燃燒仿真.燃燒數(shù)值模擬方法：大渦模擬（LES）：燃燒數(shù)值模擬方法概論

燃燒仿真.燃燒數(shù)值模擬方法：大渦模擬（LES）：燃燒數(shù)值模擬方法概論1燃燒仿真基礎(chǔ)1.1燃燒過(guò)程的物理化學(xué)原理燃燒是一種復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)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。燃燒的基本原理可以分為以下幾個(gè)方面：化學(xué)反應(yīng)：燃燒通常是由燃料與氧氣的化學(xué)反應(yīng)引起的，生成二氧化碳、水蒸氣等產(chǎn)物，并釋放出大量的熱能。例如，甲烷（CH4）與氧氣（O2）的燃燒反應(yīng)可以表示為：C熱力學(xué)：燃燒過(guò)程中，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致溫度升高。熱力學(xué)定律用于描述這些能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律。流體動(dòng)力學(xué)：燃燒通常發(fā)生在流動(dòng)的介質(zhì)中，如空氣或燃料氣體。流體動(dòng)力學(xué)方程，如連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，用于描述燃燒過(guò)程中的流體運(yùn)動(dòng)。傳熱與傳質(zhì)：在燃燒過(guò)程中，熱量和質(zhì)量的傳遞對(duì)于火焰的穩(wěn)定性和燃燒效率至關(guān)重要。傳熱和傳質(zhì)方程用于描述這些過(guò)程。1.2燃燒模型的分類與選擇燃燒模型是用于數(shù)值模擬燃燒過(guò)程的數(shù)學(xué)描述。根據(jù)模型的復(fù)雜性和應(yīng)用范圍，燃燒模型可以分為以下幾類：層流燃燒模型：適用于沒(méi)有湍流影響的燃燒過(guò)程，如小尺度燃燒實(shí)驗(yàn)。這類模型通?；诨瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)原理。湍流燃燒模型：考慮到湍流對(duì)燃燒過(guò)程的影響，適用于大多數(shù)實(shí)際燃燒情況，如發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。湍流燃燒模型可以進(jìn)一步分為：均質(zhì)湍流燃燒模型：適用于均質(zhì)混合物的燃燒，如汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。非均質(zhì)湍流燃燒模型：適用于非均質(zhì)混合物的燃燒，如煤粉燃燒。大渦模擬（LES）：是一種高級(jí)的湍流燃燒模型，它通過(guò)直接模擬大尺度渦流，而將小尺度渦流的影響通過(guò)亞網(wǎng)格模型來(lái)考慮，適用于高精度的燃燒仿真。選擇燃燒模型時(shí)，需要考慮燃燒系統(tǒng)的特性、仿真精度要求以及計(jì)算資源的限制。1.3燃燒仿真軟件介紹與應(yīng)用燃燒仿真軟件是基于燃燒模型和數(shù)值方法的工具，用于預(yù)測(cè)和分析燃燒過(guò)程。常見(jiàn)的燃燒仿真軟件包括：OpenFOAM：一個(gè)開(kāi)源的CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）軟件包，提供了多種燃燒模型和數(shù)值方法，適用于各種燃燒仿真。STAR-CCM+：一個(gè)商業(yè)CFD軟件，具有強(qiáng)大的圖形用戶界面和多種燃燒模型，廣泛應(yīng)用于工業(yè)燃燒仿真。ANSYSFluent：另一個(gè)商業(yè)CFD軟件，提供了豐富的燃燒模型和后處理工具，適用于從層流到湍流的各種燃燒仿真。1.3.1示例：使用OpenFOAM進(jìn)行燃燒仿真1.3.1.1數(shù)據(jù)樣例假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的甲烷燃燒仿真案例，需要定義燃料和氧化劑的物理化學(xué)屬性。#燃料屬性

fuelProperties

{

speciesCH4;

transportlaminar;

thermodynamicsidealGas;

equationOfStaterhoConst;

energyTypesensibleInternalEnergy;

diffusionModelFickian;

diffusionCoeffs

{

D_CH41.5e-5;

};

thermophysicalData

{

Cp44.4;

Hf74.87e3;

S285.27;

Tref298.15;

Pref101325;

};

}

#氧化劑屬性

oxidizerProperties

{

speciesO2;

transportlaminar;

thermodynamicsidealGas;

equationOfStaterhoConst;

energyTypesensibleInternalEnergy;

diffusionModelFickian;

diffusionCoeffs

{

D_O22.0e-5;

};

thermophysicalData

{

Cp29.37;

Hf-241.82e3;

S205.14;

Tref298.15;

Pref101325;

};

}1.3.1.2代碼示例在OpenFOAM中，我們可以使用simpleFoam求解器進(jìn)行燃燒仿真。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的system/controlDict文件示例，用于控制仿真過(guò)程：applicationsimpleFoam;

startFromstartTime;

startTime0;

stopAtendTime;

endTime100;

deltaT0.01;

writeControltimeStep;

writeInterval10;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

runTimeModifiabletrue;1.3.2解釋在上述示例中，我們定義了燃料（甲烷）和氧化劑（氧氣）的物理化學(xué)屬性，包括熱容、生成熱、熵等。在controlDict文件中，我們?cè)O(shè)置了仿真開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間、時(shí)間步長(zhǎng)、寫(xiě)入數(shù)據(jù)的控制參數(shù)等，這些參數(shù)對(duì)于控制仿真過(guò)程和數(shù)據(jù)輸出至關(guān)重要。通過(guò)使用這些軟件和模型，工程師和研究人員可以深入理解燃燒過(guò)程，優(yōu)化燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高燃燒效率，減少污染物排放。2大渦模擬（LES）原理與應(yīng)用2.11LES的基本概念與歷史發(fā)展大渦模擬（LargeEddySimulation,LES）是一種用于模擬湍流流動(dòng)的數(shù)值方法，它通過(guò)直接計(jì)算大尺度渦旋的運(yùn)動(dòng)，而對(duì)小尺度渦旋采用亞格子模型進(jìn)行模擬，從而在計(jì)算資源有限的情況下，能夠更準(zhǔn)確地捕捉到湍流的主要特征。LES的基本思想是將湍流分解為可以直接計(jì)算的大渦和需要模型化的亞格子渦，這種方法在20世紀(jì)60年代由JosephSmagorinsky首次提出，隨后在70年代由PeterGermano等人進(jìn)一步發(fā)展和完善。2.1.1歷史發(fā)展1963年：Smagorinsky在氣象學(xué)中首次應(yīng)用LES概念，用于模擬大氣邊界層。1970年代：LES開(kāi)始被應(yīng)用于工程湍流問(wèn)題，如燃燒、噴射、邊界層流動(dòng)等。1980年代至90年代：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，LES在計(jì)算流體力學(xué)（CFD）領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，亞格子模型的理論和實(shí)踐也得到了顯著的進(jìn)展。21世紀(jì)：LES與先進(jìn)的計(jì)算硬件結(jié)合，使得在更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和物理現(xiàn)象中應(yīng)用LES成為可能，如多相流、化學(xué)反應(yīng)等。2.22LES與RANS、DNS的比較2.2.1RANS（Reynolds-AveragedNavier-Stokes）RANS方法是通過(guò)時(shí)間平均Navier-Stokes方程來(lái)消除湍流的瞬時(shí)波動(dòng)，從而簡(jiǎn)化計(jì)算。這種方法假設(shè)湍流的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)在時(shí)間和空間上是均勻的，適用于工程設(shè)計(jì)中對(duì)平均流動(dòng)特性感興趣的情況。RANS方法的計(jì)算成本較低，但對(duì)湍流細(xì)節(jié)的描述有限。2.2.2DNS（DirectNumericalSimulation）DNS方法是直接求解Navier-Stokes方程，不進(jìn)行任何模型化處理，能夠完全捕捉湍流的所有尺度。這種方法提供了最準(zhǔn)確的湍流流動(dòng)信息，但計(jì)算成本極高，通常只適用于小尺度、簡(jiǎn)單幾何結(jié)構(gòu)的流動(dòng)問(wèn)題。2.2.3LES與RANS、DNS的對(duì)比精度：LES介于RANS和DNS之間，能夠捕捉到湍流的主要特征，同時(shí)對(duì)小尺度渦旋進(jìn)行模型化處理，提供比RANS更詳細(xì)的流動(dòng)信息，但計(jì)算成本低于DNS。適用范圍：LES適用于中等尺度的流動(dòng)問(wèn)題，特別是當(dāng)流動(dòng)中存在大尺度結(jié)構(gòu)時(shí)，如燃燒過(guò)程中的火焰?zhèn)鞑ァＳ?jì)算資源：LES需要的計(jì)算資源比RANS多，但遠(yuǎn)少于DNS，使得它在現(xiàn)代高性能計(jì)算環(huán)境中成為研究復(fù)雜湍流流動(dòng)的有力工具。2.33LES的數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法2.3.1數(shù)學(xué)模型LES的數(shù)學(xué)模型基于Navier-Stokes方程的濾波處理。濾波操作將流動(dòng)分解為可計(jì)算的大尺度渦旋和需要模型化的亞格子渦旋。濾波后的方程稱為L(zhǎng)ES方程，包括：連續(xù)性方程：?動(dòng)量方程：?能量方程：?其中，ρ是密度的濾波值，u是速度的濾波值，p是壓力的濾波值，τ是雷諾應(yīng)力的濾波值，f是外力的濾波值，E是總能量的濾波值，q是熱流的濾波值。2.3.2數(shù)值方法LES的數(shù)值方法通常包括：空間濾波：用于分解流動(dòng)為大尺度和亞格子尺度。時(shí)間積分：采用顯式或隱式時(shí)間積分方案來(lái)求解LES方程。亞格子模型：用于模擬小尺度渦旋對(duì)大尺度渦旋的影響，常見(jiàn)的亞格子模型有Smagorinsky模型、WALE模型等。2.3.3示例：LES方程的離散化假設(shè)我們使用有限體積法對(duì)LES方程進(jìn)行離散化，以下是一個(gè)簡(jiǎn)化版的連續(xù)性方程離散化示例：importnumpyasnp

#定義網(wǎng)格參數(shù)

dx=0.1#空間步長(zhǎng)

dt=0.01#時(shí)間步長(zhǎng)

nx=100#網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)

#初始化速度和密度

rho=np.zeros(nx)

u=np.zeros(nx)

#定義邊界條件

rho[0]=1.2#入口密度

u[0]=10.0#入口速度

#時(shí)間積分

forninrange(1000):

#離散化連續(xù)性方程

rho[1:nx-1]-=dt/dx*(u[1:nx-1]*(u[2:nx]-u[0:nx-2]))

#更新速度

u[1:nx-1]+=dt/dx*(rho[2:nx]-rho[0:nx-2])

#應(yīng)用邊界條件

u[nx-1]=u[nx-2]#出口速度

rho[nx-1]=rho[nx-2]#出口密度此示例中，我們使用了有限體積法對(duì)連續(xù)性方程進(jìn)行離散化，通過(guò)時(shí)間積分更新速度和密度。需要注意的是，實(shí)際的LES計(jì)算會(huì)更復(fù)雜，包括對(duì)動(dòng)量方程和能量方程的離散化，以及亞格子模型的實(shí)現(xiàn)。2.44LES在燃燒仿真中的應(yīng)用案例分析2.4.1燃燒仿真中的LES在燃燒仿真中，LES能夠捕捉到火焰?zhèn)鞑?、燃料混合和燃燒反?yīng)等過(guò)程中的大尺度結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過(guò)亞格子模型處理燃料和氧化劑的微尺度混合。這種方法特別適用于研究燃燒過(guò)程中的湍流影響，如發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的燃燒過(guò)程。2.4.2應(yīng)用案例：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒仿真在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒仿真中，LES被用來(lái)研究噴油、燃料霧化、湍流混合和燃燒反應(yīng)等過(guò)程。通過(guò)LES，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)燃燒效率、排放物生成和發(fā)動(dòng)機(jī)性能，從而優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。2.4.2.1模擬設(shè)置幾何結(jié)構(gòu)：發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的三維模型。邊界條件：噴油器的噴射速度和燃料特性，燃燒室的初始溫度和壓力。物理模型：燃料噴射模型、湍流模型（LES）、燃燒模型。2.4.2.2數(shù)據(jù)樣例以下是一個(gè)簡(jiǎn)化版的LES燃燒仿真數(shù)據(jù)樣例，展示了時(shí)間步長(zhǎng)、網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)和速度場(chǎng)的初始化：#定義LES燃燒仿真參數(shù)

dt=1e-6#時(shí)間步長(zhǎng)

nx,ny,nz=100,100,100#網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)

u=np.zeros((nx,ny,nz))#初始化速度場(chǎng)

v=np.zeros((nx,ny,nz))

w=np.zeros((nx,ny,nz))

rho=np.zeros((nx,ny,nz))#初始化密度場(chǎng)

T=np.zeros((nx,ny,nz))#初始化溫度場(chǎng)

#設(shè)置初始條件

rho[:,:,:]=1.2#初始密度

T[:,:,:]=300#初始溫度

u[50,50,50]=100#噴油器位置的速度2.4.3結(jié)果分析通過(guò)LES燃燒仿真，可以得到燃燒室內(nèi)速度、溫度、壓力和燃料濃度等物理量的時(shí)空分布，從而分析燃燒過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。例如，可以研究火焰?zhèn)鞑ニ俣?、燃燒效率和排放物生成等關(guān)鍵參數(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。2.4.3.1結(jié)果示例假設(shè)我們得到了以下的仿真結(jié)果，展示了燃燒室內(nèi)溫度的分布：#仿真結(jié)果：燃燒室內(nèi)溫度分布

T_distribution=np.load('T_distribution.npy')

#分析結(jié)果

max_T=np.max(T_distribution)#最高溫度

mean_T=np.mean(T_distribution)#平均溫度此示例中，我們通過(guò)np.load函數(shù)加載了仿真得到的溫度分布數(shù)據(jù)，然后計(jì)算了最高溫度和平均溫度，這些結(jié)果可以用于進(jìn)一步分析燃燒過(guò)程的熱力學(xué)特性。通過(guò)以上內(nèi)容，我們對(duì)大渦模擬（LES）在燃燒仿真中的應(yīng)用有了初步的了解，包括其基本概念、與RANS和DNS的比較、數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法，以及在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒仿真中的具體應(yīng)用案例。3燃燒數(shù)值模擬方法概論3.1數(shù)值模擬在燃燒研究中的重要性數(shù)值模擬在燃燒研究中扮演著至關(guān)重要的角色，它能夠幫助研究人員理解和預(yù)測(cè)燃燒過(guò)程中的復(fù)雜現(xiàn)象。燃燒過(guò)程涉及多種物理和化學(xué)過(guò)程，包括流體動(dòng)力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)，這些過(guò)程相互作用，形成了燃燒的動(dòng)態(tài)特性。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法雖然能夠提供直觀的觀察和數(shù)據(jù)，但在某些情況下，如微觀尺度的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、極端條件下的燃燒過(guò)程，實(shí)驗(yàn)方法可能受到限制。此時(shí)，數(shù)值模擬成為一種有效的補(bǔ)充手段，它能夠：提供詳細(xì)過(guò)程信息：數(shù)值模擬可以詳細(xì)追蹤燃燒過(guò)程中的溫度、壓力、濃度等參數(shù)的變化，這對(duì)于理解燃燒機(jī)理至關(guān)重要。成本效益：相比于實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬在成本和時(shí)間上往往更為經(jīng)濟(jì)，尤其是在探索不同設(shè)計(jì)或條件下的燃燒行為時(shí)。預(yù)測(cè)能力：通過(guò)建立準(zhǔn)確的模型，數(shù)值模擬能夠預(yù)測(cè)在實(shí)驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的燃燒條件下的行為，為工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。3.2燃燒數(shù)值模擬的網(wǎng)格與邊界條件設(shè)置3.2.1網(wǎng)格設(shè)置網(wǎng)格是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，它將連續(xù)的物理空間離散化為一系列有限的單元，以便于數(shù)值計(jì)算。在燃燒模擬中，網(wǎng)格的選擇直接影響到計(jì)算的精度和效率。常見(jiàn)的網(wǎng)格類型包括：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格：網(wǎng)格單元排列有序，形狀規(guī)則，適合于幾何形狀簡(jiǎn)單的燃燒室。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格：網(wǎng)格單元形狀和大小不一，能夠適應(yīng)復(fù)雜幾何形狀，如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。自適應(yīng)網(wǎng)格：根據(jù)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的物理量變化自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格密度，提高計(jì)算效率和精度。3.2.2邊界條件設(shè)置邊界條件是模擬中不可或缺的一部分，它定義了模擬域與外界的相互作用。在燃燒模擬中，常見(jiàn)的邊界條件包括：入口邊界條件：通常設(shè)定為特定的流速、溫度和燃料濃度。出口邊界條件：可以設(shè)定為壓力邊界，允許流體自由流出。壁面邊界條件：模擬燃燒室壁面的熱傳遞和流體動(dòng)力