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燃烧仿真:大涡模拟(LES)边界条件设置教程

1燃烧仿真简介

1.1燃烧仿真的基本概念

燃烧仿真是一种利用计算机模型来预测和分析燃烧过程的技术。它涵盖了

从基础的化学反应动力学到复杂的流体动力学和传热过程,是能源、航空航天、

汽车和化工等行业中不可或缺的工具。燃烧仿真能够帮助工程师和科学家理解

燃烧机理,优化燃烧设备设计,减少污染物排放,提高能源效率。

1.1.1燃烧模型分类

燃烧模型大致可以分为以下几类:

层流燃烧模型:适用于没有湍流影响的燃烧过程,如小尺度火焰

或燃烧初期。

湍流燃烧模型:考虑到湍流对燃烧的影响,适用于大多数实际燃

烧情况,包括大涡模拟(LES)和雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)

模型。

详细化学反应模型:包含所有参与燃烧的化学反应,适用于研究

燃烧机理。

简化化学反应模型:减少化学反应的数量,提高计算效率,适用

于工程设计和优化。

1.2大涡模拟(LES)的原理与应用

大涡模拟(LargeEddySimulation,LES)是一种用于预测湍流流动的数值方

法,特别适用于高雷诺数下的湍流燃烧仿真。LES通过直接求解大尺度涡旋的

运动方程,而对小尺度涡旋采用亚格子模型来模拟,从而在保证计算精度的同

时,大大减少了计算量。

1.2.1LES的基本方程

LES的基本方程是过滤后的纳维-斯托克斯方程,可以表示为:

∂∂∂∂∂

+=−+−

∂∂∂∂∂

其中,是过滤后的速度分量,是过滤后的压力,是亚格子应力张量,

过滤后的动力粘度。

1

1.2.2LES边界条件设置

在进行LES燃烧仿真时,边界条件的设置至关重要,它直接影响到模拟的

准确性和稳定性。常见的边界条件包括:

入口边界条件:通常设定为速度、温度和化学组分的分布。例如,

对于一个燃烧室的入口,可以设定为均匀的速度分布和特定的化学组分

浓度。

出口边界条件:可以设定为压力或速度的自由出口条件,允许流

体自由流出计算域。

壁面边界条件:通常采用无滑移条件,即壁面上的速度为零。对

于热壁面,还需要设定壁面的温度或热流条件。

周期性边界条件:在某些情况下,如燃烧波的传播,可以使用周

期性边界条件来模拟无限长的燃烧过程。

1.2.3示例:LES边界条件设置

假设我们正在使用OpenFOAM进行一个燃烧室的LES仿真,以下是一个简

单的边界条件设置示例:

#设置入口边界条件

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

入口速度为,沿方向

valueuniform(1000);//10m/sx

Tuniform300;//入口温度为300K

speciesuniform(0.50.5);//入口化学组分浓度,假设两种组分

}

outlet

{

typezeroGradient;//出口压力梯度为0

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