燃燒仿真軟件：OpenFOAM邊界條件設(shè)置與優(yōu)化教程

燃燒仿真軟件：OpenFOAM邊界條件設(shè)置與優(yōu)化教程1OpenFOAM簡(jiǎn)介1.1OpenFOAM的歷史與發(fā)展OpenFOAM（OpenFieldOperationandManipulation）是一款開源的CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）軟件，由英國(guó)的OpenCFD公司開發(fā)，后被SINTEF收購(gòu)。自2004年首次發(fā)布以來，OpenFOAM因其強(qiáng)大的功能、靈活的架構(gòu)和開源的特性，迅速在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界獲得了廣泛的應(yīng)用。OpenFOAM支持多種物理模型，包括流體動(dòng)力學(xué)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)、燃燒等，能夠處理復(fù)雜的多物理場(chǎng)問題。1.1.1發(fā)展歷程2004年：OpenFOAM首次發(fā)布，標(biāo)志著開源CFD軟件的一個(gè)重要里程碑。2007年：OpenFOAM1.4版本發(fā)布，引入了更多高級(jí)功能，如并行計(jì)算和多物理場(chǎng)模擬。2010年：OpenFOAM1.6版本發(fā)布，增強(qiáng)了燃燒模型和化學(xué)反應(yīng)模型，使其在燃燒仿真領(lǐng)域更具競(jìng)爭(zhēng)力。2014年：OpenFOAM2.3版本發(fā)布，進(jìn)一步優(yōu)化了軟件的性能和穩(wěn)定性，增加了更多用戶友好的特性。2018年：OpenFOAM6版本發(fā)布，引入了新的開發(fā)框架，提高了代碼的可讀性和可維護(hù)性。1.2OpenFOAM在燃燒仿真中的應(yīng)用OpenFOAM因其強(qiáng)大的物理模型庫(kù)和靈活的編程環(huán)境，在燃燒仿真領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它能夠模擬各種燃燒現(xiàn)象，從簡(jiǎn)單的預(yù)混燃燒到復(fù)雜的非預(yù)混燃燒，包括湍流燃燒、噴霧燃燒等。1.2.1燃燒模型OpenFOAM提供了多種燃燒模型，包括：預(yù)混燃燒模型：適用于燃料和氧化劑在燃燒前已經(jīng)充分混合的情況。非預(yù)混燃燒模型：適用于燃料和氧化劑在燃燒過程中混合的情況。湍流燃燒模型：考慮湍流對(duì)燃燒過程的影響，適用于工業(yè)燃燒器等復(fù)雜流場(chǎng)的模擬。噴霧燃燒模型：適用于模擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等噴霧燃燒過程。1.2.2示例：設(shè)置預(yù)混燃燒邊界條件在OpenFOAM中設(shè)置預(yù)混燃燒的邊界條件，通常需要在constant/polyMesh目錄下的boundary文件中定義邊界類型，以及在0時(shí)間步的目錄下定義初始條件和邊界條件。1.2.2.1步驟1：定義邊界類型在constant/polyMesh/boundary文件中，定義邊界類型。例如，對(duì)于一個(gè)預(yù)混燃燒的模擬，我們可能有入口、出口和壁面邊界。inlet

{

typepatch;

nFaces100;

startFace0;

}

outlet

{

typepatch;

nFaces100;

startFace100;

}

walls

{

typewall;

nFaces200;

startFace200;

}1.2.2.2步驟2：設(shè)置初始條件和邊界條件在0目錄下，定義T（溫度）、p（壓力）、U（速度）和Y（組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的初始條件和邊界條件。以下是一個(gè)預(yù)混燃燒模擬的示例：//0/T

internalFielduniform300;//初始溫度

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform300;//入口溫度

}

outlet

{

typezeroGradient;//出口溫度梯度為0

}

walls

{

typefixedValue;

valueuniform300;//壁面溫度

}

}

//0/p

internalFielduniform101325;//初始?jí)毫?/p>

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform101325;//入口壓力

}

outlet

{

typefixedValue;

valueuniform101325;//出口壓力

}

walls

{

typezeroGradient;//壁面壓力梯度為0

}

}

//0/U

internalFielduniform(000);//初始速度

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(100);//入口速度

}

outlet

{

typezeroGradient;//出口速度梯度為0

}

walls

{

typenoSlip;//壁面無滑移條件

}

}

//0/Y

internalFielduniform(0.20.8);//初始燃料和氧化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(0.20.8);//入口燃料和氧化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)

}

outlet

{

typezeroGradient;//出口質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度為0

}

walls

{

typezeroGradient;//壁面質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度為0

}

}1.2.3優(yōu)化策略在OpenFOAM中進(jìn)行燃燒仿真時(shí)，為了提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性，可以采取以下優(yōu)化策略：網(wǎng)格優(yōu)化：合理設(shè)計(jì)計(jì)算網(wǎng)格，減少不必要的網(wǎng)格點(diǎn)，同時(shí)確保關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格密度。并行計(jì)算：利用OpenFOAM的并行計(jì)算功能，分配更多的計(jì)算資源，加速計(jì)算過程。物理模型選擇：根據(jù)具體問題選擇合適的物理模型，避免過度復(fù)雜的模型導(dǎo)致計(jì)算資源浪費(fèi)。時(shí)間步長(zhǎng)控制：合理設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)，既保證計(jì)算穩(wěn)定性，又提高計(jì)算效率。通過以上步驟，可以有效地在OpenFOAM中設(shè)置和優(yōu)化燃燒仿真的邊界條件，實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的燃燒過程模擬。2燃燒仿真基礎(chǔ)2.1燃燒理論概述燃燒是一種復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及到燃料與氧化劑的化學(xué)反應(yīng)、熱量的產(chǎn)生與傳遞、以及流體動(dòng)力學(xué)的相互作用。在燃燒理論中，我們關(guān)注的是燃燒的化學(xué)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)特性。燃燒可以分為幾個(gè)階段：燃料的蒸發(fā)、燃料與氧化劑的混合、化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生、以及燃燒產(chǎn)物的冷卻和擴(kuò)散。這些過程在不同的燃燒條件下（如溫度、壓力、燃料類型等）會(huì)有不同的表現(xiàn)。2.1.1燃燒的類型擴(kuò)散燃燒：燃料和氧化劑在燃燒前是分開的，燃燒發(fā)生在它們混合的界面。預(yù)混燃燒：燃料和氧化劑在燃燒前已經(jīng)完全混合，燃燒速度由化學(xué)反應(yīng)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，可以簡(jiǎn)化為一維問題。湍流燃燒：在高流速和高湍流條件下，燃燒過程是三維的，需要考慮湍流對(duì)燃燒的影響。2.2燃燒方程與模型燃燒的數(shù)學(xué)描述通常涉及到一組偏微分方程，包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和物種守恒方程。這些方程描述了燃燒過程中質(zhì)量、動(dòng)量、能量和化學(xué)物種的守恒。2.2.1連續(xù)性方程連續(xù)性方程描述了流體的質(zhì)量守恒，對(duì)于不可壓縮流體，其方程可以表示為：?其中，ρ是流體的密度，u是流體的速度向量。2.2.2動(dòng)量方程動(dòng)量方程描述了流體的動(dòng)量守恒，可以表示為：?其中，p是流體的壓力，τ是應(yīng)力張量，f是外力。2.2.3能量方程能量方程描述了流體的能量守恒，可以表示為：?其中，E是總能量，k是熱導(dǎo)率，T是溫度，?是化學(xué)反應(yīng)放熱率。2.2.4物種守恒方程物種守恒方程描述了化學(xué)物種的守恒，對(duì)于物種i，其方程可以表示為：?其中，Yi是物種i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Di是擴(kuò)散系數(shù)，2.3燃燒仿真中的關(guān)鍵參數(shù)在進(jìn)行燃燒仿真時(shí)，有幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)需要特別關(guān)注，以確保模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。2.3.1燃燒速度燃燒速度是描述燃燒過程快慢的重要參數(shù)，它受到燃料類型、溫度、壓力和湍流強(qiáng)度的影響。在OpenFOAM中，可以通過設(shè)置化學(xué)反應(yīng)模型來控制燃燒速度。2.3.2湍流模型湍流模型用于描述湍流對(duì)燃燒過程的影響。常見的湍流模型包括k??模型、2.3.3燃燒模型燃燒模型用于描述化學(xué)反應(yīng)的細(xì)節(jié)。OpenFOAM提供了多種燃燒模型，包括層流燃燒模型、擴(kuò)散燃燒模型、預(yù)混燃燒模型和非預(yù)混燃燒模型。這些模型的選擇取決于燃燒的類型和條件。2.3.4邊界條件邊界條件是模擬中定義的物理?xiàng)l件，它們決定了流體在邊界上的行為。在燃燒仿真中，邊界條件包括入口邊界條件（如燃料和氧化劑的流量和溫度）、出口邊界條件（如壓力或溫度）、以及壁面邊界條件（如熱傳導(dǎo)和化學(xué)反應(yīng)）。正確設(shè)置邊界條件對(duì)于模擬的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。2.3.5示例：設(shè)置邊界條件在OpenFOAM中，邊界條件通常在0目錄下的<field>.<time>.<boundary>文件中定義。以下是一個(gè)設(shè)置入口邊界條件的示例：#燃燒仿真入口邊界條件設(shè)置

//0/U/inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(0010);//入口速度向量，單位為m/s

}

//0/T/inlet

{

typefixedValue;

valueuniform300;//入口溫度，單位為K

}

//0/Y/inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(0.20.800);//入口燃料和氧化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

}在這個(gè)示例中，我們定義了入口的流速、溫度和燃料與氧化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。流速被設(shè)置為10m/s，方向沿z軸；溫度被設(shè)置為300K；燃料（假設(shè)為氫氣）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)被設(shè)置為0.2，氧化劑（假設(shè)為空氣）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)被設(shè)置為2.3.6優(yōu)化策略為了提高燃燒仿真的效率和準(zhǔn)確性，可以采取以下優(yōu)化策略：網(wǎng)格優(yōu)化：選擇合適的網(wǎng)格密度和類型，以平衡計(jì)算精度和計(jì)算成本。時(shí)間步長(zhǎng)控制：根據(jù)燃燒過程的動(dòng)態(tài)特性調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)，以確保數(shù)值穩(wěn)定性。并行計(jì)算：利用OpenFOAM的并行計(jì)算功能，將計(jì)算任務(wù)分配到多個(gè)處理器上，以加速計(jì)算過程?；瘜W(xué)反應(yīng)模型簡(jiǎn)化：對(duì)于復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，可以使用簡(jiǎn)化模型，如一階反應(yīng)模型或火焰面模型，以減少計(jì)算復(fù)雜度。通過這些策略，可以有效地提高燃燒仿真的性能，同時(shí)保持足夠的精度。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體問題和計(jì)算資源進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。3OpenFOAM邊界條件設(shè)置3.1邊界條件的基本概念邊界條件在數(shù)值模擬中至關(guān)重要，它定義了計(jì)算域邊緣的物理狀態(tài)，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在燃燒仿真中，邊界條件直接影響火焰的傳播、燃燒效率以及污染物的生成。OpenFOAM提供了豐富的邊界條件類型，允許用戶根據(jù)具體問題靈活設(shè)置。3.2OpenFOAM中的邊界條件類型OpenFOAM支持多種邊界條件，包括但不限于：固定值（fixedValue）：指定邊界上的物理量值。固定梯度（fixedGradient）：指定邊界上的物理量梯度。零梯度（zeroGradient）：邊界上的物理量梯度為零?；旌希╩ixed）：結(jié)合固定值和固定梯度，適用于邊界上既有指定值又有指定梯度的情況。周期性（periodic）：定義計(jì)算域中兩個(gè)邊界之間的周期性關(guān)系?？者吔纾╡mpty）：用于非物理邊界，如內(nèi)部邊界或?qū)ΨQ面。3.3設(shè)置邊界條件的步驟定義邊界：在constant/polyMesh/boundary文件中定義計(jì)算域的邊界。選擇條件類型：根據(jù)物理問題選擇合適的邊界條件類型。編輯邊界文件：在0時(shí)間步的constant/transportProperties或constant/turbulenceProperties等文件中，為每個(gè)邊界設(shè)置具體的條件。驗(yàn)證設(shè)置：使用checkMesh命令驗(yàn)證邊界條件設(shè)置的正確性。運(yùn)行模擬：設(shè)置完成后，運(yùn)行OpenFOAM的求解器進(jìn)行模擬。3.4常見燃燒仿真邊界條件示例3.4.1固定值邊界條件示例假設(shè)我們正在模擬一個(gè)燃燒室，需要在入口邊界上設(shè)置固定的溫度和壓力。#constant/polyMesh/boundary

inlet

{

typepatch;

nFaces100;

startFace0;

}#0/T

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform1200;//溫度，單位：K

}#0/p

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform101325;//壓力，單位：Pa

}3.4.2混合邊界條件示例在燃燒室的出口邊界，我們可能需要設(shè)置一個(gè)混合邊界條件，其中壓力是固定的，而溫度梯度是零。#0/T

outlet

{

typemixed;

valueuniform300;//溫度，單位：K

refValueuniform300;//參考溫度，單位：K

refGraduniform0;//溫度梯度，單位：K/m

fraction0;//混合系數(shù)，0表示完全固定梯度

}#0/p

outlet

{

typefixedValue;

valueuniform101325;//壓力，單位：Pa

}3.4.3周期性邊界條件示例在模擬對(duì)稱或重復(fù)結(jié)構(gòu)時(shí)，使用周期性邊界條件可以減少計(jì)算資源的需求。#constant/polyMesh/boundary

left

{

typecyclic;

nFaces50;

startFace100;

}

right

{

typecyclic;

neighbourPatchleft;

nFaces50;

startFace150;

}3.4.4空邊界條件示例在模擬中，如果存在非物理邊界，如內(nèi)部邊界或?qū)ΨQ面，可以使用空邊界條件。#0/T

symmetryPlane

{

typeempty;

}通過上述示例，我們可以看到如何在OpenFOAM中設(shè)置不同類型的邊界條件，以滿足燃燒仿真中的各種需求。正確設(shè)置邊界條件是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。4優(yōu)化燃燒仿真4.1仿真優(yōu)化的重要性在燃燒仿真領(lǐng)域，優(yōu)化仿真不僅能夠提高計(jì)算效率，減少資源消耗，還能確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。燃燒過程涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和流體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，精確模擬這些過程需要大量的計(jì)算資源。因此，通過優(yōu)化，可以確保在有限的資源下獲得最佳的仿真性能和結(jié)果質(zhì)量。4.2網(wǎng)格優(yōu)化技術(shù)4.2.1原理網(wǎng)格優(yōu)化是通過調(diào)整計(jì)算網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)和密度，以減少計(jì)算時(shí)間同時(shí)保持結(jié)果精度。在燃燒仿真中，網(wǎng)格的優(yōu)化尤為重要，因?yàn)槿紵齾^(qū)域的化學(xué)反應(yīng)速率和流體動(dòng)力學(xué)特性在空間上變化劇烈，需要高密度網(wǎng)格來準(zhǔn)確捕捉這些變化。4.2.2內(nèi)容自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化（AMR）：根據(jù)物理量的變化自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格密度，確保在需要高精度的區(qū)域使用更細(xì)的網(wǎng)格，而在變化較小的區(qū)域使用較粗的網(wǎng)格。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格：使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以更好地適應(yīng)復(fù)雜幾何形狀，特別是在燃燒室等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，能夠更準(zhǔn)確地描述邊界層和湍流結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格獨(dú)立性檢查：通過比較不同網(wǎng)格密度下的仿真結(jié)果，確保結(jié)果的網(wǎng)格獨(dú)立性，即結(jié)果不受網(wǎng)格密度的影響。4.2.3示例在OpenFOAM中，使用blockMesh工具創(chuàng)建初始網(wǎng)格，然后通過snappyHexMesh進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化和適應(yīng)復(fù)雜幾何。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的blockMeshDict示例，展示了如何定義一個(gè)三維網(wǎng)格：#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

(

(0154)

);

}

walls

{

typewall;

faces

(

(0374)

(1265)

);

}

);

mergePatchPairs

(

);4.3邊界條件優(yōu)化策略4.3.1原理邊界條件的設(shè)置直接影響燃燒仿真的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。優(yōu)化邊界條件包括選擇合適的邊界類型、設(shè)定合理的初始條件和邊界值，以及使用先進(jìn)的邊界處理技術(shù)。4.3.2內(nèi)容選擇合適的邊界類型：例如，對(duì)于燃燒仿真，入口邊界可能需要設(shè)定為速度入口，出口邊界可能需要設(shè)定為壓力出口，而壁面邊界則需要設(shè)定為無滑移邊界。設(shè)定合理的初始條件和邊界值：初始條件和邊界值的選擇應(yīng)基于物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以減少仿真過程中的非物理振蕩和不穩(wěn)定現(xiàn)象。使用先進(jìn)的邊界處理技術(shù)：如使用多孔介質(zhì)模型來模擬燃燒室內(nèi)的多孔材料，或使用周期性邊界條件來模擬無限長(zhǎng)的燃燒過程。4.3.3示例在OpenFOAM中，邊界條件通常在0目錄下的相應(yīng)場(chǎng)文件中定義。以下是一個(gè)U（速度場(chǎng)）的邊界條件示例：#U文件示例

U

{

dimensions[01-10000];

internalFielduniform(000);

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(100);

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typenoSlip;

}

}

};4.4OpenFOAM中的并行計(jì)算與優(yōu)化4.4.1原理并行計(jì)算是通過將計(jì)算任務(wù)分解到多個(gè)處理器上同時(shí)執(zhí)行，以顯著減少計(jì)算時(shí)間。在OpenFOAM中，可以利用并行計(jì)算來優(yōu)化燃燒仿真，特別是在處理大規(guī)模計(jì)算域時(shí)。4.4.2內(nèi)容并行分解：使用decomposePar工具將計(jì)算域分解為多個(gè)子域，每個(gè)子域可以在不同的處理器上并行計(jì)算。并行求解器：OpenFOAM提供了多種并行求解器，如simpleFoam的并行版本simpleFoamParallel，用于并行執(zhí)行仿真。并行通信優(yōu)化：通過優(yōu)化并行通信，減少處理器之間的數(shù)據(jù)交換時(shí)間，提高并行計(jì)算效率。4.4.3示例在OpenFOAM中，使用decomposePar工具進(jìn)行并行分解，首先需要在system目錄下創(chuàng)建decomposeParDict文件，定義并行分解的策略：#decomposeParDict文件示例

numberOfSubdomains4;

methodsimpleCoeffs

{

n100;

delta0.01;

deltaCoeff1;

nCoeff2;

logno;

};

distributedno;

//以下為子域的分配策略

//...然后，運(yùn)行decomposePar命令進(jìn)行并行分解：decomposePar最后，使用并行求解器進(jìn)行仿真：mpirun-np4simpleFoamParallel通過以上步驟，可以有效地利用并行計(jì)算資源，優(yōu)化燃燒仿真的計(jì)算效率。5高級(jí)燃燒仿真技巧5.1多相流燃燒仿真5.1.1原理多相流燃燒仿真涉及到氣、液、固三相的相互作用，尤其是在燃燒過程中，液滴的蒸發(fā)、固體顆粒的燃燒以及氣相反應(yīng)的復(fù)雜性。OpenFOAM提供了多種模型來處理多相流，如interFoam用于兩相流，multiphaseEulerFoam用于多相流，其中包含顆粒、液滴和氣相的相互作用。5.1.2內(nèi)容在OpenFOAM中設(shè)置多相流燃燒邊界條件，需要定義各相的物理屬性、初始條件以及邊界條件。例如，對(duì)于液滴蒸發(fā)模型，需要設(shè)定液滴的直徑、初始溫度、氣相的溫度和壓力等。5.1.2.1示例代碼#在系統(tǒng)文件夾下的constant文件夾中創(chuàng)建一個(gè)phaseProperties文件

//phaseProperties文件示例

1liquid

{

nameliquid;

typeincompressible;

transportlaminar;

turbulenceoff;

thermoTypemixture;

equationOfStateincompressible;

diffusivityModelconstant;

diffusivity

{

n20;

o20;

h2o0;

co20;

soot0;

}

mixtureliquid;

mixtureModelconstant;

mixture

{

n20.78;

o20.21;

h2o0;

co20;

soot0;

}

}

2gas

{

namegas;

typecompressible;

transportlaminar;

turbulenceon;

thermoTypemixture;

equationOfStateperfectGas;

diffusivityModelconstant;

diffusivity

{

n20;

o20;

h2o0;

co20;

soot0;

}

mixturegas;

mixtureModelconstant;

mixture

{

n20.78;

o20.21;

h2o0;

co20;

soot0;

}

}5.1.3解釋上述代碼定義了兩個(gè)相：液體和氣體。液體被設(shè)定為不可壓縮，而氣體為可壓縮。每個(gè)相的物理屬性，如運(yùn)輸模型、湍流模型、熱力學(xué)類型等都被詳細(xì)設(shè)定。此外，還定義了各相中不同組分的擴(kuò)散系數(shù)和混合物組成。5.2化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型5.2.1原理化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型用于描述燃燒過程中化學(xué)反應(yīng)的速率和機(jī)制。OpenFOAM支持多種化學(xué)反應(yīng)模型，如laminar模型、eddyDissipation模型和PDF模型，這些模型可以處理不同類型的燃燒反應(yīng)。5.2.2內(nèi)容在OpenFOAM中，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的設(shè)置通常在thermophysicalProperties文件中完成，需要定義反應(yīng)機(jī)理、燃料和氧化劑的化學(xué)式以及反應(yīng)速率常數(shù)。5.2.2.1示例代碼//thermophysicalProperties文件示例

thermoType

{

typereactingMixture;

mixturereactingMixture;

transportconst;

thermohConst;

equationOfStateincompressible;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

mixture

{

specie

{

molWeight16;//以甲烷為例

}

thermodynamics

{

CpTable

{

(30029.108)

(40030.05)

(50031.02)

(60032.02)

(70033.06)

(80034.14)

(90035.26)

(100036.42)

(110037.62)

(120038.86)

(130040.14)

(140041.46)

(150042.82)

(160044.22)

(170045.66)

(180047.14)

(190048.65)

(200050.19);

}

transport

{

mu1.7894e-5;

Pr0.71;

}

turbulence

{

typelaminar;

}

chemistry

{

typelookup;

mechanismFile"chem.cti";

mechanism"gri30";

}

}5.2.3解釋此代碼示例展示了如何在OpenFOAM中設(shè)置化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。thermoType定義了熱力學(xué)模型的類型，mixture部分定義了燃料的物理和化學(xué)屬性，包括摩爾質(zhì)量、比熱容表、粘度和普朗特?cái)?shù)。chemistry部分指定了化學(xué)反應(yīng)機(jī)制文件和機(jī)制類型，這里使用了GRI3.0機(jī)制，適用于甲烷燃燒。5.3湍流燃燒仿真5.3.1原理湍流燃燒仿真考慮了湍流對(duì)燃燒過程的影響，湍流可以顯著加速燃燒速率，影響火焰的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。OpenFOAM提供了多種湍流模型，如k-epsilon模型、k-omega模型和LES模型，用于模擬不同尺度的湍流效應(yīng)。5.3.2內(nèi)容在OpenFOAM中，設(shè)置湍流燃燒邊界條件需要在thermophysicalProperties和system/controlDict文件中定義湍流模型和燃燒模型。此外，還需要在0文件夾中初始化湍流變量。5.3.2.1示例代碼//system/controlDict文件示例

applicationreactingMultiphaseEulerFoam;

startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime100;

deltaT0.001;

writeControltimeStep;

writeInterval10;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

runTimeModifiabletrue;

//0文件夾中的k文件示例

dimensions[02-20000];

internalFielduniform0.01;

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform0.01;

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typekqRWallFunction;

value$internalField;

}

}5.3.3解釋controlDict文件控制了仿真的開始和結(jié)束時(shí)間、時(shí)間步長(zhǎng)、寫入頻率等參數(shù)。k文件定義了湍流動(dòng)能的初始和邊界條件，inlet邊界設(shè)定了湍流動(dòng)能的入口值，outlet邊界設(shè)定了湍流動(dòng)能的出口梯度，walls邊界使用了壁面函數(shù)模型。5.4燃燒仿真結(jié)果的后處理與分析5.4.1原理燃燒仿真結(jié)果的后處理包括數(shù)據(jù)可視化、結(jié)果分析和性能評(píng)估。OpenFOAM提供了paraFoam工具用于數(shù)據(jù)的可視化，以及postProcessing功能用于結(jié)果的分析和導(dǎo)出。5.4.2內(nèi)容后處理階段，用戶可以生成等值面、流線、溫度和組分分布圖等，以直觀地理解燃燒過程。此外，還可以計(jì)算燃燒效率、污染物排放等關(guān)鍵性能指標(biāo)。5.4.2.1示例代碼//system/postProcessing/sets文件示例

//定義采樣線

line

{

typeuniform;

axisy;

start(000);

end(010);

nPoints100;

fields(TY);

}5.4.3解釋此代碼示例展示了如何在OpenFOAM中設(shè)置采樣線，用于后處理階段分析溫度T和組分Y沿y軸的分布。nPoints定義了采樣點(diǎn)的數(shù)量，fields指定了要采樣的變量。通過上述高級(jí)燃燒仿真技巧的介紹，包括多相流燃燒仿真、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型、湍流燃燒仿真以及燃燒仿真結(jié)果的后處理與分析，可以深入理解OpenFOAM在復(fù)雜燃燒過程模擬中的應(yīng)用。這些技巧和示例代碼為用戶提供了實(shí)踐指南，幫助他們更有效地進(jìn)行燃燒仿真。6案例研究與實(shí)踐6.1OpenFOAM在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒仿真中的應(yīng)用6.1.1原理與內(nèi)容在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒仿真中，OpenFOAM提供了強(qiáng)大的工具集來模擬復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)和燃燒過程。這包括對(duì)湍流、噴霧、蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)的精確建模。OpenFOAM的邊界條件設(shè)置對(duì)于確保模擬的準(zhǔn)確性和效率至關(guān)重要。6.1.1.1邊界條件設(shè)置在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒仿真中，邊界條件通常包括：入口邊界條件：通常設(shè)置為速度入口（inletVelocity），其中速度、溫度和燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件進(jìn)行設(shè)定。出口邊界條件：可以設(shè)置為壓力出口（outletPressure），確保壓力在出口處達(dá)到大氣壓或特定背壓。壁面邊界條件：對(duì)于缸壁，通常使用無滑移（noSlip）邊界條件，同時(shí)考慮熱傳導(dǎo)和輻射效應(yīng)。6.1.1.2優(yōu)化策略優(yōu)化OpenFOAM的燃燒仿真，可以通過以下策略：網(wǎng)格優(yōu)化：使用更精細(xì)的網(wǎng)格在關(guān)鍵區(qū)域，如噴嘴附近，以提高局部精度。湍流模型選擇：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的特性選擇合適的湍流模型，如k-ε或k-ω模型?；瘜W(xué)反應(yīng)模型：使用詳細(xì)或簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，根據(jù)計(jì)算資源和精度需求進(jìn)行平衡。6.1.2示例代碼下面是一個(gè)OpenFOAM柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒仿真的邊界條件設(shè)置示例：#燃燒仿真設(shè)置文件：constant/boundaryConditions

//入口邊界條件

inlet

{

typeinletVelocity;

valueuniform(00100);//入口速度，單位：m/s

temperatureuniform300;//入口溫度，單位：K

fuelFractionuniform0.05;//燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)

}

//出口邊界條件

outlet

{

typeoutletPressure;

valueuniform101325;//出口壓力，單位：Pa

}

//缸壁邊界條件

cylinderWall

{

typenoSlip;

temperaturefixedValue;//固定壁面溫度

valueuniform400;//缸壁溫度，單位：K

}6.1.3解釋在上述示例中，我們定義了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒仿真的關(guān)鍵邊界條件。inlet部分設(shè)定了入口速度、溫度和燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)，outlet部分設(shè)定了出口壓力，而cylinderWall部分則設(shè)定了缸壁的無滑移條件和固定溫度。6.2OpenFOAM在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒仿真中的應(yīng)用6.2.1原理與內(nèi)容燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒仿真需要精確控制燃燒室內(nèi)的氣體流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)。OpenFOAM通過其豐富的物理模型庫(kù)，能夠模擬這些過程，包括燃燒、傳熱和多相流。6.2.1.1邊界條件設(shè)置燃?xì)廨啓C(jī)的邊界條件設(shè)置包括：燃燒室入口：通常設(shè)定為速度和溫度，以及燃料和空氣的質(zhì)量流量。燃燒室出口：設(shè)定為壓力出口，以模擬燃燒后的氣體排放。燃燒室壁面：使用無滑移邊界條件，并考慮壁面的熱傳導(dǎo)和輻射。6.2.1.2優(yōu)化策略多區(qū)域網(wǎng)格：使用多區(qū)域網(wǎng)格來分別優(yōu)化燃燒室和渦輪區(qū)域的計(jì)算效率?；瘜W(xué)反應(yīng)模型：選擇適合高溫氣體的化學(xué)反應(yīng)模型，如GRI-Mech3.0。并行計(jì)算：利用OpenFOAM的并行計(jì)算能力，加速大型模型的仿真。6.2.2示例代碼下面是一個(gè)OpenFOAM燃?xì)廨啓C(jī)燃燒仿真的邊界條件設(shè)置示例：#燃燒仿真設(shè)置文件：constant/boundaryConditions

//燃燒室入口邊界條件

combustionInlet

{

typeinletVelocity;

valueuniform(00300);//入口速度，單位：m/s

temperatureuniform1200;//入口溫度，單位：K

fuelFractionuniform0.1;//燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)

}

//燃燒室出口邊界條件

combustionOutlet

{

typeoutletPressure;

valueuniform101325;//出口壓力，單位：Pa

}

//燃燒室壁面邊界條件

combustionWall

{

typenoSlip;

temperaturefixedValue;//固定壁面溫度

valueuniform600;//燃燒室壁面溫度，單位：K

}6.2.3解釋在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒仿真中，combustionInlet設(shè)定了燃燒室入口的速度、溫度和燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)，combustionOutlet設(shè)定了出口壓力，而combustionWall則設(shè)定了燃燒室壁面的無滑移條件和固定溫度。6.3OpenFOAM在生物質(zhì)燃燒仿真中的應(yīng)用6.3.1原理與內(nèi)容生物質(zhì)燃燒仿真涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和多相流動(dòng)力學(xué)。OpenFOAM能夠處理這些復(fù)雜性，通過其多相流模型和化學(xué)反應(yīng)模型，精確模擬生物質(zhì)燃燒過程。6.3.1.1邊界條件設(shè)置生物質(zhì)燃燒的邊界條件包括：燃料入口：設(shè)定燃料的初始條件，包括速度、溫度和燃料類型?？諝馊肟冢涸O(shè)定空氣的入口速度和溫度。出口邊界：設(shè)定壓力出口，以模擬燃燒產(chǎn)物的排放。壁面邊界：使用無滑移條件，并考慮生物質(zhì)燃燒過程中的熱傳導(dǎo)和輻射。6.3.1.2優(yōu)化策略化學(xué)反應(yīng)機(jī)制：選擇適合生物質(zhì)燃料的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，如DFTB+或CHEMKIN。多相流模型：使用顆粒跟蹤模型（Lagrangian）來模擬生物質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)。網(wǎng)格細(xì)化：在燃料入口和燃燒區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以提高這些關(guān)鍵區(qū)域的計(jì)算精度。6.3.2示例代碼下面是一個(gè)OpenFOAM生物質(zhì)燃燒仿真的邊界條件設(shè)置示例：#燃燒仿真設(shè)置文件：constant/boundaryConditions

//燃料入口邊界條件

fuelInlet

{

typeinletVelocity;

valueuniform(0050);//入口速度，單位：m/s

temperatureuniform350;//入口溫度，單位：K

fuelTypebiomass;//燃料類型

}

//空氣入口邊界條件

airInlet

{

typeinletVelocity;

valueuniform(00100);//入口速度，單位：m/s

temperatureuniform300;//入口溫度，單位：K

}

//出口邊界條件

outlet

{

typeoutletPressure;

valueuniform101325;//出口壓力，單位：Pa

}

//壁面邊界條件

biomassWall

{

typenoSlip;

temperaturefixedValue;//固定壁面溫度

valueuniform450;//壁面溫度，單位：K

}6.3.3解釋在生物質(zhì)燃燒仿真中，fuelInlet和airInlet分別設(shè)定了燃料和空氣的入口條件，包括速度、溫度和燃料類型。outlet設(shè)定了壓力出口，而biomassWall則設(shè)定了壁面的無滑移條件和固定溫度，以模擬生物質(zhì)燃燒過程中的熱效應(yīng)。通過這些案例研究，我們可以看到OpenFOAM在不同燃燒仿真領(lǐng)域的應(yīng)用，以及如何通過精確的邊界條件設(shè)置和優(yōu)化策略來提高仿真的準(zhǔn)確性和效率。7常見問題與解決方案7.1邊界條件設(shè)置錯(cuò)誤排查在使用OpenFOAM進(jìn)行燃