燃燒學的案例
使用ANSYS 精確仿真燃燒動力學
使用ANSYS 精確仿真燃燒動力學http://www.ansys-blog.com/simulating-lean-premixed-combustion/?utm_campaign=coschedule&utm_source=facebook_page&utm_medium=ANSYS,%20Inc.&utm_content=Simulating%20Accurate%20Combustion%20Dynamics%20with%20Lean%20Premixed%20Combustion
“計算流體動力學的燃燒建模及分析”專題進階培訓課程
“計算流體動力學的燃燒建模及分析”專題
課程背景
本課程系統講解仿真軟件中燃燒（包括化學反應）模塊的原理與使用方法。內容涉及渦耗散燃燒模型、非預混燃燒模型、預混燃燒模型、部分預混燃燒模型和火焰面燃燒模型，詳細化學反應和表面化學反應，顆粒和液霧的反應，相關的輻射計算方法，污染物模擬，以及燃燒和化學反應模擬中的技巧并介紹典型算例。內容豐富詳細，適于能源化工、航空航天、汽車石油、環保減排等各行業研發人員學習。
授課專家
張老師
博士，副教授
澳大利亞阿德萊德大學訪問學者。
從事FLUENT數值模擬方面的研究工作15年，具有豐富的模擬應用經驗。
主持國家自然科學基金1項、省自然科學基金1項、省部級及企業橫向課題共二十余項。
獲浙江省質量技術監督科學技術進步獎。
獲國家專利11項，其中發明專利6項。
展開 推薦兩本CFD經典教材
.--293頁
計算傳熱學/[美]施天謨.--北京：教育科學出版社，1987.12.--598頁
計算傳熱學/郭寬良等編著.--合肥：中國科學技術大學出 版社，1988.12.--328頁
計算傳熱學的近代進展/陶文銓著.--北京：科學出版社， 2000.6.--489頁
工程湍流流動、傳熱及傳質的數值模擬/倪浩清，沈永明編 著.--北京：中國水利水電出版社，1996.7.--176頁
鑄件凝固過程數值模擬/陳海清等編著.--重慶：重慶大學 出版社，1991.4.--219頁
流體力學數值模擬/傅德薰主編.--北京：國防工業出版社 ，1993.1.--467頁
湍流氣粒兩相流動和燃燒的理論與數值模擬/周力行著；陳 文芳，林文漪譯.--北京：科學，1994.--285頁
湍流兩相流動與燃燒的數值模擬/周力行著.--北京：清華 大學出版社，1991.8.--297頁
大氣數值模擬/程麟生，丑紀范編著.--北京：氣象出版社 ，1991.6.--172頁
中尺度天氣系統的診斷分析和數值模擬/鄭良杰主編.--北 京：氣象出版社，1989.10.--198頁
關于計算燃燒學推薦一本書
《燃燒的數值模擬》
出版社： 科學出版社
作者： 趙堅行
本書是計算燃燒學方面的一本專著，它系統地敘述燃燒過程數值模擬中所涉及的基本理論、數學模型、數值解法以及數值模擬在實際工程裝置中的應用，并著重介紹近年來計算燃燒學科最新的研究成果。
全書共分六章。第一至三章主要闡述燃燒過程數值模擬的基礎理論知識，包括多組分氣相粘性反應流動基本方程以及層流和紊流擴散燃燒，紊流流動的數學模型、大渦模擬及其在紊流燃燒中的應用，氣體紊流燃燒的模擬、以及紊流兩相流動與燃燒模擬。第四至六章著重敘述近代計算燃燒學的新發展。
展開 航空航天領域的飛行器氣動設計、結構強度與疲勞、燃燒與傳熱、電磁散射（隱身）、軌道動力學 算法特點，及圖形工作站硬件配置推薦
GPU計算(新興力量): GPU加速在隱式FEM中的應用正在快速發展，尤其是在直接求解器和迭代求解器上，但成熟度和普適性尚不如在顯式動力學和CFD中。
3. 燃燒與傳熱
-涉及算法:
核心算法: 計算流體動力學(CFD) +化學反應動力學+輻射傳熱模型。原因：這是一個典型的多物理場耦合問題。需要用CFD計算流動，用詳細化學反應機理模擬燃燒過程，用輻射模型（如DO模型）計算熱量傳遞。
-計算特點:
計算密度極高: 這是所有仿真中計算最密集的領域之一。詳細的化學反應機理可能包含數千個反應，在每個網格單元、每個時間步都需要計算。強耦合性: 流場、溫度場、化學組分場相互影響，求解過程復雜且收斂困難。時間步長小: 為捕捉火焰鋒面，需要極小的時間步長，導致總計算步數巨大。
-計算平臺:
CPU多核計算(傳統基石): 傳統上，這類問題運行在大型CPU計算集群上，通過MPI并行。GPU計算(前沿方向): GPU為燃燒仿真帶來了革命性變化。CONVERGE 求解器是GPU加速的典范。GPU可以極大地加速化學反應源項的計算和線性求解器，使得在桌面工作站上進行高保真燃燒模擬成為可能。CPU單核計算(不適用): 計算量太大，單核無法勝任。
4. 電磁散射（隱身）
-涉及算法:
核心算法: 矩量法、時域有限差分法、有限元法。MoM: 非常適合計算電大尺寸開放目標的散射問題，但會產生稠密矩陣，內存和計算量巨大。FDTD: 在時域直接求解麥克斯韋方程組，一次計算可獲得寬頻帶響應，算法本身具有天然的并行性。
-計算特點:
MoM: 內存瓶頸和計算瓶頸并存。稠密矩陣的存儲和求逆是主要挑戰。FDTD: 高度并行。每個網格點的電場和磁場更新只依賴于鄰近點，與CFD中的顯式算法類似。
展開 
【報告/論文下載】2019年IDAJ中國CAE/MBD技術大會報告/論文（ANSYS/JMAG等）
今年CONVERG專場共安排了15個報告，客戶報告占了90%，報告客戶來自中國第一汽車集團有限公司研發總院、上海汽車集團技術中心、東風商用車技術中心、一汽解放事業部商用開發院、蜂巢易創動力分公司、中國北方發動機研究所、濰柴動力發動機技術研究院、上海交通大學、天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室、北京工業大學、廣西大學等客戶，報告內容涉及汽油機、柴油機燃燒、柴油機后處理技術、天然氣發動機燃燒、均質燃燒技術等各種類型的燃燒仿真，充分展現了中國工業燃燒領域領先的研發實力和可持續發展的未來！
5【iconCFD/modeFRONTIER分會場】
iconCFD軟件是IDAJ公司獨家銷售的開源CFD軟件，開源CFD針對很多高度成熟的CFD領域，具有極高的性價比，已經在歐洲和北美整車廠應用十年以上，客戶包括通用，大眾，奧迪，斯柯達等。來自北美的iconCFD專家向客戶介紹了國外主機廠應用iconCFD解決整車CFD問題的案例及iconCFD軟件最新功能進展；
modeFRONTIER軟件是IDAJ獨家代理的多目標優化軟件，來自原廠ESTECO公司的開發專家結合機器學習技術系統介紹了MF在AI方面最新展示。
展開 ANSYS 2017高校教學支持項目開始申報
ANSYS公司參與教育部高等教育司公布的“產學合作協同育人項目（2017第二批）”項目開始申報。
ANSYS公司提供經費、產品技術、課程算例交互平臺等方面的支持，支持學校建設數值仿真、有限元分析、計算流體力學、燃燒學、電磁場數值計算等課程，培養學生有限元建模、仿真計算等能力，使用ANSYS軟件開展教學實踐；將CAE產業的最新技術、行業對人才培養的最新要求引入教學過程，推動高校更新教學內容、完善課程體系，建成能夠滿足專業學科人才培養發展需要、可共享的課程或教材資源并推廣應用。
針對參加申請的院系，全部免費提供教學算例支持，并且優選部分院系聯合制作專用教程、工程教學算例，共同設立ANSYS課外培訓班、等級考試認證等深度合作。
申請流程詳見http://www.ansys.com/zh-cn/about-ansys/news-center/10-20-17-ansys-project-application
展開 ANSYS 2017高校教學支持項目開始申報
ANSYS 2017高校教學支持項目開始申報
http://www.ansys.com/zh-cn/about-ansys/news-center/10-20-17-ansys-project-application
ANSYS公司參與教育部高等教育司公布的“產學合作協同育人項目（2017第二批）”項目開始申報。
ANSYS公司提供經費、產品技術、課程算例交互平臺等方面的支持，支持學校建設數值仿真、有限元分析、計算流體力學、燃燒學、電磁場數值計算等課程，培養學生有限元建模、仿真計算等能力，使用ANSYS軟件開展教學實踐；將CAE產業的最新技術、行業對人才培養的最新要求引入教學過程，推動高校更新教學內容、完善課程體系，建成能夠滿足專業學科人才培養發展需要、可共享的課程或教材資源并推廣應用。
針對參加申請的院系，全部免費提供教學算例支持，并且優選部分院系聯合制作專用教程、工程教學算例，共同設立ANSYS課外培訓班、等級考試認證等深度合作。
申請流程詳見2017年ANSYS數值仿真教學內容和課程體系改革項目項目申報指南。
教育部相關通報請見教育部高等教育司關于公布有關企業支持的產學合作協同育人項目申報指南（2017年第二批）的函。
展開 工程熱物理所在化石燃料燃燒與綠色利用研究中獲進展
化石能源的燃燒是現階段社會高速發展的重要基礎，攸關國計民生和國家戰略競爭力。燃燒和氧化反應動力學直接關系到化石燃料的燃燒和點火特性。點火特性是表征燃料燃燒特性的重要基礎數據，同時也是驗證燃燒反應動力學模型及其模型簡化的關鍵依據。另一方面，燃料的不完全燃燒會產生揮發性有機化合物（VOC），包括未反應的燃料和部分氧化產物，而VOC是大氣灰霾的重要來源之一，對自然環境和人類健康危害極大，迫切需要進行非均相催化脫除。因此，開展化石燃料在寬壓力范圍內的均相和非均相低溫氧化動力學研究，對于理解其點火特性及污染物生成和脫除機理具有重大的戰略意義。
近年來，中國科學院工程熱物理研究所循環流化床實驗室開展了燃燒原位診斷、動力學模擬和催化燃燒等方面的研究工作。原位診斷方面，發展了用于研究航空模型燃料低溫氧化的射流攪拌反應器（Jet-stirred reactor，JSR）系統，通過與色譜和分子束質譜等設備結合，系統研究了烷基苯燃料的氧化動力學，并分析了燃料結構對中間產物和反應動力學的影響規律；設計了用于研究氣體和液體燃料燃燒動力學的攜帶流反應器，結合分子束取樣系統，確定了不同燃料在燃燒過程中產生的中間體結構和兩維空間分布信息，為構建動力學模型提供了可靠數據；設計了新的研究催化反應的集成裝置，該設備包括一個催化射流攪拌反應器（CatalyticJSR，在常規JSR中引入催化劑）和原位漫反射裝置，通過增加氣相分子與催化劑表面的接觸時間來原位測量催化反應中的氣相和表面中間產物，明晰了多相反應動力學過程，為國際上首個開展相關研究的實驗室。
展開 （轉載）發動機燃燒室
燃燒室對應的基礎學科是燃燒學，燃燒學是一門實驗科學，燃燒這種帶反應的流動本身就很難以準確地測量（測試手段有限）。當然，現在隨著激光診斷技術的發展，越來越多的光學測試被用于燃燒室研究。基本是的N倍，除了測試氣動場所需的PIV、LDA，還有燃燒場需要的PDA、PLIF、CARS、LII等等，不僅價格非常昂貴，調試難度也很大。難度之二，在于實驗費時費力，尤其是高溫高壓實驗，每天都處于發現問題——解決問題的過程中，對體力和智力都是嚴峻的考驗。往往做一把實驗發現性能不達標，就要立馬改結構重新加工，核桃大小的旋流器，加工成本就不菲，可能燒一把就要放棄。一個好的燃燒室真的是用錢燒出來的。難度之三，在于精巧的設計?；镜睦碚摰教幎际?，但怎么把理論轉換為設計，是經驗和靈感的結合。燃燒室長寬不過300mm，這么小的地方，要組織高效穩定的燃燒，要低排放，要穩定無振蕩，要出口均勻，要高效冷卻，要點火包線寬，熄火邊界低，真的很不容易，可以稱得上“螺螄殼里做道場”。
（為了測試小小的一團火焰，常常是周圍要布置一圈儀器）
最后說下燃燒室性能的考核。除了常規的燃燒效率（基本上99.9%以上），出口溫度分布（避免渦輪熱負荷過重），燃燒振蕩等之外，目前最苛刻的要求在于污染排放。目前民航發動機發展的方向是低油耗（經濟性）、低排放（環保性）、低噪聲（舒適性）。其中噪聲主要來自風扇葉片，效率取決于整體設計，而排放基本上就靠燃燒室解決。目前ICAO（國際民航組織）的適航要求愈發嚴格，它的流氓之處在于只要國外廠商達到什么水平，就會把適航標準提高到什么水平，阻止新人進入。所以國際民航發動機基本上被三巨頭壟斷，GE，羅羅，普惠。所以為了打破這種壟斷，我們必須要達到比適航要求更低的水平。
展開 中國工業合作協會仿真技術產業分會
目前共有會員單位數百家，包括中國中車、中航工業、航天科工、中國商飛、中國兵器、中船重工、中國核電、中電科等知名企業集團，一汽、上汽、北汽、廣汽、長城、吉利、比亞迪、江鈴等整車生產廠家，徐工集團、三一重工、上海電氣、渤海造船等高端裝備企業，騰訊、百度、中科曙光等知名科技企業，海爾、格力、美的等行業龍頭企業；中望龍騰、安世亞太、廣州品高、華如科技、重慶勵頤拓等優秀自主工業軟件企業，清華、浙大、北航、北理工、同濟、西北工大、吉大、復旦、南大、湖大、大連理工、哈工大、電子科大、南航、北化、合肥工大、西南交大、太原理工等知名高校，中科院自動化所、中科院數學與系統工程研究院、中石油工程技術研究院、中國電器研究院、中國運載火箭研究院、國家新能源汽車創新中心、國家高速動車組總成工程技術研究中心、國聯動力電池研究院等科研院所與國家級創新平臺，吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室、武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室、湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室、西南交通大學牽引動力國家重點實驗室、天津大學-內燃機燃燒學國家重點實驗室、航空發動機高性能制造工業和信息化部重點實驗室、復雜產品先進制造系統教育工程中心等國家級、省部級重點實驗室。
展開 教育部產學合作協同育人項目：【2018ANSYS項目申請啟動】
2017年，ANSYS公司推出的仿真人才培養計劃，在教育部產學合作平臺上獲得了廣大院校的熱烈反響。
2018年，為了滿足更多院校的教學需求，ANSYS與教育部推出數值仿真教學內容和課程體系改革項目，現在報名正式開始。
ANSYS公司將提供資金、產品技術、課程算例交互平臺等方面的支持，通過ANSYS軟件開展教學實踐，幫助學校建設數值仿真、有限元分析、計算流體力學、燃燒學、電磁場數值計算等課程，培養學生有限元建模、仿真計算等能力。
ANSYS期待通過本項目，能將CAE產業的最新技術、行業對人才培養的最新要求引入到教學過程，從而推動高校更新教學內容、完善課程體系，建成能夠滿足專業學科人才培養發展需要的、可共享的課程或教材資源，并能得到廣泛推廣。
針對申請本項目的院系，ANSYS將全部免費提供教學算例支持，并優選出部分院系，共同制作專用教程、工程教學算例，展開設立ANSYS課外培訓班、等級考試認證等深度合作。
2017年，ANSYS數值仿真教學內容和課程體系改革項目獲得了一百多家優秀院校的支持，并且已經和相關老師簽訂了教學合作協議。2018年，我們熱誠期待能有更多院校參與進來為仿真教育事業添磚加瓦！
除資金支持外，ANSYS還將提供：
提供ANSYS基礎教學算例庫
協助老師根據課程需要，定制教學算例
長期提供師資技術指導和培訓
簽約ANSYS教學合作點
共同建立ANSYS課外培訓班
組織師資培訓
如何報名？點擊“閱讀原文”！
展開 
教育部產學合作協同育人項目：【2018ANSYS項目申請啟動】
2017年，ANSYS公司推出的仿真人才培養計劃，在教育部產學合作平臺上獲得了廣大院校的熱烈反響。
2018年，為了滿足更多院校的教學需求，ANSYS與教育部推出數值仿真教學內容和課程體系改革項目，現在報名正式開始。
ANSYS公司將提供資金、產品技術、課程算例交互平臺等方面的支持，通過ANSYS軟件開展教學實踐，幫助學校建設數值仿真、有限元分析、計算流體力學、燃燒學、電磁場數值計算等課程，培養學生有限元建模、仿真計算等能力。
ANSYS期待通過本項目，能將CAE產業的最新技術、行業對人才培養的最新要求引入到教學過程，從而推動高校更新教學內容、完善課程體系，建成能夠滿足專業學科人才培養發展需要的、可共享的課程或教材資源，并能得到廣泛推廣。
針對申請本項目的院系，ANSYS將全部免費提供教學算例支持，并優選出部分院系，共同制作專用教程、工程教學算例，展開設立ANSYS課外培訓班、等級考試認證等深度合作。
2017年，ANSYS數值仿真教學內容和課程體系改革項目獲得了一百多家優秀院校的支持，并且已經和相關老師簽訂了教學合作協議。2018年，我們熱誠期待能有更多院校參與進來為仿真教育事業添磚加瓦！
除資金支持外，ANSYS還將提供：
提供ANSYS基礎教學算例庫
協助老師根據課程需要，定制教學算例
長期提供師資技術指導和培訓
簽約ANSYS教學合作點
共同建立ANSYS課外培訓班
組織師資培訓
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展開 中國工業合作協會仿真技術產業分會（天津）座談交流會順利召開
中國工業合作協會仿真技術產業分會執行會長兼秘書長楊曉暉、副秘書長劉彥青及秘書處相關人員，中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司、中汽研（天津）汽車工程研究院、中汽數據（天津）有限公司、天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室、河北工業大學、天津中德應用技術大學、精工智造（天津）數字科技有限公司等單位出席會議。
會議由中汽中心首席專家王偉主持。中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司高級技術總監汪偉先生致辭，他首先對楊曉暉秘書長及各會員單位代表的到來表示歡迎，強調了仿真技術在各個業務開展過程中的重要性，表示協會為會員單位提供了寶貴的交流和合作機會，促進了技術進步和產業發展，希望以后和協會及會員單位保持更緊密的合作。會上播放了中汽中心企業宣傳片，同時對整車及智能網聯、排放節能、碰撞、車身、底盤等檢測業務進行了介紹。
王偉首席專家對車輛動力系統仿真平臺（VPAT）做了介紹，該軟件由中汽中心天津檢驗中心技術團隊歷經數年積累研發，具有自主知識產權，有望打破同類汽車工業軟件國際市場壟斷。
楊曉暉秘書長詳細介紹了協會的基本狀況、組織架構、專家團隊、工作范圍以及近年來的工作開展情況。他指出，仿真技術作為實現制造業數字化轉型的重要手段和方法，應用領域極其廣泛，尤其在汽車領域應用范圍更廣技術發展更快，為車企降本增效和新產品開發發揮了重要不可替代的作用。協會充分發揮產學研用融合發展高質量平臺作用，促進會員單位的進一步熟悉和了解，加強技術交流、產業合作，產品升級、項目實施、產業優化、生態建設等，助力技術創新和行業發展。
各與會代表分別作了發言和交流。天津中德應用技術大學機械工程學院李傳軍副院長介紹了該校獨特的辦學理念和人才培養方式。河北工業大學徐志成副教授闡述了團隊在鋰離子電池復雜多物理場模型、高效數值計算以及高精狀態評估理論與方法的研究內容。
展開 燃氣輪機燃燒仿真詳解
燃氣輪機燃燒室內部燃燒過程包含湍流、燃油霧化蒸發和混合、化學反應、燃氣的輻射和對流、傳熱傳質等多種現象，并且這些現象中，有的是相互耦合、相互作用的。
早期，燃燒室的設計主要依靠大量的試驗和經驗積累，并在此基礎上發展了一維半經驗和半分析的燃燒室設計方法。這種計算方法是適用和可靠的，但是需要較長的研制時間、較多的研制經費。
隨著計算機、并行計算、計算流體力學（CFD）及計算燃燒學（CCD）等不斷發展進步，使得模擬燃氣輪機燃燒室內部燃燒過程成為可能。即便在現有條件下，通過測量的方法，也難以獲得燃氣輪機燃燒室內部的流動、溫度、組分等詳細分布的情況，數值模擬可以部分彌補上述不足。
雖然燃燒室內部流動非常復雜且伴隨著化學反應、精確模擬非常困難，但仍然希望數值模擬能夠部分替代試驗，通過燃燒室的數值模擬，為燃燒室設計提供參考依據。
目前國內燃燒室設計已經達到經驗分析、試驗驗證和計算分析相結合的程度，并向著計算分析為主，試驗驗證為輔的方向發展。
現在，計算已成為燃燒室設計不可缺少的一部分。在整個燃燒室研發的過程中，通過試驗和CFD模擬相結合的方式，首先采用數值模擬對初步設計方案進行篩選、分析，發現存在的問題并提出相應的改進措施進行優化，然后再進行試驗，從而達到節約研制經費、縮短研制周期之目的。
國外多家著名的燃氣輪機公司在研發過程中非常重視燃燒過程模擬并且發展了他們自己的模擬工具。近二十年來，用于流動、傳熱、燃燒數值模擬的商用軟件也有了巨大的發展，比如PHOENICS，CFX，FLUENT，STAR-CD，FLOW-3D等。這些商用CFD軟件的出現，更加快速、廣泛的推進了燃燒室研發人員通過商用軟件來進行燃燒室燃燒過程數值模擬，加速燃燒室的研發過程和節約研發經費。
展開 仿真科普｜翱翔長空，探索宇宙：CAE仿真技術引領打造航空航天新紀元
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圖片來源：網絡
2.動力學仿真
利用仿真技術，對航空航天器的運動過程進行模擬，以預測其飛行軌跡、姿態等關鍵動力學特性，從而為飛行控制和導航系統的設計與優化提供堅實可靠的科學依據。
3.結構強度仿真
通過仿真技術，對航空航天器的結構進行模擬和分析，預測其受力、變形等性能。結構強度仿真應用計算結構力學，計算從零件到部件、組件、分系統以及整臺航空發動機的結構性能。
圖片來源：第十三屆中國國際航空航天博覽會
4.燃燒仿真
計算燃燒學是對燃燒的基本現象和實際過程進行計算機模擬的一門學科，為深入認識航空發動機燃燒過程和燃燒裝置的設計及研制提供了重要手段。當前，燃燒數值仿真技術進一步朝著系統級高保真的方向發展。
5.材料仿真
材料仿真是指通過模擬材料的組成、結構、性能及服役性能，研究材料從納觀、微觀、介觀到宏觀的多個尺度范圍內存在的各類現象與特征，從而預測材料的結構和物化性質，是航空航天材料設計、優化與實踐的重要手段。
圖片來源：網絡
02 CAE仿真技術在航空航天中的應用
1.飛行器設計與優化
在飛行器的設計過程中，CAE仿真技術扮演著至關重要的角色，它可以幫助工程師們進行飛行器外形設計、氣動性能分析、結構強度驗證等一系列重要任務。通過數值模擬和虛擬試驗，工程師們可以在計算機環境下進行快速、準確的仿真優化，確保飛行器設計能夠達到最佳性能。
圖片來源：網絡
2.飛行器飛行控制
飛行控制是保證飛行器安全飛行的關鍵要素之一。CAE仿真技術可以幫助研發人員進行飛行控制算法的開發和測試。
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