察点接收面积，单位：m^2

DISTANCE=1.0#热源到观察点的距离，单位：m

SIGMA=5.67e-8#斯特藩-玻尔兹曼常数，单位：W/m^2K^4

#定义方向

directions=np.linspace(0,2*np.pi,N_DIRECTIONS,endpoint=False)

#计算热源的辐射能量

source_radiation=SIGMA*SOURCE_TEMP**4*SOURCE_AREA

#初始化接收能量

observer_radiation=0.0

#DO法模拟

fordirectionindirections:

#计算光子到达观察点的概率

ifnp.cos(direction)>0andnp.cos(direction)<DISTANCE/np.sqrt(DISTANCE**2+OBSERVER_AREA/np.pi):

observer_radiation+=source_radiation/N_DIRECTIONS

#输出观察点接收到的平均辐射能量

print("Observerreceivesradiation:{:.2f}W".format(observer_radiation))2.3.3解释在这个示例中，我们首先定义了DO法的参数，包括方向数量、热源温度、热源面积、观察点接收面积和热源到观察点的距离。然后，我们使用斯特藩-玻尔兹曼定律计算了热源的辐射能量。接下来，我们通过DO法来估算观察点接收到的辐射能量。在每个方向上，我们计算光子到达观察点的概率，并将其辐射能量累加到观察点的接收能量中。最后，我们输出观察点接收到的平均辐射能量。需要注意的是，DO法的精度取决于方向数量。方向数量越多，计算结果越准确，但计算成本也越高。在实际应用中，需要根据问题的复杂性和计算资源来选择合适的方向数量。3材料科学与燃烧3.1材料的热物理性质在燃烧仿真中，材料的热物理性质是关键参数，直接影响燃烧过程的模拟准确性。这些性质包括：热导率（ThermalConductivity）：材料传导热量的能力。热导率高的材料能更快地传递热量，影响燃烧区域的温度分布。比热容（SpecificHeatCapacity）：单位质量材料温度升高1度所需的热量。比热容大的材料在温度变化时能吸收或释放更多的热量。密度（Density）：单位体积材料的质量。密度影响材料的热惯性和燃烧产物的排放。热扩散率（ThermalDiffusivity）：材料内部热量扩散的速度，由热导率、比热容和密度共同决定。3.1.1示例：热导率的计算假设我们有以下材料的热导率数据：材料热导率（W/m·K）铝237钢50木材0.17在仿真软件中，我们可以通过以下方式设置材料的热导率：#设置材料热导率的示例代码

material_properties={

'Aluminum':{'thermal_conductivity':237},

'Steel':{'thermal_conductivity':50},

'Wood':{'thermal_conductivity':0.17}

}

#选择材料并应用热导率

selected_material='Aluminum'

thermal_conductivity=material_properties[selected_material]['thermal_conductivity']

print(f"Thethermalconductivityof{selected_material}is{thermal_conductivity}W/m·K.")3.2材料在燃烧过程中的作用材料在燃烧过程中扮演多种角色，包括：燃料：某些材料本身就是燃料，如木材、塑料等。氧化剂：材料中的氧气可以促进燃烧，如含氧金属化合物。热源：高温材料可以作为热源，引发周围材料的燃烧。热沉：材料可以吸收热量，影响燃烧的持续性和强度。3.2.1示例：材料作为燃料的燃烧反应木材燃烧的化学反应方程式可以表示为：C在仿真中，我们可以通过定义反应速率和产物来模拟这一过程：#木材燃烧反应的示例代码

reaction={

'fuel':'C6H10O5',

'oxidizer':'O2',

'products':{'CO2':6,'H2O':5},

'reaction_rate':0.05#假设的反应速率

}

#模拟燃烧过程

defsimulate_burning(reaction,time):

fuel_consumed=reaction['reaction_rate']*time

products={}

forproduct,quantityinreaction['products'].items():

products[product]=fuel_consumed*quantity

returnproducts

#输出燃烧产物

burning_products=simulate_burning(reaction,10)

print("Burningproductsafter10seconds:",burning_products)3.3燃烧对材料性能的影响燃烧过程可以显著改变材料的性能，包括：强度和硬度：高温下材料的强度和硬度可能降低。热膨胀：材料在受热时会膨胀，可能导致结构变形。相变：高温可以引发材料的相变，如金属的熔化。氧化：材料表面可能形成氧化层，影响其物理和化学性质。3.3.1示例：材料强度随温度变化的模拟假设我们有以下材料强度与温度的关系数据：温度（°C）强度（MPa）20200100180200160300140400120在仿真中，我们可以使用插值方法来模拟材料强度随温度的变化：importnumpyasnp

fromerpolateimportinterp1d

#材料强度与温度的关系数据

temperature=np.array([20,100,200,300,400])

strength=np.array([200,180,160,140,120])

#创建插值函数

strength_interpolator=interp1d(temperature,strength)

#模拟在不同温度下的材料强度

defsimulate_strength(temperature):

returnstrength_interpolator(temperature)

#输出在250°C时的材料强度

print("Materialstrengthat250°C:",simulate_strength(250))通过以上内容，我们深入了解了材料科学与燃烧之间的关系，以及如何在燃烧仿真中准确地表示材料的热物理性质、作用和性能变化。这为更精确的燃烧过程模拟提供了基础。4辐射模型在燃烧仿真中的应用4.1辐射模型的选择与实施在燃烧仿真中，辐射模型的选择至关重要，因为它直接影响到仿真结果的准确性和计算效率。辐射模型主要分为三类：灰体模型、窄带模型和离散坐标模型。4.1.1灰体模型灰体模型假设所有波长的辐射特性相同，适用于辐射特性变化不大的系统。在OpenFOAM中，灰体模型可以通过以下设置实现：radiation

{

QrModelradiation::P1;

sootModelradiation::constantSoot;

absorptionEmissionModelradiation::absorptionEmissionModels::greyDiffusiveViewFactor;

scatterModelnone;

nSamples10;

}4.1.2窄带模型窄带模型将辐射分为几个波长带，每个带内的辐射特性视为常数，适用于辐射特性随波长变化较大的系统。在OpenFOAM中，窄带模型的设置如下：radiation

{

QrModelradiation::P1;

sootModelradiation::constantSoot;

absorptionEmissionModelradiation::absorptionEmissionModels::narrowBandDiffusiveViewFactor;

scatterModelnone;

nSamples10;

bands(0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0);

}4.1.3离散坐标模型离散坐标模型考虑了辐射在不同方向上的差异，适用于需要精确计算辐射方向性的系统。在OpenFOAM中，离散坐标模型的设置如下：radiation

{

QrModelradiation::P1;

sootModelradiation::constantSoot;

absorptionEmissionModelradiation::absorptionEmissionModels::discreteOrdinatesDiffusiveViewFactor;

scatterModelnone;

nSamples10;

nDirections(101010);

}4.2燃烧仿真中的辐射边界条件辐射边界条件在燃烧仿真中用于描述边界上的辐射热交换。常见的辐射边界条件包括固定辐射热流和固定辐射温度。4.2.1固定辐射热流在边界上设定一个固定的辐射热流，适用于边界辐射特性已知的情况。在OpenFOAM中，可以通过以下边界条件设置实现：boundaryField

{

wall

{

typefixedRadiationHeatFlux;

valueuniform1000;

}

}4.2.2固定辐射温度在边界上设定一个固定的辐射温度，适用于边界温度已知的情况。在OpenFOAM中，可以通过以下边界条件设置实现：boundaryField

{

wall

{

typefixedRadiationTemperature;

valueuniform1200;

}

}4.3案例分析：辐射模型在实际燃烧系统中的应用4.3.1案例描述考虑一个工业燃烧炉的仿真，炉内温度高达1500K，炉壁温度为800K。炉内存在大量的烟炱，需要考虑烟炱对辐射的影响。选择使用离散坐标模型进行仿真。4.3.2模型设置在constant/radiationProperties文件中，设置离散坐标模型：radiation

{

QrModelradiation::P1;

sootModelradiation::constantSoot;

absorptionEmissionModelradiation::absorptionEmissionModels::discreteOrdinatesDiffusiveViewFactor;

scatterModelnone;

nSamples10;

nDirections(101010);

}在constant/thermophysicalProperties文件中，设置烟炱的辐射特性：sootProperties

{

sootModelconstantSoot;

absorptionCoefficient0.01;

scatteringCoefficient0;

emissivity0.8;

}4.3.3边界条件设置在constant/polyMesh/boundary文件中，设置炉壁的固定辐射温度边界条件：boundaryField

{

wall

{

typefixedRadiationTemperature;

valueuniform800;

}

}4.3.4仿真结果分析通过离散坐标模型的仿真，可以得到炉内温度分布、烟炱浓度分布以及辐射热流分布。这些结果对于理解燃烧炉内的热交换过程、优化燃烧炉设计具有重要意义。4.3.5代码示例以下是一个使用OpenFOAM进行燃烧仿真时，设置辐射模型和边界条件的代码示例：//radiationProperties

dictionaryradiationProperties

(

IOobject

(

"radiationProperties",

runTime.constant(),

mesh,

IOobject::MUST_READ,

IOobject::NO_WRITE

)

);

radiationProperties.subDict("radiation").lookup("QrModel")>>QrModel;

radiationProperties.subDict("radiation").lookup("sootModel")>>sootModel;

radiationProperties.subDict("radiation").lookup("absorptionEmissionModel")>>absorptionEmissionModel;

radiationProperties.subDict("radiation").lookup("scatterModel")>>scatterModel;

radiationProperties.subDict("radiation").lookup("nSamples")>>nSamples;

radiationProperties.subDict("radiation").lookup("nDirections")>>nDirections;

//thermophysicalProperties

dictionarythermophysicalProperties

(

IOobject

(

"thermophysicalProperties",

runTime.constant(),

mesh,

IOobject::MUST_READ,

IOobject::NO_WRITE

)

);

thermophysicalProperties.subDict("sootProperties").lookup("sootModel")>>sootModel;

thermophysicalProperties.subDict("sootProperties").lookup("absorptionCoefficient")>>absorptionCoefficient;

thermophysicalProperties.subDict("sootProperties").lookup("scatteringCoefficient")>>scatteringCoefficient;

thermophysicalProperties.subDict("sootProperties").lookup("emissivity")>>emissivity;

//boundary

dictionaryboundary

(

IOobject

(

"boundary",

runTime.constant(),

mesh,

IOobject::MUST_READ,

IOobject::NO_WRITE

)

);

boundary.subDict("wall").lookup("type")>>wallType;

boundary.subDict("wall").lookup("value")>>wallValue;通过上述代码，可以读取并设置辐射模型和边界条件，为燃烧仿真提供必要的输入。5高级燃烧仿真技术5.1多相流燃烧仿真5.1.1原理多相流燃烧仿真涉及到气体、液体和固体三相之间的相互作用。在燃烧过程中，燃料可能以液滴形式存在，而燃烧产物则以气体形式扩散。此外，固体颗粒（如煤灰）也可能参与燃烧过程。多相流模型需要考虑相间传质、传热以及动量交换，通常使用欧拉-欧拉方法或拉格朗日方法来描述不同相之间的相互作用。5.1.2内容欧拉-欧拉方法：每一相都被视为连续介质，使用一组独立的连续方程、动量方程和能量方程来描述。相间相互作用通过源项在方程中体现。拉格朗日方法：特别适用于描述液滴或固体颗粒的运动，每一颗粒或液滴被视为独立的物体，其运动轨迹通过求解牛顿第二定律得到。5.1.3示例假设我们使用OpenFOAM进行多相流燃烧仿真，以下是一个简化版的液滴燃烧模型的设置示例：#设置液滴的初始位置和速度

setFields

{

typepatch;

patches(inlet);

fields(Ud);

Uuniform(0,0,0);

duniform0.001;//初始液滴直径

}

#定义液滴和气体的物理属性

thermophysicalProperties

{

phases

{

liquid

{

transportincompressible;

equationOfStateincompressible;

speciesingleSpecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

gas

{

transportcompressible;

equationOfStatecompressible;