燃燒仿真軟件CONVERGE-CFD預(yù)處理技術(shù)教程

燃燒仿真軟件CONVERGE_CFD預(yù)處理技術(shù)教程1燃燒仿真的基本概念1.1燃燒仿真的定義燃燒仿真是一種利用計算機(jī)軟件對燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬的技術(shù)。它基于流體力學(xué)、熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)等原理，通過求解控制方程，如連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和物種守恒方程，來預(yù)測燃燒室內(nèi)燃料的燃燒行為、溫度分布、壓力變化、污染物生成等現(xiàn)象。燃燒仿真能夠幫助工程師和科學(xué)家在設(shè)計和優(yōu)化燃燒系統(tǒng)時，減少實(shí)驗(yàn)成本，提高效率。1.2燃燒仿真的應(yīng)用領(lǐng)域燃燒仿真廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，包括但不限于：航空航天：發(fā)動機(jī)燃燒室的設(shè)計與優(yōu)化，減少污染物排放，提高燃燒效率。汽車工業(yè)：內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程模擬，優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)，減少油耗，降低排放。能源行業(yè)：燃燒器、鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備的性能預(yù)測，提高能源利用效率。化工行業(yè)：反應(yīng)器內(nèi)燃燒反應(yīng)的模擬，控制燃燒過程，避免爆炸等安全事故。環(huán)境保護(hù)：預(yù)測燃燒過程中的污染物生成，如NOx、SOx等，為減少排放提供依據(jù)。2燃燒仿真軟件：CONVERGECFD2.1CONVERGECFD的預(yù)處理技術(shù)2.1.1自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化（AMR）CONVERGECFD采用自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)，能夠自動在需要高分辨率的區(qū)域（如燃燒區(qū)域、噴射區(qū)域）細(xì)化網(wǎng)格，而在其他區(qū)域使用較粗的網(wǎng)格，從而在保證計算精度的同時，減少計算資源的消耗。AMR技術(shù)基于網(wǎng)格的局部誤差估計，自動調(diào)整網(wǎng)格的細(xì)化程度。2.1.2動態(tài)網(wǎng)格（DynamicMesh）動態(tài)網(wǎng)格技術(shù)允許網(wǎng)格在計算過程中根據(jù)流場的變化自動調(diào)整，這對于模擬燃燒過程中的噴射、燃燒波的傳播等動態(tài)現(xiàn)象尤為重要。CONVERGECFD的動態(tài)網(wǎng)格技術(shù)能夠處理復(fù)雜的幾何變化，如活塞運(yùn)動、閥門開啟等，確保計算的準(zhǔn)確性和效率。2.1.3多相流模擬燃燒過程往往涉及氣、液、固多相流的相互作用，CONVERGECFD能夠處理多相流的復(fù)雜物理現(xiàn)象，如液滴的蒸發(fā)、燃燒、破碎和凝聚，以及固體顆粒的燃燒和運(yùn)動。這使得軟件能夠準(zhǔn)確模擬燃料噴射、液滴燃燒等過程，對于內(nèi)燃機(jī)、噴氣發(fā)動機(jī)等設(shè)備的燃燒仿真至關(guān)重要。2.1.4化學(xué)反應(yīng)模型CONVERGECFD內(nèi)置了多種化學(xué)反應(yīng)模型，包括詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和簡化模型，能夠模擬各種燃料的燃燒過程，從簡單的甲烷到復(fù)雜的柴油燃料。用戶可以根據(jù)需要選擇合適的化學(xué)反應(yīng)模型，以平衡計算精度和效率。2.1.5燃燒模型CONVERGECFD提供了多種燃燒模型，如PDF（ProbabilityDensityFunction）模型、EddyDissipationModel（EDM）等，用于描述湍流燃燒的物理過程。這些模型能夠處理不同類型的燃燒，包括預(yù)混燃燒、擴(kuò)散燃燒和部分預(yù)混燃燒。2.1.6界面追蹤技術(shù)對于涉及液滴或氣泡的燃燒過程，CONVERGECFD采用先進(jìn)的界面追蹤技術(shù)，如VOF（VolumeofFluid）方法，來準(zhǔn)確模擬界面的運(yùn)動和變形。這有助于理解液滴燃燒的細(xì)節(jié)，如液滴的蒸發(fā)、燃燒速率等。2.1.7預(yù)處理腳本CONVERGECFD支持使用預(yù)處理腳本來自動化設(shè)置和調(diào)整計算參數(shù)，這對于處理大量相似的計算案例非常有用。預(yù)處理腳本可以使用CONVERGECFD的內(nèi)置腳本語言編寫，也可以使用Python等外部腳本語言。示例：使用Python腳本設(shè)置CONVERGECFD的計算參數(shù)#導(dǎo)入CONVERGECFD的預(yù)處理模塊

importconverge

#創(chuàng)建一個CONVERGECFD的預(yù)處理對象

case=converge.Case('my_case')

#設(shè)置計算域的尺寸

case.set_domain_size(1.0,1.0,1.0)

#設(shè)置網(wǎng)格細(xì)化級別

case.set_amr_levels(4)

#設(shè)置化學(xué)反應(yīng)模型

case.set_chemistry_model('diesel')

#設(shè)置燃燒模型

case.set_combustion_model('PDF')

#設(shè)置燃料噴射參數(shù)

case.set_injection('diesel',1000,0.001)

#保存預(yù)處理設(shè)置

case.save()在上述示例中，我們使用Python腳本來設(shè)置CONVERGECFD的計算參數(shù)，包括計算域的尺寸、網(wǎng)格細(xì)化級別、化學(xué)反應(yīng)模型、燃燒模型和燃料噴射參數(shù)。這展示了如何通過預(yù)處理腳本來自動化設(shè)置，提高工作效率。通過上述內(nèi)容，我們了解了燃燒仿真的基本概念，以及CONVERGECFD軟件在預(yù)處理技術(shù)方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢。這些技術(shù)的應(yīng)用使得燃燒仿真成為現(xiàn)代工程設(shè)計和研究中不可或缺的工具。3CONVERGE_CFD軟件介紹3.1CONVERGE_CFD的特點(diǎn)CONVERGECFD是一款專為復(fù)雜流體動力學(xué)和燃燒仿真設(shè)計的軟件，其核心特點(diǎn)在于自動網(wǎng)格生成技術(shù)，以及對湍流、噴霧、燃燒等現(xiàn)象的精確模擬能力。以下是CONVERGECFD的幾個顯著特點(diǎn)：自動網(wǎng)格生成：CONVERGECFD能夠自動為復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，無需手動劃分網(wǎng)格，大大簡化了預(yù)處理步驟。湍流模型：軟件內(nèi)置多種湍流模型，如RANS、LES和DES，能夠根據(jù)不同的仿真需求選擇最合適的模型。噴霧模型：CONVERGECFD對噴霧過程的模擬非常精確，包括液滴的破碎、蒸發(fā)和燃燒，適用于內(nèi)燃機(jī)、噴霧干燥器等設(shè)備的仿真。燃燒模型：軟件支持多種燃燒模型，如PDF、EGR和詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，能夠準(zhǔn)確預(yù)測燃燒效率和排放特性。并行計算：CONVERGECFD支持大規(guī)模并行計算，能夠有效縮短仿真時間，提高計算效率。3.2CONVERGE_CFD的應(yīng)用案例3.2.1內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真CONVERGECFD在內(nèi)燃機(jī)燃燒仿真中有著廣泛的應(yīng)用。例如，使用CONVERGECFD可以模擬柴油機(jī)的燃燒過程，分析噴油策略對燃燒效率和排放的影響。下面是一個使用CONVERGECFD進(jìn)行柴油機(jī)燃燒仿真的簡化示例：#創(chuàng)建CONVERGECFD輸入文件

converge-iinput_file.cfd

#設(shè)置仿真參數(shù)，如湍流模型和燃燒模型

setturbulence_modelRANS;

setcombustion_modelPDF;

#定義噴油器位置和噴油策略

defineinjector_position;

defineinjection_strategy;

#運(yùn)行仿真

converge-r;

#分析結(jié)果

converge-presults_file.cfd在這個示例中，我們首先創(chuàng)建了一個CONVERGECFD的輸入文件，然后設(shè)置了湍流模型為RANS，燃燒模型為PDF。接著定義了噴油器的位置和噴油策略，運(yùn)行了仿真，并最后分析了仿真結(jié)果。3.2.2噴霧干燥器仿真噴霧干燥器是化工行業(yè)中常用的一種設(shè)備，用于將液體物料干燥成粉末。CONVERGECFD能夠精確模擬噴霧干燥器內(nèi)的流場和干燥過程，幫助優(yōu)化設(shè)備設(shè)計和操作條件。以下是一個使用CONVERGECFD進(jìn)行噴霧干燥器仿真的示例：#創(chuàng)建輸入文件

converge-ispray_dryer.cfd

#設(shè)置噴霧模型和干燥模型

setspray_model;

setdrying_model;

#定義噴嘴位置和噴霧參數(shù)

definenozzle_position;

definespray_parameters;

#運(yùn)行仿真

converge-r;

#分析干燥效率和粉末粒徑分布

converge-presults_file.cfd在這個示例中，我們設(shè)置了噴霧模型和干燥模型，定義了噴嘴的位置和噴霧參數(shù)，運(yùn)行了仿真，并分析了干燥效率和粉末粒徑分布。CONVERGECFD的這些特點(diǎn)和應(yīng)用案例展示了其在燃燒仿真領(lǐng)域的強(qiáng)大功能和廣泛適用性。通過自動網(wǎng)格生成和精確的物理模型，CONVERGECFD能夠幫助工程師和研究人員深入理解燃燒過程，優(yōu)化設(shè)備設(shè)計，提高燃燒效率，減少排放。4預(yù)處理技術(shù)概覽4.1網(wǎng)格生成技術(shù)在燃燒仿真中，網(wǎng)格生成是預(yù)處理階段的關(guān)鍵步驟，它直接影響到計算的準(zhǔn)確性和效率。CONVERGECFD采用了一種獨(dú)特的網(wǎng)格生成技術(shù)，稱為“Cartesianmeshwithcutcells”（Cartesian網(wǎng)格與切割單元），這使得軟件能夠自動適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，無需手動創(chuàng)建網(wǎng)格。4.1.1原理Cartesian網(wǎng)格由一系列正交的網(wǎng)格線構(gòu)成，形成一個三維的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。當(dāng)遇到復(fù)雜的幾何形狀時，CONVERGECFD不會嘗試?yán)@過這些形狀，而是直接“切割”網(wǎng)格單元，使得網(wǎng)格能夠精確地貼合幾何邊界。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，它能夠自動處理復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，減少網(wǎng)格生成的時間，同時保持較高的計算精度。4.1.2內(nèi)容自動網(wǎng)格生成：CONVERGECFD能夠自動識別幾何模型的邊界，并生成適應(yīng)這些邊界的網(wǎng)格。用戶只需提供幾何模型，無需手動調(diào)整網(wǎng)格。切割單元：在幾何模型的邊界處，網(wǎng)格單元被切割，以確保網(wǎng)格與邊界精確匹配。切割單元的處理方式確保了計算域的完整性，避免了傳統(tǒng)網(wǎng)格生成方法中可能遇到的網(wǎng)格質(zhì)量問題。自適應(yīng)細(xì)化：CONVERGECFD還提供了自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化功能，能夠在需要更高分辨率的區(qū)域自動增加網(wǎng)格密度，從而提高計算精度。4.2化學(xué)反應(yīng)模型設(shè)置化學(xué)反應(yīng)模型是燃燒仿真中另一個至關(guān)重要的部分，它描述了燃料與氧化劑之間的化學(xué)反應(yīng)過程。在CONVERGECFD中，用戶可以設(shè)置多種化學(xué)反應(yīng)模型，以適應(yīng)不同的燃燒場景。4.2.1原理化學(xué)反應(yīng)模型通?；诨瘜W(xué)動力學(xué)理論，描述了化學(xué)反應(yīng)的速率和機(jī)理。在燃燒仿真中，化學(xué)反應(yīng)模型需要與流體動力學(xué)模型耦合，以準(zhǔn)確預(yù)測燃燒過程中的溫度、壓力和物種濃度的變化。4.2.2內(nèi)容詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理：CONVERGECFD支持導(dǎo)入詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，如GRI-Mech3.0，這些機(jī)理包含了燃料與氧化劑之間所有可能的化學(xué)反應(yīng)路徑。簡化化學(xué)反應(yīng)模型：對于計算資源有限的情況，可以使用簡化化學(xué)反應(yīng)模型，如“EDC”（EddyDissipationConcept）模型，它假設(shè)湍流與化學(xué)反應(yīng)是瞬時耦合的，從而簡化了計算過程?；瘜W(xué)反應(yīng)模型的參數(shù)調(diào)整：用戶可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論預(yù)測，調(diào)整化學(xué)反應(yīng)模型中的參數(shù)，如反應(yīng)速率常數(shù)，以優(yōu)化模型的預(yù)測能力。4.2.3示例假設(shè)我們正在使用CONVERGECFD進(jìn)行甲烷燃燒的仿真，下面是一個設(shè)置化學(xué)反應(yīng)模型的示例：#設(shè)置化學(xué)反應(yīng)模型

#使用GRI-Mech3.0作為化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

#適用于詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的燃燒仿真

#打開CONVERGECFD的預(yù)處理界面

converge_preprocessor

#導(dǎo)入幾何模型

import_geometrymethane_burner.stl

#設(shè)置化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

set_chemistry_modelmechanism=GRI-Mech30

#設(shè)置燃料和氧化劑的入口條件

set_inletboundary=air_inletspecies=O2:21.0,N2:79.0

set_inletboundary=fuel_inletspecies=CH4:1.0

#設(shè)置計算域的初始條件

set_initial_conditiontemperature=300K,pressure=1atm

#保存預(yù)處理設(shè)置

save_project在這個示例中，我們首先導(dǎo)入了甲烷燃燒器的幾何模型，然后設(shè)置了使用GRI-Mech3.0作為化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。接著，我們定義了燃料和氧化劑的入口條件，以及計算域的初始溫度和壓力。最后，我們保存了預(yù)處理設(shè)置，準(zhǔn)備進(jìn)行仿真計算。通過上述示例，我們可以看到在CONVERGECFD中設(shè)置化學(xué)反應(yīng)模型的步驟，以及如何使用代碼塊來實(shí)現(xiàn)這些設(shè)置。這為進(jìn)行燃燒仿真提供了一個清晰的指導(dǎo)。5網(wǎng)格生成技術(shù)詳解5.1自動網(wǎng)格劃分在燃燒仿真軟件CONVERGECFD中，自動網(wǎng)格劃分是一項(xiàng)關(guān)鍵的預(yù)處理技術(shù)，它能夠自動生成適應(yīng)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，從而提高計算效率和準(zhǔn)確性。CONVERGECFD采用了一種稱為“Cartesianmesh”的網(wǎng)格生成方法，這種方法不需要用戶手動創(chuàng)建網(wǎng)格，而是通過自動識別幾何特征來生成網(wǎng)格。5.1.1原理Cartesianmesh方法基于笛卡爾坐標(biāo)系，使用一系列正交的網(wǎng)格線來填充計算域。對于復(fù)雜的幾何形狀，CONVERGECFD會自動識別物體邊界，并在這些邊界上生成一層或多層非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，稱為“cutcells”。這些cutcells與Cartesianmesh相結(jié)合，能夠精確地表示幾何細(xì)節(jié)，同時保持網(wǎng)格的正交性，有利于數(shù)值計算的穩(wěn)定性和效率。5.1.2內(nèi)容幾何導(dǎo)入：用戶可以導(dǎo)入CAD模型或使用內(nèi)置的幾何創(chuàng)建工具來定義計算域的幾何形狀。網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置：用戶可以設(shè)置網(wǎng)格的分辨率，即網(wǎng)格單元的大小，以及在特定區(qū)域或邊界上增加網(wǎng)格密度的選項(xiàng)，以提高局部計算精度。自動網(wǎng)格生成：CONVERGECFD會根據(jù)設(shè)置的參數(shù)自動生成Cartesianmesh，并在幾何邊界上生成cutcells。網(wǎng)格優(yōu)化：軟件提供了網(wǎng)格優(yōu)化功能，可以自動調(diào)整網(wǎng)格單元的大小和形狀，以提高計算效率和準(zhǔn)確性。5.1.3示例假設(shè)我們有一個簡單的燃燒室?guī)缀文Ｐ?，需要在CONVERGECFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。以下是一個基本的網(wǎng)格生成過程：導(dǎo)入幾何模型：使用CONVERGECFD的幾何導(dǎo)入功能，將燃燒室的CAD模型導(dǎo)入軟件。設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)：在CONVERGECFD的預(yù)處理界面中，設(shè)置網(wǎng)格單元的大小為0.1mm，并在燃燒室的入口和出口區(qū)域增加網(wǎng)格密度。自動網(wǎng)格生成：點(diǎn)擊網(wǎng)格生成按鈕，CONVERGECFD將自動識別燃燒室的邊界，并在這些邊界上生成cutcells，同時在整個計算域內(nèi)生成Cartesianmesh。網(wǎng)格優(yōu)化：運(yùn)行網(wǎng)格優(yōu)化功能，軟件將自動調(diào)整網(wǎng)格單元的大小和形狀，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求。5.2網(wǎng)格質(zhì)量檢查網(wǎng)格質(zhì)量對于CFD仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率至關(guān)重要。CONVERGECFD提供了強(qiáng)大的網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具，幫助用戶確保網(wǎng)格滿足仿真需求。5.2.1原理網(wǎng)格質(zhì)量檢查主要關(guān)注網(wǎng)格的幾何屬性，如網(wǎng)格單元的大小、形狀、正交性和扭曲度。CONVERGECFD通過計算這些屬性的統(tǒng)計值，以及檢查是否存在過小或過大的網(wǎng)格單元，來評估網(wǎng)格的整體質(zhì)量。5.2.2內(nèi)容網(wǎng)格單元大小檢查：確保網(wǎng)格單元大小在合理范圍內(nèi)，避免過小或過大的單元影響計算效率和準(zhǔn)確性。網(wǎng)格單元形狀檢查：評估網(wǎng)格單元的形狀，確保它們接近正方體或正六面體，以減少數(shù)值誤差。網(wǎng)格正交性檢查：檢查網(wǎng)格單元的正交性，確保網(wǎng)格線盡可能正交，以提高計算穩(wěn)定性。網(wǎng)格扭曲度檢查：評估網(wǎng)格單元的扭曲程度，確保扭曲度在可接受范圍內(nèi)，避免數(shù)值不穩(wěn)定。5.2.3示例在完成網(wǎng)格生成后，用戶可以使用CONVERGECFD的網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具來評估網(wǎng)格質(zhì)量。以下是一個基本的網(wǎng)格質(zhì)量檢查過程：運(yùn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查：在CONVERGECFD的預(yù)處理界面中，選擇網(wǎng)格質(zhì)量檢查功能，軟件將自動計算網(wǎng)格單元的大小、形狀、正交性和扭曲度的統(tǒng)計值。查看統(tǒng)計報告：軟件將生成一個網(wǎng)格質(zhì)量報告，顯示網(wǎng)格單元的最小、最大和平均大小，以及形狀、正交性和扭曲度的分布情況。識別問題區(qū)域：根據(jù)報告，用戶可以識別網(wǎng)格質(zhì)量不佳的區(qū)域，如存在過小或過大的網(wǎng)格單元，或扭曲度較高的區(qū)域。網(wǎng)格優(yōu)化或調(diào)整：針對識別的問題區(qū)域，用戶可以運(yùn)行網(wǎng)格優(yōu)化功能，或手動調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)，以改善網(wǎng)格質(zhì)量。通過以上步驟，用戶可以確保CONVERGECFD中的網(wǎng)格質(zhì)量滿足燃燒仿真需求，從而提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。6燃燒仿真軟件：CONVERGECFD的預(yù)處理技術(shù)6.1化學(xué)反應(yīng)模型設(shè)置6.1.1化學(xué)反應(yīng)機(jī)理選擇在進(jìn)行燃燒仿真時，選擇合適的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理至關(guān)重要?；瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理描述了燃料與氧化劑之間的化學(xué)反應(yīng)過程，包括反應(yīng)物、產(chǎn)物、中間產(chǎn)物以及反應(yīng)速率。CONVERGECFD提供了多種化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，適用于不同的燃料類型和燃燒條件。機(jī)理選擇原則燃料類型：不同的燃料需要不同的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。例如，汽油、柴油、天然氣等，每種燃料都有其特定的機(jī)理。燃燒條件：燃燒溫度、壓力、氧氣濃度等條件也會影響機(jī)理的選擇。在高溫高壓下，某些反應(yīng)可能更為顯著。計算資源：復(fù)雜的機(jī)理需要更多的計算資源。在資源有限的情況下，可能需要選擇簡化機(jī)理。示例：GRI-Mech3.0機(jī)理GRI-Mech3.0是一種廣泛使用的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，適用于甲烷燃燒。它包含了53種物種和325個反應(yīng)。在CONVERGECFD中，可以通過以下方式設(shè)置GRI-Mech3.0機(jī)理：#在CONVERGEStudio中設(shè)置化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

#打開項(xiàng)目設(shè)置

ProjectSettings

#選擇化學(xué)反應(yīng)模型

ChemistryModel

#選擇GRI-Mech3.0機(jī)理

Mechanism:GRI-Mech3.06.1.2燃料和氧化劑的定義在CONVERGECFD中，燃料和氧化劑的定義是通過指定其化學(xué)組成和初始條件來完成的。這包括燃料的化學(xué)式、氧化劑的類型（通常是空氣或純氧）、以及它們的初始溫度和壓力。燃料定義燃料的定義通常在邊界條件中進(jìn)行。例如，如果使用甲烷作為燃料，可以定義如下：#在CONVERGEStudio中定義燃料邊界條件

#打開邊界條件設(shè)置

BoundaryConditions

#選擇燃料入口

Inlet:Fuel

#設(shè)置燃料類型為甲烷

Species:CH4

#設(shè)置燃料的初始溫度和壓力

Temperature:300K

Pressure:1atm氧化劑定義氧化劑的定義同樣在邊界條件中進(jìn)行。對于空氣作為氧化劑，可以定義如下：#在CONVERGEStudio中定義氧化劑邊界條件

#打開邊界條件設(shè)置

BoundaryConditions

#選擇氧化劑入口

Inlet:Oxidizer

#設(shè)置氧化劑類型為空氣

Species:AIR

#設(shè)置氧化劑的初始溫度和壓力

Temperature:300K

Pressure:1atm6.1.3結(jié)合使用在實(shí)際的燃燒仿真中，燃料和氧化劑的定義需要與化學(xué)反應(yīng)機(jī)理相結(jié)合。例如，使用GRI-Mech3.0機(jī)理和甲烷燃料，以及空氣作為氧化劑，可以創(chuàng)建一個基本的燃燒仿真場景。在CONVERGECFD中，這些設(shè)置將影響燃燒過程的模擬精度和計算效率。示例：創(chuàng)建燃燒仿真場景選擇GRI-Mech3.0機(jī)理：按照上述機(jī)理選擇步驟進(jìn)行。定義燃料入口：設(shè)置燃料為甲烷，溫度和壓力為300K和1atm。定義氧化劑入口：設(shè)置氧化劑為空氣，溫度和壓力同樣為300K和1atm。網(wǎng)格設(shè)置：根據(jù)燃燒室的幾何形狀和尺寸，創(chuàng)建合適的網(wǎng)格。運(yùn)行仿真：設(shè)置計算參數(shù)，如時間步長和仿真總時間，然后運(yùn)行仿真。通過這些步驟，可以創(chuàng)建一個基本的燃燒仿真，用于分析燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng)、溫度分布、壓力變化等關(guān)鍵參數(shù)。CONVERGECFD的預(yù)處理技術(shù)為用戶提供了靈活的工具，以精確地定義燃燒條件，從而獲得可靠的仿真結(jié)果。7邊界條件與初始條件設(shè)置7.1邊界條件的種類在進(jìn)行燃燒仿真時，邊界條件的設(shè)定至關(guān)重要，它直接影響到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。邊界條件通常分為以下幾種類型：壓力邊界條件：在入口和出口處設(shè)定壓力值，適用于開放系統(tǒng)或與大氣相連的系統(tǒng)。速度邊界條件：在入口設(shè)定速度值，確保流體以特定的速度進(jìn)入計算域。溫度邊界條件：設(shè)定邊界上的溫度值，對于燃燒過程中的熱邊界尤其重要。質(zhì)量分?jǐn)?shù)邊界條件：在入口設(shè)定燃料和氧化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以模擬燃燒過程的化學(xué)反應(yīng)。壁面邊界條件：設(shè)定固體壁面的性質(zhì)，如絕熱、恒溫或?qū)α鲹Q熱等。7.1.1示例：壓力邊界條件設(shè)置#在CONVERGECFD中設(shè)置入口壓力邊界條件

#打開CONVERGEStudio

converge_studio

#選擇入口邊界

boundary_typeinlet{

#設(shè)定入口壓力為101325Pa

pressure=101325;

}

#保存并運(yùn)行仿真

save

run7.1.2示例：速度邊界條件設(shè)置#在CONVERGECFD中設(shè)置入口速度邊界條件

#打開CONVERGEStudio

converge_studio

#選擇入口邊界

boundary_typeinlet{

#設(shè)定入口速度為10m/s

velocity=10;

}

#保存并運(yùn)行仿真

save

run7.2初始條件的設(shè)定方法初始條件是仿真開始時計算域內(nèi)的狀態(tài)，包括但不限于溫度、壓力、速度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)等。正確設(shè)定初始條件可以加速仿真收斂，避免不合理的初始狀態(tài)導(dǎo)致的計算錯誤。7.2.1示例：初始條件設(shè)置#在CONVERGECFD中設(shè)置初始條件

#打開CONVERGEStudio

converge_studio

#設(shè)定初始溫度為300K

initial_condition{

temperature=300;

}

#設(shè)定初始壓力為101325Pa

initial_condition{

pressure=101325;

}

#設(shè)定初始速度為0m/s

initial_condition{

velocity=0;

}

#設(shè)定初始燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1

initial_condition{

fuel_mass_fraction=0.1;

}

#保存并運(yùn)行仿真

save

run7.2.2注意事項(xiàng)一致性：邊界條件和初始條件應(yīng)與物理模型和仿真目標(biāo)保持一致。合理性：設(shè)定的條件應(yīng)符合實(shí)際物理過程，避免使用極端或不合理值。敏感性分析：對于關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)進(jìn)行敏感性分析，以確定其對仿真結(jié)果的影響。通過上述邊界條件和初始條件的設(shè)定，可以為燃燒仿真提供一個合理的起點(diǎn)，確保仿真過程的穩(wěn)定性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實(shí)際操作中，可能需要根據(jù)具體問題調(diào)整這些條件，以達(dá)到最佳的仿真效果。8燃燒仿真參數(shù)調(diào)整8.1湍流模型的選擇在燃燒仿真中，選擇合適的湍流模型至關(guān)重要，因?yàn)樗苯佑绊懙饺紵^程的準(zhǔn)確模擬。CONVERGECFD提供了多種湍流模型，包括RANS（Reynolds-AveragedNavier-Stokes）模型和LES（LargeEddySimulation）模型。RANS模型適用于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用，而LES模型則更適合于研究湍流的細(xì)節(jié)。8.1.1RANS模型RANS模型中最常用的是k-ε模型和k-ω模型。k-ε模型適用于低到中等湍流強(qiáng)度的流動，而k-ω模型在近壁面區(qū)域的預(yù)測更為準(zhǔn)確。在CONVERGE中，可以通過以下方式選擇k-ω模型：#在CONVERGE的輸入文件中設(shè)置湍流模型

TURBULENCE_MODELk-omega;8.1.2LES模型LES模型用于高分辨率的湍流模擬，能夠捕捉到較大的湍流尺度，而較小的尺度則通過亞網(wǎng)格模型來處理。在CONVERGE中，啟用LES模型需要設(shè)置以下參數(shù)：#啟用LES模型

TURBULENCE_MODELLES;

#選擇亞網(wǎng)格模型

SUBGRID_MODELSmagorinsky;8.2燃燒模型的參數(shù)優(yōu)化燃燒模型的參數(shù)優(yōu)化是確保燃燒過程模擬準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。CONVERGECFD提供了多種燃燒模型，包括EddyDissipationModel(EDM)、ProgressVariable(PV)模型和DetailedChemistry(DC)模型。每種模型都有其特定的參數(shù)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。8.2.1EddyDissipationModel(EDM)EDM模型假設(shè)湍流和化學(xué)反應(yīng)是瞬時耦合的，適用于預(yù)混和非預(yù)混燃燒。調(diào)整EDM模型的參數(shù)主要涉及湍流時間尺度和化學(xué)反應(yīng)時間尺度的匹配。在CONVERGE中，可以通過以下方式調(diào)整EDM模型的參數(shù)：#選擇EDM燃燒模型

COMBUSTION_MODELEDM;

#調(diào)整EDM模型的參數(shù)

EDM_C11.0;

EDM_C21.0;8.2.2ProgressVariable(PV)模型PV模型通過引入一個表示燃燒進(jìn)度的變量來模擬燃燒過程，適用于預(yù)混燃燒。優(yōu)化PV模型的參數(shù)通常涉及燃燒進(jìn)度變量的擴(kuò)散系數(shù)和化學(xué)反應(yīng)速率的調(diào)整。在CONVERGE中，設(shè)置PV模型的參數(shù)如下：#選擇PV燃燒模型

COMBUSTION_MODELPV;

#調(diào)整PV模型的參數(shù)

PV_DIFFUSION_COEFFICIENT0.1;

PV_REACTION_RATE_CONSTANT1.0;8.2.3DetailedChemistry(DC)模型DC模型使用詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理來模擬燃燒過程，適用于需要精確化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的場景。優(yōu)化DC模型的參數(shù)主要涉及化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)的校準(zhǔn)。在CONVERGE中，使用DC模型需要提供化學(xué)反應(yīng)機(jī)理文件：#選擇DC燃燒模型

COMBUSTION_MODELDC;

#指定化學(xué)反應(yīng)機(jī)理文件

CHEMISTRY_MECHANISM"gri30.cti";8.2.4參數(shù)優(yōu)化策略參數(shù)優(yōu)化通常需要通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或已知的燃燒特性來進(jìn)行。在CONVERGE中，可以利用自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化（AMR）和自適應(yīng)時間步長（ATS）來提高模擬的精度和效率。此外，通過比較不同參數(shù)設(shè)置下的模擬結(jié)果，可以逐步調(diào)整參數(shù)，直到模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論預(yù)測相匹配。8.2.5示例假設(shè)我們正在模擬一個預(yù)混燃燒過程，我們選擇使用PV模型，并初步設(shè)置參數(shù)如下：#設(shè)置湍流模型為k-omega

TURBULENCE_MODELk-omega;

#設(shè)置燃燒模型為PV

COMBUSTION_MODELPV;

#初步設(shè)置PV模型的參數(shù)

PV_DIFFUSION_COEFFICIENT0.1;

PV_REACTION_RATE_CONSTANT1.0;在模擬過程中，我們發(fā)現(xiàn)燃燒速率過快，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符。因此，我們決定減小PV_REACTION_RATE_CONSTANT的值，以降低化學(xué)反應(yīng)速率：#調(diào)整PV模型的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)

PV_REACTION_RATE_CONSTANT0.5;通過反復(fù)調(diào)整參數(shù)并比較模擬結(jié)果，我們可以逐步優(yōu)化模型，使其更準(zhǔn)確地反映實(shí)際燃燒過程。以上內(nèi)容詳細(xì)介紹了在CONVERGECFD中進(jìn)行燃燒仿真時，如何選擇和調(diào)整湍流模型以及燃燒模型的參數(shù)。通過合理設(shè)置這些參數(shù)，可以顯著提高燃燒過程的模擬精度，為燃燒系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供有力支持。9案例分析與實(shí)踐9.1汽車發(fā)動機(jī)燃燒仿真9.1.1引言汽車發(fā)動機(jī)的燃燒過程是其性能和排放的關(guān)鍵因素。使用CONVERGECFD進(jìn)行燃燒仿真，可以深入理解燃燒室內(nèi)燃料與空氣的混合、燃燒以及排放物的生成過程，從而優(yōu)化發(fā)動機(jī)設(shè)計，提高燃燒效率，減少有害排放。9.1.2預(yù)處理技術(shù)在CONVERGECFD中，預(yù)處理主要包括網(wǎng)格生成、邊界條件設(shè)置、物理模型選擇和初始條件設(shè)定。網(wǎng)格生成CONVERGE采用自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)，無需手動劃分網(wǎng)格，軟件會根據(jù)流場的復(fù)雜程度自動調(diào)整網(wǎng)格密度。對于汽車發(fā)動機(jī)，通常會在燃燒室、噴油器附近等關(guān)鍵區(qū)域自動增加網(wǎng)格密度。邊界條件設(shè)置邊界條件包括入口、出口、壁面和對稱面等。在發(fā)動機(jī)燃燒仿真中，入口通常設(shè)置為燃料和空氣的混合物入口，出口為排氣口，壁面則為燃燒室的內(nèi)壁。物理模型選擇選擇合適的物理模型是預(yù)處理的重要部分。在燃燒仿真中，需要選擇燃燒模型、湍流模型和噴霧模型等。例如，使用Eulerian-Lagrangian模型來描述噴霧過程，使用PDF或Eddy-Cumulation模型來描述燃燒過程。初始條件設(shè)定初始條件包括初始溫度、壓力和流體速度等。在發(fā)動機(jī)燃燒仿真中，初始條件通常基于發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定，如怠速、加速或減速等。9.1.3實(shí)踐步驟導(dǎo)入幾何模型：使用CAD軟件創(chuàng)建發(fā)動機(jī)燃燒室的幾何模型，然后導(dǎo)入CONVERGE。設(shè)置邊界條件：根據(jù)發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置燃料和空氣的入口條件，以及排氣口的出口條件。選擇物理模型：基于發(fā)動機(jī)的燃燒特性，選擇合適的燃燒、湍流和噴霧模型。設(shè)定初始條件：根據(jù)發(fā)動機(jī)的初始運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)定初始溫度、壓力和流體速度。運(yùn)行仿真：設(shè)置仿真參數(shù)，如時間步長、仿真總時間等，然后運(yùn)行仿真。后處理與分析：使用CONVERGE的后處理工具，分析仿真結(jié)果，如燃燒效率、排放物濃度等。9.1.4示例假設(shè)我們正在模擬一個四沖程汽油發(fā)動機(jī)的燃燒過程，以下是一個簡化的CONVERGE輸入文件示例：#CONVERGEinputfileexample

#Geometry

geometry={

"type":"import",

"file":"engine_geometry.stl"

}

#BoundaryConditions

boundary_conditions={

"inlet":{

"type":"mass_flow",

"mass_flow":1.0,#kg/s

"temperature":300,#K

"pressure":101325,#Pa

"velocity":0.0,#m/s

"fuel_fraction":0.05

},

"outlet":{

"type":"pressure",

"pressure":101325#Pa

},

"wall":{

"type":"wall",

"temperature":350#K

}

}

#PhysicalModels

physical_models={

"turbulence":"k-epsilon",

"combustion":"PDF",

"spray":"Eulerian-Lagrangian"

}

#InitialConditions

initial_conditions={

"temperature":300,#K

"pressure":101325,#Pa

"velocity":0.0#m/s

}

#SimulationParameters

simulation_parameters={

"time_step":1e-6,#s

"total_time":0.01#s

}9.1.5解釋Geometry：導(dǎo)入發(fā)動機(jī)燃燒室的幾何模型。BoundaryConditions：定義入口的邊界條件，包括質(zhì)量流量、溫度、壓力、速度和燃料比例；出口的邊界條件為壓力；壁面的邊界條件為溫度。PhysicalModels：選擇k-epsilon湍流模型，PDF燃燒模型和Eulerian-Lagrangian噴霧模型。InitialConditions：設(shè)定初始溫度、壓力和流體速度。SimulationParameters：設(shè)置時間步長和仿真總時間。9.2工業(yè)燃燒器仿真分析9.2.1引言工業(yè)燃燒器的燃燒效率和排放控制是工業(yè)生產(chǎn)中的重要問題。通過CONVERGECFD進(jìn)行仿真，可以優(yōu)化燃燒器設(shè)計，提高燃燒效率，減少能源消耗和環(huán)境污染。9.2.2預(yù)處理技術(shù)工業(yè)燃燒器的預(yù)處理與汽車發(fā)動機(jī)類似，但更注重燃燒器的幾何細(xì)節(jié)和燃燒過程的物理模型。網(wǎng)格生成對于工業(yè)燃燒器，可能需要在燃燒噴嘴、燃燒區(qū)域等關(guān)鍵部位進(jìn)行更精細(xì)的網(wǎng)格劃分。邊界條件設(shè)置邊界條件包括燃料入口、空氣入口、燃燒器出口和壁面條件。燃料和空氣的入口條件需要根據(jù)燃燒器的設(shè)計和運(yùn)行參數(shù)設(shè)定。物理模型選擇選擇合適的燃燒模型、湍流模型和輻射模型等。例如，使用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模型來描述燃燒過程，使用P1輻射模型來描述輻射傳熱過程。初始條件設(shè)定初始條件包括溫度、壓力和流體速度等。在工業(yè)燃燒器仿真中，初始條件通?；谌紵鞯倪\(yùn)行狀態(tài)設(shè)定。9.2.3實(shí)踐步驟導(dǎo)入燃燒器幾何模型。設(shè)置邊界條件：燃料和空氣的入口條件，以及燃燒器出口條件。選擇物理模型：基于燃燒器的燃燒特性，選擇燃燒、湍流和輻射模型。設(shè)定初始條件：根據(jù)燃燒器的初始運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定。運(yùn)行仿真：設(shè)置仿真參數(shù)，運(yùn)行仿真。后處理與分析：分析燃燒效率、溫度分布、排放物濃度等。9.2.4示例以下是一個工業(yè)燃燒器燃燒仿真設(shè)置的示例：#CONVERGEinputfileexampleforindustrialburner

#Geometry

geometry={

"type":"import",

"file":"burner_geometry.stl"

}

#BoundaryConditions

boundary_conditions={

"fuel_inlet":{

"type":"mass_flow",

"mass_flow":0.5,#kg/s

"temperature":350,#K

"pressure":101325,#Pa

"velocity":10.0#m/s

},

"air_inlet":{

"type":"mass_flow",

"mass_flow":10.0,#kg/s

"temperature":300,#K

"pressure":101325,#Pa

"velocity":20.0#m/s

},

"outlet":{

"type":"pressure",

"pressure":101325#Pa

},

"wall":{

"type":"wall",

"temperature":400#K

}

}

#PhysicalModels

physical_models={

"turbulence":"k-omega",

"combustion":"detailed_chemistry",

"radiation":"P1"

}

#InitialConditions

initial_conditions={

"temperature":300,#K

"pressure":101325,#Pa

"velocity":0.0#m/s

}

#SimulationParameters

simulation_parameters={

"time_step":1e-5,#s

"total_time":0.1#s

}9.2.5解釋Geometry：導(dǎo)入工業(yè)燃燒器的幾何模型。BoundaryConditions：定義燃料和空氣的入口條件，包括質(zhì)量流量、溫度、壓力和速度；燃燒器出口的邊界條件為壓力；壁面的邊界條件為溫度。PhysicalModels：選擇k-omega湍流模型，詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理燃燒模型和P1輻射模型。InitialConditions：設(shè)定初始溫度、壓力和流體速度。SimulationParameters：設(shè)置時間步長和仿真總時間。通過以上案例分析與實(shí)踐，可以看出CONVERGECFD在燃燒仿真領(lǐng)域的強(qiáng)大預(yù)處理能力，能夠幫助工程師深入理解燃燒過程，優(yōu)化設(shè)計，提高燃燒效率，減少環(huán)境污染。10后處理與結(jié)果分析10.1結(jié)果可視化技術(shù)在燃燒仿真領(lǐng)域，結(jié)果可視化是理解仿真輸出的關(guān)鍵步驟。它不僅幫助我們直觀地觀察燃燒過程中的物理現(xiàn)象，還能輔助我們進(jìn)行更深入的數(shù)據(jù)分析。CONVERGECFD提供了強(qiáng)大的后處理工具，使得用戶能夠輕松地將仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化的圖像和動畫。10.1.1切面可視化切面可視化是通過在計算域中創(chuàng)建一個或多個切面，來觀察特定截面上的物理量分布。例如，觀察燃燒室內(nèi)溫度或壓力的分布。示例代碼#使用CONVERGECFD后處理腳本創(chuàng)建切面

#假設(shè)我們使用Python腳本與CONVERGECFD的后處理接口交互

#導(dǎo)入必要的庫

importconverge_postascp

#