燃燒仿真.燃燒數值模擬方法：多相流模型：多相流燃燒模型驗證與應用

燃燒仿真.燃燒數值模擬方法：多相流模型：多相流燃燒模型驗證與應用1燃燒仿真基礎1.1燃燒理論簡介燃燒是一種復雜的化學反應過程，涉及到燃料與氧化劑的快速氧化反應，產生熱能和光能。在燃燒過程中，不僅有化學反應，還有物理過程，如傳熱、傳質和流動。燃燒理論主要研究燃燒的機理、動力學和熱力學特性，以及燃燒過程中的流體動力學行為。1.1.1化學反應機理燃燒反應通常涉及多個步驟，包括燃料的裂解、氧化和中間產物的形成與消耗。例如，甲烷（CH4）在氧氣（O2）中的燃燒可以簡化為以下反應：CH4+2O2->CO2+2H2O但實際上，這個過程包含多個中間步驟和副反應，形成復雜的反應網絡。1.1.2燃燒動力學燃燒動力學研究反應速率和反應路徑，以及溫度、壓力和反應物濃度對燃燒過程的影響。反應速率通常由阿倫尼烏斯方程描述：k=A*exp(-Ea/(R*T))其中，k是反應速率常數，A是頻率因子，Ea是活化能，R是理想氣體常數，T是絕對溫度。1.1.3燃燒熱力學燃燒熱力學關注燃燒過程中的能量轉換，包括反應熱、熵變和吉布斯自由能變。這些參數決定了燃燒反應的自發(fā)性和方向。1.2數值模擬方法概述數值模擬是研究燃燒過程的重要工具，它通過數學模型和計算機算法來預測燃燒行為。數值模擬方法主要包括：1.2.1有限體積法有限體積法是一種廣泛應用于流體動力學和燃燒模擬的數值方法。它將計算域劃分為多個控制體積，然后在每個控制體積上應用守恒定律，形成離散方程組。1.2.1.1示例代碼#有限體積法示例：一維熱傳導

importnumpyasnp

#參數設置

L=1.0#材料長度

N=100#網格數量

dx=L/N#網格間距

dt=0.001#時間步長

alpha=0.1#熱擴散率

T=np.zeros(N+1)#溫度分布初始化

#邊界條件

T[0]=100#左邊界溫度

T[-1]=0#右邊界溫度

#主循環(huán)

forninrange(1000):

T_new=np.copy(T)

foriinrange(1,N):

T_new[i]=T[i]+alpha*dt/dx**2*(T[i+1]-2*T[i]+T[i-1])

T=T_new

#輸出最終溫度分布

print(T)這段代碼演示了如何使用有限體積法求解一維熱傳導問題。雖然這是一個簡化示例，但展示了如何通過離散化方程來模擬熱能的傳遞。1.2.2多相流模型基礎多相流模型用于描述包含兩種或更多相態(tài)（如氣、液、固）的流體系統。在燃燒仿真中，多相流模型特別重要，因為燃燒通常涉及氣相和液相或固相的相互作用。1.2.2.1多相流模型的關鍵概念相界面：不同相態(tài)之間的邊界。相間傳質：物質從一相轉移到另一相。相間傳熱：熱量在不同相態(tài)之間的傳遞。相變：物質從一種相態(tài)轉變?yōu)榱硪环N相態(tài)，如蒸發(fā)或凝結。1.2.3多相流模型的數學描述多相流模型通?；谶B續(xù)方程、動量方程和能量方程，以及相間傳質和傳熱的附加方程。這些方程在每個相態(tài)中都存在，并通過相間相互作用的邊界條件相連接。1.2.3.1示例代碼#多相流模型示例：氣液兩相流

importnumpyasnp

#參數設置

L=1.0#管道長度

N=100#網格數量

dx=L/N#網格間距

dt=0.001#時間步長

rho_gas=1.2#氣體密度

rho_liquid=1000#液體密度

u_gas=10#氣體速度

u_liquid=5#液體速度

alpha_gas=np.zeros(N+1)#氣體體積分數

alpha_liquid=np.zeros(N+1)#液體體積分數

#初始條件

alpha_gas[0]=0.8#左邊界氣體體積分數

alpha_liquid[0]=0.2#左邊界液體體積分數

#主循環(huán)

forninrange(1000):

alpha_gas_new=np.copy(alpha_gas)

alpha_liquid_new=np.copy(alpha_liquid)

foriinrange(1,N):

alpha_gas_new[i]=alpha_gas[i]-dt/dx*(rho_gas*u_gas*(alpha_gas[i]-alpha_gas[i-1]))

alpha_liquid_new[i]=alpha_liquid[i]-dt/dx*(rho_liquid*u_liquid*(alpha_liquid[i]-alpha_liquid[i-1]))

alpha_gas=alpha_gas_new

alpha_liquid=alpha_liquid_new

#輸出最終體積分數分布

print(alpha_gas)

print(alpha_liquid)此代碼示例展示了如何使用有限體積法模擬氣液兩相流的體積分數變化。通過跟蹤氣體和液體的體積分數，可以分析兩相在管道中的分布和相互作用。通過以上介紹，我們了解了燃燒仿真基礎中的關鍵概念，包括燃燒理論、數值模擬方法和多相流模型。這些理論和方法為更深入地研究多相流燃燒模型驗證與應用提供了堅實的基礎。2多相流燃燒模型2.1氣液兩相燃燒模型2.1.1原理氣液兩相燃燒模型主要關注氣相與液相之間的相互作用，特別是在燃燒過程中。這種模型通常涉及到氣泡動力學、液滴蒸發(fā)、液滴破碎以及液滴與氣相之間的傳質和傳熱過程。在數值模擬中，常用的方法包括歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法。2.1.1.1歐拉-歐拉方法此方法將氣相和液相視為連續(xù)介質，使用一組平均的連續(xù)方程和動量方程來描述兩相的流動。相間相互作用通過源項在方程中體現。2.1.1.2歐拉-拉格朗日方法此方法中，氣相被視為連續(xù)介質，而液相則通過離散的液滴模型來表示。液滴的運動、蒸發(fā)和破碎過程通過跟蹤每個液滴的軌跡來計算。2.1.2內容在氣液兩相燃燒模型中，關鍵參數包括液滴直徑、液滴速度、氣泡大小、氣泡速度、氣液界面的傳熱系數和傳質系數。這些參數的準確計算對于預測燃燒效率、污染物生成和熱力學性能至關重要。2.1.2.1示例：液滴蒸發(fā)模型#液滴蒸發(fā)模型示例

importnumpyasnp

#定義液滴蒸發(fā)的關鍵參數

D=0.001#液滴直徑，單位：米

rho_l=800#液體密度，單位：千克/立方米

rho_g=1.2#氣體密度，單位：千克/立方米

mu_g=1.8e-5#氣體粘度，單位：帕斯卡·秒

T_l=300#液體溫度，單位：開爾文

T_g=400#氣體溫度，單位：開爾文

h=100#氣液界面?zhèn)鳠嵯禂?，單位：瓦?（平方米·開爾文）

L=2500000#液體蒸發(fā)潛熱，單位：焦耳/千克

#計算液滴蒸發(fā)速率

Re=rho_g*D*np.sqrt(2*rho_l*g*D/mu_g)#雷諾數

Sh=2+0.6*Re**0.5#舍伍德數

m_dot=4*np.pi*D**2*h*(T_g-T_l)/L#質量蒸發(fā)速率

#輸出結果

print(f"液滴蒸發(fā)速率:{m_dot}千克/秒")此代碼示例展示了如何基于液滴直徑、液體和氣體的物理性質，以及氣液界面的傳熱系數來計算液滴的蒸發(fā)速率。2.2氣固兩相燃燒模型2.2.1原理氣固兩相燃燒模型主要研究氣體與固體顆粒之間的相互作用，特別是在燃燒過程中。固體顆?？梢允侨剂项w粒，也可以是催化劑或惰性顆粒。模型需要考慮顆粒的運動、燃燒反應、傳熱和傳質過程。2.2.1.1歐拉-拉格朗日方法在氣固兩相燃燒中，氣相被視為連續(xù)介質，而固體顆粒則通過離散的顆粒模型來表示。顆粒的運動、燃燒和傳熱過程通過跟蹤每個顆粒的軌跡來計算。2.2.2內容關鍵參數包括顆粒直徑、顆粒速度、氣體速度、顆粒溫度、氣體溫度、顆粒與氣體之間的傳熱系數和傳質系數。這些參數的準確計算對于預測燃燒效率、顆粒燃燒速率和燃燒產物的分布至關重要。2.2.2.1示例：顆粒燃燒模型#顆粒燃燒模型示例

importnumpyasnp

#定義顆粒燃燒的關鍵參數

D_p=0.001#顆粒直徑，單位：米

rho_p=2500#顆粒密度，單位：千克/立方米

rho_g=1.2#氣體密度，單位：千克/立方米

mu_g=1.8e-5#氣體粘度，單位：帕斯卡·秒

T_p=1200#顆粒溫度，單位：開爾文

T_g=1000#氣體溫度，單位：開爾文

h=100#顆粒與氣體界面?zhèn)鳠嵯禂担瑔挝唬和咛?（平方米·開爾文）

Q=40000000#顆粒燃燒熱，單位：焦耳/千克

#計算顆粒燃燒速率

Re=rho_g*D_p*np.sqrt(2*rho_p*g*D_p/mu_g)#顆粒雷諾數

Nu=2+0.6*Re**0.5#顆粒努塞爾數

q_dot=4*np.pi*D_p*h*(T_g-T_p)#熱量傳遞速率

m_dot=q_dot/Q#質量燃燒速率

#輸出結果

print(f"顆粒燃燒速率:{m_dot}千克/秒")此代碼示例展示了如何基于顆粒直徑、顆粒和氣體的物理性質，以及顆粒與氣體界面的傳熱系數來計算顆粒的燃燒速率。2.3液固兩相燃燒模型2.3.1原理液固兩相燃燒模型關注液體燃料與固體表面之間的相互作用，特別是在燃燒過程中。這種模型通常涉及到液體燃料的蒸發(fā)、液體燃料與固體表面的傳熱和傳質過程，以及固體表面的化學反應。2.3.2內容關鍵參數包括液體燃料的物理性質、固體表面的化學性質、液體燃料與固體表面之間的傳熱系數和傳質系數。這些參數的準確計算對于預測燃燒效率、固體表面的化學反應速率和燃燒產物的分布至關重要。2.3.2.1示例：液固傳熱模型#液固傳熱模型示例

importnumpyasnp

#定義液固傳熱的關鍵參數

D_l=0.001#液體燃料層厚度，單位：米

rho_l=800#液體燃料密度，單位：千克/立方米

rho_s=2500#固體密度，單位：千克/立方米

mu_l=0.001#液體燃料粘度，單位：帕斯卡·秒

T_l=300#液體燃料溫度，單位：開爾文

T_s=1000#固體表面溫度，單位：開爾文

h=100#液體燃料與固體表面界面?zhèn)鳠嵯禂?，單位：瓦?（平方米·開爾文）

#計算液固界面的熱量傳遞

Q_dot=h*D_l*(T_s-T_l)#熱量傳遞速率

#輸出結果

print(f"液固界面的熱量傳遞速率:{Q_dot}瓦特")此代碼示例展示了如何基于液體燃料層厚度、液體燃料和固體的物理性質，以及液體燃料與固體表面界面的傳熱系數來計算液固界面的熱量傳遞速率。2.4多相流燃燒模型的耦合與交互2.4.1原理多相流燃燒模型的耦合與交互涉及到不同相之間的相互作用，包括傳熱、傳質、動量交換和化學反應。在數值模擬中，這些相互作用通常通過源項和邊界條件在控制方程中體現。2.4.2內容耦合模型需要考慮不同相之間的相互依賴性，例如，氣相的溫度和壓力會影響液滴的蒸發(fā)速率，而液滴的蒸發(fā)又會改變氣相的溫度和壓力。同樣，固體顆粒的燃燒會影響氣相的化學組成，反過來，氣相的溫度和化學組成也會影響固體顆粒的燃燒速率。2.4.2.1示例：多相流耦合模型#多相流耦合模型示例

importnumpyasnp

#定義多相流耦合的關鍵參數

D_l=0.001#液體燃料層厚度，單位：米

D_p=0.001#顆粒直徑，單位：米

rho_l=800#液體燃料密度，單位：千克/立方米

rho_p=2500#顆粒密度，單位：千克/立方米

rho_g=1.2#氣體密度，單位：千克/立方米

mu_g=1.8e-5#氣體粘度，單位：帕斯卡·秒

T_l=300#液體燃料溫度，單位：開爾文

T_p=1200#顆粒溫度，單位：開爾文

T_g=1000#氣體溫度，單位：開爾文

h_lg=100#液體燃料與氣體界面?zhèn)鳠嵯禂?，單位：瓦?（平方米·開爾文）

h_pg=100#顆粒與氣體界面?zhèn)鳠嵯禂?，單位：瓦?（平方米·開爾文）

L=2500000#液體蒸發(fā)潛熱，單位：焦耳/千克

Q=40000000#顆粒燃燒熱，單位：焦耳/千克

#計算液滴蒸發(fā)和顆粒燃燒對氣相溫度的影響

Re_l=rho_g*D_l*np.sqrt(2*rho_l*g*D_l/mu_g)#液體雷諾數

Nu_l=2+0.6*Re_l**0.5#液體努塞爾數

m_dot_l=4*np.pi*D_l**2*h_lg*(T_g-T_l)/L#液體蒸發(fā)速率

Re_p=rho_g*D_p*np.sqrt(2*rho_p*g*D_p/mu_g)#顆粒雷諾數

Nu_p=2+0.6*Re_p**0.5#顆粒努塞爾數

m_dot_p=4*np.pi*D_p*h_pg*(T_g-T_p)/Q#顆粒燃燒速率

#假設氣相溫度變化與蒸發(fā)和燃燒速率成正比

dT_g=m_dot_l*L/(rho_g*D_l)+m_dot_p*Q/(rho_g*D_p)

#輸出結果

print(f"氣相溫度變化:{dT_g}開爾文")此代碼示例展示了如何基于液體燃料和顆粒的物理性質，以及它們與氣體界面的傳熱系數來計算液滴蒸發(fā)和顆粒燃燒對氣相溫度的影響。通過計算液體蒸發(fā)速率和顆粒燃燒速率，然后基于這些速率來估計氣相溫度的變化，從而展示了多相流耦合模型的基本原理。3模型驗證與應用3.11模型驗證方法論在燃燒仿真領域，模型驗證是確保數值模擬結果準確反映物理現象的關鍵步驟。多相流燃燒模型的驗證通常涉及理論分析、數值實驗和物理實驗的對比。以下是一種常見的驗證流程：理論分析：基于模型的數學描述，進行理論推導，檢查模型的物理合理性。數值實驗：使用已知邊界條件和初始條件，通過數值模擬獲取結果。物理實驗：在實驗室中，對相同條件下的燃燒過程進行實驗測量，獲取數據。結果對比：將數值實驗結果與物理實驗數據進行對比，評估模型的準確性。3.1.1示例：使用OpenFOAM驗證多相流燃燒模型#導入OpenFOAM環(huán)境

source$WM_PROJECT_DIR/bin/OpenFOAM

#設置模型參數

cp-r$WM_PROJECT_DIR/tutorials/multiphase/mixtureModels/interFoam/dropletCombustion/dropletCombustionCase.

cddropletCombustionCase

#編輯控制文件

visystem/controlDict

#運行模擬

interFoam

#分析結果

foamPlot&

#對比實驗數據

#假設實驗數據存儲在data/experimentalData.csv

#使用Python進行數據處理和對比importpandasaspd

importmatplotlib.pyplotasplt

#讀取實驗數據

exp_data=pd.read_csv('data/experimentalData.csv')

#讀取模擬結果

sim_data=pd.read_csv('postProcessing/sets/0.001/Temperature.csv')

#數據對比

plt.figure()

plt.plot(exp_data['Time'],exp_data['Temperature'],label='實驗數據')

plt.plot(sim_data['Time'],sim_data['Temperature'],label='模擬結果')

plt.legend()

plt.show()3.22實驗數據對比分析實驗數據對比分析是模型驗證的核心。通過對比，可以識別模型的偏差，進而調整模型參數或改進模型結構。3.2.1示例：溫度分布對比假設實驗測量了燃燒過程中的溫度分布，我們可以通過以下步驟進行對比分析：數據準備：確保實驗數據和模擬數據在時間點和空間位置上對齊。數據可視化：使用圖表直觀展示兩組數據的差異。誤差計算：計算實驗數據與模擬數據之間的誤差，如均方根誤差（RMSE）。#計算均方根誤差

rmse=((exp_data['Temperature']-sim_data['Temperature'])**2).mean()**0.5

print(f'均方根誤差:{rmse}')3.33工業(yè)應用案例研究多相流燃燒模型在工業(yè)應用中廣泛用于預測和優(yōu)化燃燒過程，如在航空發(fā)動機、汽車引擎和工業(yè)鍋爐中的應用。3.3.1示例：航空發(fā)動機燃燒室仿真在航空發(fā)動機燃燒室的仿真中，模型需要準確預測燃料噴射、混合和燃燒過程，以及燃燒室內的溫度和壓力分布。#設置航空發(fā)動機燃燒室的模擬參數

cp-r$WM_PROJECT_DIR/tutorials/multiphase/mixtureModels/interFoam/aircraftEngineCombustion.

cdaircraftEngineCombustion

#編輯控制文件和邊界條件

visystem/controlDict

viconstant/polyMesh/bound