ANSYS Fluent燃燒仿真高級技巧：自定義模型教程

ANSYSFluent燃燒仿真高級技巧：自定義模型教程1燃燒仿真基礎1.1燃燒理論簡介燃燒是一種復雜的物理化學過程，涉及到燃料與氧化劑的化學反應，產(chǎn)生熱能和光能。在燃燒過程中，燃料分子與氧氣分子在適當?shù)臈l件下（如溫度、壓力和濃度）發(fā)生反應，生成二氧化碳、水蒸氣和其他副產(chǎn)品。燃燒理論主要研究燃燒的機理、動力學、熱力學和流體力學特性，以及如何控制和優(yōu)化燃燒過程。1.1.1燃燒的類型擴散燃燒：燃料和氧化劑在混合前是分開的，燃燒發(fā)生在它們混合的界面。預混燃燒：燃料和氧化劑在燃燒前已經(jīng)充分混合，燃燒速度由化學反應速率決定。層流燃燒：在低流速和低湍流條件下，燃燒過程是層流的，火焰?zhèn)鞑ニ俣确€(wěn)定。湍流燃燒：在高流速和高湍流條件下，燃燒過程是湍流的，火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵适艿酵牧鞯挠绊憽?.1.2燃燒模型燃燒模型用于描述燃燒過程中的化學反應和物理現(xiàn)象。常見的燃燒模型包括：EDC模型（EddyDissipationConcept）：適用于預混和非預混燃燒，考慮了湍流對燃燒的影響。PDF模型（ProbabilityDensityFunction）：基于概率密度函數(shù)，適用于非預混燃燒，能夠處理燃料和氧化劑的不均勻分布。PFR模型（PerfectlyStirredReactor）：適用于預混燃燒，假設反應器內完全混合，適用于研究化學反應動力學。1.2ANSYSFluent軟件概覽ANSYSFluent是一款廣泛應用于流體動力學、傳熱和燃燒仿真領域的軟件。它基于有限體積法，能夠解決復雜的多物理場問題，包括湍流、化學反應、輻射和多相流等。Fluent提供了豐富的物理模型和數(shù)值方法，適用于從航空航天到能源、化工和汽車等各個行業(yè)。1.2.1主要功能湍流模型：包括k-ε、k-ω、RNGk-ε等模型，用于模擬湍流流動?；瘜W反應模型：支持預混燃燒、非預混燃燒和層流燃燒等多種燃燒模型。輻射模型：能夠模擬燃燒過程中的輻射傳熱，包括離散坐標法（DO）、P1近似法等。多相流模型：適用于模擬含有固體、液體和氣體的多相流動，如噴霧燃燒。1.2.2操作流程前處理：定義幾何模型，設置網(wǎng)格，定義邊界條件和初始條件。求解：選擇物理模型，設置求解參數(shù)，運行仿真。后處理：分析仿真結果，可視化流場、溫度、壓力和化學組分等。1.3燃燒模型的選擇與應用選擇燃燒模型時，需要考慮燃燒的類型、流體的流動狀態(tài)、化學反應的復雜性以及仿真目標。不同的燃燒模型適用于不同的燃燒場景，正確選擇模型可以提高仿真的準確性和效率。1.3.1模型選擇原則預混燃燒：如果燃料和氧化劑在燃燒前已經(jīng)充分混合，可以選擇PFR模型或層流燃燒模型。非預混燃燒：如果燃料和氧化劑在燃燒前是分開的，可以選擇EDC模型或PDF模型。湍流燃燒：如果燃燒過程發(fā)生在湍流環(huán)境中，需要選擇能夠處理湍流的燃燒模型，如EDC模型。1.3.2模型應用示例1.3.2.1EDC模型應用假設我們正在模擬一個非預混燃燒過程，燃料是甲烷，氧化劑是空氣，燃燒發(fā)生在湍流環(huán)境中。在ANSYSFluent中，我們可以選擇EDC模型來模擬這個過程。定義化學反應：在Fluent中，首先需要定義化學反應方程式。對于甲烷燃燒，反應方程式為：C設置燃燒模型：在“Model”菜單下，選擇“Combustion”->“EddyDissipation”，激活EDC模型。定義湍流模型：由于燃燒發(fā)生在湍流環(huán)境中，需要選擇一個湍流模型，如k-ε模型。設置邊界條件：定義燃料和氧化劑的入口邊界條件，包括速度、溫度和化學組分。運行仿真：設置求解參數(shù)，如時間步長、迭代次數(shù)等，然后運行仿真。1.3.2.2PFR模型應用如果我們要模擬一個預混燃燒過程，燃料是氫氣，氧化劑是空氣，燃燒發(fā)生在層流環(huán)境中。在ANSYSFluent中，可以選擇PFR模型來模擬這個過程。定義化學反應：對于氫氣燃燒，反應方程式為：2設置燃燒模型：在“Model”菜單下，選擇“Combustion”->“FiniteRate”，激活PFR模型。定義湍流模型：由于燃燒發(fā)生在層流環(huán)境中，可以選擇層流模型。設置邊界條件：定義燃料和氧化劑的混合比例，以及入口的溫度和壓力。運行仿真：設置求解參數(shù)，運行仿真，分析燃燒效率和產(chǎn)物分布。1.3.3總結選擇合適的燃燒模型是進行燃燒仿真的關鍵。通過理解燃燒的類型和條件，以及Fluent提供的模型特性，可以有效地模擬和分析燃燒過程，為燃燒設備的設計和優(yōu)化提供科學依據(jù)。2自定義燃燒模型2.1用戶定義函數(shù)(UDF)介紹在燃燒仿真領域，尤其是使用ANSYSFluent進行高級技巧的探索時，自定義模型的開發(fā)變得至關重要。用戶定義函數(shù)（UDF）是Fluent中一個強大的工具，允許用戶擴展軟件的內置功能，以適應特定的物理模型或復雜的工程問題。UDF是用C語言編寫的，可以用來定義邊界條件、源項、反應速率、材料屬性等，從而實現(xiàn)對燃燒過程的精確控制和模擬。2.1.1UDF的結構一個典型的UDF包括以下部分：頭文件包含：如#include"udf.h"，這是必須的，因為它包含了FluentUDF所需的所有函數(shù)和宏的定義。UDF函數(shù)聲明：定義UDF函數(shù)，如DEFINE_SOURCE、DEFINE_PROFILE等。函數(shù)實現(xiàn)：在函數(shù)體內實現(xiàn)自定義邏輯。2.1.2示例：定義一個簡單的源項UDF#include"udf.h"

/*定義一個源項UDF，用于模擬特定化學反應的熱釋放率*/

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

{

realheat_release_rate;/*熱釋放率*/

realdensity,specific_heat,temperature;/*密度、比熱、溫度*/

/*獲取當前單元的密度、比熱和溫度*/

density=C_DENSITY(c,t);

specific_heat=C_SPEC_HEAT(c,t);

temperature=C_T(c,t);

/*假設熱釋放率與溫度的平方成正比*/

heat_release_rate=100.0*temperature*temperature;

/*計算源項*/

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

}2.2創(chuàng)建自定義燃燒反應在燃燒仿真中，自定義燃燒反應的創(chuàng)建是實現(xiàn)精確模擬的關鍵步驟。Fluent允許用戶通過UDF來定義非標準的燃燒反應，這在研究新型燃料或復雜燃燒機理時非常有用。2.2.1反應機理的定義在UDF中定義燃燒反應，需要指定反應物、產(chǎn)物、反應速率以及可能的活化能和預指數(shù)因子。這些參數(shù)可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)或理論模型來設定。2.2.2示例：創(chuàng)建一個自定義燃燒反應假設我們想要模擬一個簡單的燃燒反應：A+B?>C#include"udf.h"

/*定義自定義燃燒反應的UDF*/

DEFINE_SPECIFIC_REACTION_RATE(custom_reaction_rate,species,rate,rev_rate)

{

realA_conc,B_conc;/*反應物A和B的濃度*/

/*獲取反應物A和B的濃度*/

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

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

/*假設反應速率與A和B的濃度成正比*/

rate[0]=0.01*A_conc*B_conc;

}2.3UDF在燃燒仿真中的應用UDF在燃燒仿真中的應用廣泛，可以用來：改進模型精度：通過引入更精確的物理模型或化學反應機理。模擬新型燃料：定義新型燃料的燃燒特性。優(yōu)化燃燒過程：通過調整反應速率或熱釋放率來優(yōu)化燃燒效率。2.3.1實例：使用UDF優(yōu)化燃燒效率假設我們正在模擬一個燃燒室，目標是通過調整燃料的燃燒速率來優(yōu)化燃燒效率。我們可以使用UDF來動態(tài)調整燃燒速率，使其在特定條件下達到最優(yōu)。#include"udf.h"

/*定義一個UDF，用于動態(tài)調整燃燒速率*/

DEFINE_SPECIFIC_REACTION_RATE(optimized_reaction_rate,species,rate,rev_rate)

{

realfuel_conc,oxygen_conc;/*燃料和氧氣的濃度*/

realstoichiometric_ratio;/*理論燃燒比*/

/*獲取燃料和氧氣的濃度*/

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

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

/*設定理論燃燒比*/

stoichiometric_ratio=0.5;

/*如果燃料和氧氣的比例接近理論燃燒比，增加燃燒速率*/

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結論通過UDF，用戶可以對ANSYSFluent進行深度定制，以滿足特定的燃燒仿真需求。無論是改進模型精度、模擬新型燃料，還是優(yōu)化燃燒過程，UDF都是實現(xiàn)這些目標的強大工具。掌握UDF的編寫，將極大地提升在燃燒仿真領域的研究和工程實踐能力。3高級燃燒仿真技巧3.1多區(qū)域燃燒模型的設置在燃燒仿真中，多區(qū)域模型是一種高級技巧，用于模擬燃燒室內不同區(qū)域的燃燒過程，特別是在那些燃燒室結構復雜、燃燒過程分階段進行的場景中。ANSYSFluent提供了多區(qū)域模型的設置，允許用戶在不同的計算區(qū)域中應用特定的燃燒模型和邊界條件，從而更準確地模擬整個燃燒過程。3.1.1設置步驟定義區(qū)域：首先，需要在Fluent的前處理階段，使用網(wǎng)格劃分工具（如ANSYSMeshing或ICEM）將計算域劃分為多個區(qū)域，每個區(qū)域代表燃燒過程中的一個特定階段或區(qū)域。指定區(qū)域類型：在Fluent中，通過“Define”菜單下的“CellZones”選項，為每個區(qū)域指定類型，如“Fluid”或“Solid”。選擇燃燒模型：對于每個區(qū)域，可以獨立選擇燃燒模型。例如，預混燃燒模型可能適用于燃燒室的主燃燒區(qū)，而非預混燃燒模型可能更適合用于模擬燃料噴射區(qū)域。設置邊界條件：每個區(qū)域的邊界條件需要根據(jù)其物理特性進行設置，包括溫度、壓力、燃料和氧化劑的濃度等。定義區(qū)域間的接口：通過“Define”菜單下的“Interfaces”選項，定義不同區(qū)域之間的接口，確保流體和熱量在區(qū)域間正確傳輸。3.1.2示例假設我們正在模擬一個內燃機的燃燒過程，其中包含燃料噴射區(qū)和主燃燒區(qū)。以下是一個簡化的設置示例：#設置燃料噴射區(qū)為非預混燃燒模型

/fluent

DefineCell-Zones

Edit

Select"InjectionZone"

Model

Combustion

Non-Premixed

Exit

#設置主燃燒區(qū)為預混燃燒模型

DefineCell-Zones

Edit

Select"MainCombustionZone"

Model

Combustion

Premixed

Exit

#定義區(qū)域間的接口

DefineInterfaces

Create

Select"InjectionZone"and"MainCombustionZone"

Type

Surface

Model

Mixing-Plane

Exit3.1.3解釋在上述示例中，我們首先為燃料噴射區(qū)選擇了非預混燃燒模型，這適用于燃料和空氣在噴射過程中混合的情況。接著，我們?yōu)橹魅紵齾^(qū)選擇了預混燃燒模型，這適用于燃料和空氣在進入燃燒室前已經(jīng)充分混合的情況。最后，我們定義了兩個區(qū)域之間的接口，使用了“Mixing-Plane”模型，它允許在不同區(qū)域之間進行質量、動量和能量的交換。3.2非預混燃燒仿真策略非預混燃燒是指燃料和氧化劑在燃燒前沒有完全混合的燃燒過程，常見于噴射燃燒系統(tǒng)中。在Fluent中，非預混燃燒模型通常使用“EddyDissipationModel”（EDM）或“FlameletModel”來模擬。3.2.1EDM模型EDM模型假設湍流渦旋能夠迅速將燃料和氧化劑混合并燃燒。該模型適用于湍流強度較高的燃燒環(huán)境。3.2.2FlameletModelFlamelet模型基于預定義的火焰庫，適用于燃料和氧化劑混合程度較低的燃燒環(huán)境。該模型需要用戶輸入火焰庫數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常通過其他燃燒模型的詳細計算獲得。3.2.3設置示例#啟用非預混燃燒模型

/fluent

Model

Combustion

Non-Premixed

Exit

#選擇EDM模型

Model

Combustion

Non-Premixed

EddyDissipation

Exit

#設置燃料和氧化劑的組分

DefineMaterials

Edit

Select"Fuel"

Composition

Set

Select"Oxidizer"

Composition

Set

Exit3.2.4解釋在示例中，我們首先啟用了非預混燃燒模型，然后選擇了EDM模型作為具體的燃燒模型。接著，我們定義了燃料和氧化劑的組分，這是非預混燃燒模型中非常關鍵的步驟，因為模型需要知道燃料和氧化劑的化學性質和濃度分布。3.3燃燒仿真結果的后處理與分析燃燒仿真完成后，后處理階段是分析和理解仿真結果的關鍵。Fluent提供了豐富的后處理工具，包括可視化工具和數(shù)據(jù)分析工具，幫助用戶深入理解燃燒過程。3.3.1可視化工具等值面：用于顯示特定參數(shù)（如溫度、壓力、組分濃度）的等值面，幫助識別燃燒區(qū)域和燃燒過程的動態(tài)變化。流線：顯示流體的流動路徑，對于理解燃燒室內流體的混合和分布非常有用。粒子軌跡：在噴射燃燒模型中，可以顯示燃料粒子的軌跡，幫助分析燃料噴射和燃燒效率。3.3.2數(shù)據(jù)分析工具積分計算：計算整個計算域或特定區(qū)域的積分參數(shù)，如總熱量釋放率、總燃料消耗率等。剖面分析：分析特定截面上的參數(shù)分布，如溫度、壓力、組分濃度等。時間序列分析：對于瞬態(tài)燃燒仿真，可以分析特定參數(shù)隨時間的變化趨勢。3.3.3示例假設我們想要分析燃燒室內的溫度分布，并計算總熱量釋放率。#顯示溫度等值面

/fluent

DisplayContours

Contours

Select"Temperature"

Levels

Set

Exit

#計算總熱量釋放率

ReportFluxes

Heat

TotalHeatReleaseRate

Compute3.3.4解釋在示例中，我們首先使用Fluent的“Contours”工具顯示了溫度的等值面，這有助于直觀地理解燃燒室內的溫度分布。接著，我們使用“ReportFluxes”工具計算了總熱量釋放率，這是一個重要的參數(shù)，用于評估燃燒效率和燃燒過程的熱力學性能。通過上述步驟，我們可以更深入地理解燃燒過程，識別潛在的優(yōu)化點，從而改進燃燒系統(tǒng)的設計和性能。4案例研究與實踐4.1工業(yè)燃燒器的自定義模型仿真4.1.1原理與內容在工業(yè)燃燒器的仿真中，使用ANSYSFluent進行自定義模型的創(chuàng)建，可以更精確地模擬燃燒過程中的復雜化學反應和流體動力學行為。這通常涉及到定義用戶自定義函數(shù)（UDF）來描述特定的燃燒機理，以及使用用戶自定義標量（UDS）和用戶自定義邊界條件（UBC）來捕捉燃燒器內部的物理現(xiàn)象。4.1.1.1自定義化學反應模型在Fluent中，可以通過UDF來定義非標準的化學反應機理。例如，如果需要模擬一種特定燃料的燃燒，而該燃料的反應機理在Fluent的預定義庫中不存在，可以使用UDF來添加。#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;//反應速率常數(shù)的預指數(shù)因子

Ea=50000.0;//激活能

R=8.314;//氣體常數(shù)

T=C_T(c,t);//當前溫度

rho=C_R(c,t);//當前密度

Y_fuel=C_YI(c,t,fuel_species);//燃料的質量分數(shù)

Y_oxygen=C_YI(c,t,oxygen_species);//氧氣的質量分數(shù)

r[0]=A*exp(-Ea/(R*T))*Y_fuel*Y_oxygen;//計算反應速率

}4.1.1.2自定義標量模型UDS可以用來跟蹤燃燒過程中產(chǎn)生的特定物質或能量。例如，可以定義一個UDS來監(jiān)測燃燒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=...;//計算UDS的值

Set_F_UDSI(f,UDS_ID,value);

}

}4.1.1.3自定義邊界條件UBC允許用戶定義特定邊界上的物理條件，如溫度、壓力或化學物種的濃度。這對于模擬燃燒器的入口和出口條件特別有用。#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;//設置溫度為300K

}

else

{

y[F_ID(f,thread)]=0.0;//設置溫度為環(huán)境溫度

}

}

end_f_loop(f,thread)

}4.1.2驗證與優(yōu)化仿真結果的驗證通常包括與實驗數(shù)據(jù)的比較，以及對模型假設的檢查。優(yōu)化則可能涉及調整模型參數(shù)，如反應速率常數(shù)或邊界條件，以更準確地匹配實驗結果。4.2汽車發(fā)動機燃燒過程的高級仿真4.2.1原理與內容汽車發(fā)動機的燃燒仿真需要考慮燃料噴射、混合、點火和燃燒等過程。Fluent的自定義模型功能可以用來精確描述這些過程，特別是在開發(fā)新型燃料或發(fā)動機設計時。4.2.1.1燃料噴射模型通過UDF，可以自定義燃料噴射的模式和特性，如噴射角度、噴射速度和噴射時間。#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;//設置燃料質量分數(shù)

}

else

{

y[F_ID(f,thread)]=0.0;//設置燃料質量分數(shù)為0

}

}

end_f_loop(f,thread)

}4.2.1.2點火模型點火過程可以通過定義一個UDF來模擬，該UDF可以基于溫度、壓力或化學物種的濃度來觸發(fā)燃燒。#include"udf.h"

DEFINE_ADJUST(ignition,domain)

{

face_tf;