燃燒優化的案例
CFD：設計、優化高溫及燃燒實例（視頻下載）
利用仿真技術，設計并優化高溫及燃燒過程
熱能及燃燒工程師如何利用仿真技術實現操作條件和設計優化？如何控制燃燒/高溫過程中的能耗與污染？
能耗與污染控制是所有燃燒/高溫過程的兩大驅動因素，如熔爐、加熱器、煉爐、干燥器和回轉爐中的燃燒/高溫過程。仿真可在滿足污染控制監管要求的同時顯著降低能耗，并大幅提升過程、精煉、化工、玻璃和鋼鐵工業的盈利率。
通過本視頻，您將了解如下內容：
熱能及燃燒工程師如何利用仿真技術實現操作條件和設計優化
如何利用 Simcenter STAR-CCM+? 直接設置幾何體、合理的網格和足量的物理場，以執行仿真和設計探索
如何利用 Simcenter STAR-CCM+ 中的多物理場方法來克服下列相關挑戰：
燃燒和污染物
聲學和火焰動力學
耦合傳熱
使用嚴格的方法，優化操作條件
課程對象：
希望排查故障、優化燃燒和熱處理設備的熱能工程師/熔爐工程師及管理者——本次研討會旨在幫助您了解如何通過仿真來實現這些目標
已在其工程流程中使用了 CFD 的燃燒工程師——本次研討會將展示Simcenter STAR-CCM+ 的網格劃分、工作流及最新物理場模型等強大功能，助您解決業內一些最具挑戰性的混合問題
發言人：
Zhi G.
展開 高速懸浮火焰噴涂（HVSFS）燃燒噴射技術的數值模擬與優化
本文以工業TopGun-G torch為例,在常規HVOF過程數值模型的基礎上,對非均質三相HVSFS過程的燃燒和氣體動力學現象進行了三維模擬和分析,包括乙醇蒸發和非預混燃燒過程的模擬,以及氣液、氣體與顆粒之間的相互作用機理的分析。本文采用歐拉法求解反應氣體的熱場和流場，采用拉格朗日（Lagrangian）法模擬顆粒的飛行行為，使用商業CFD軟件ANSYS-CFX11。
對HVSFS過程的模擬結果表明，乙醇的蒸發和燃燒發生在燃燒室外，膨脹噴嘴內存在的冷卻效應會影響HVSFS系統的能量平衡。改變噴射角的優化方法可以提高乙醇在燃燒室中的停留時間，從而縮短了蒸發長度，使噴嘴內的冷卻效果完全消失。然而，如圖6所示，由于顆粒團聚、顆粒沉積在燃燒室壁上，或者由于它們的長流動路徑和在燃燒室中的停留時間而導致顆粒氧化，該改進的噴射角也會具有一些不足。
圖6：采用30°噴射角的HVSFS燃燒室中二氧化鈦顆粒流動路徑的不穩定性
本文之后的研究工作包括優化HVSFS熱噴涂系統的過程，目的是精確和詳細地描述在torch出口和基底之間的自由射流區域的流場，也就是本文中簡略的部分。此外，還需要對HVSFS燃燒室中顆粒流動路徑的不穩定性進行研究。
本文的研究目的是開發一種分析方法，用于分析和預測HVSFS熱噴涂系統在各種操作條件下的性能，確定各個參數對過程的影響，并最終幫助和促進HVSFS torch的設計。
展開 高速懸浮火焰噴涂（HVSFS）燃燒噴射技術的數值模擬與優化
對HVSFS過程的模擬結果表明，乙醇的蒸發和燃燒發生在燃燒室外，膨脹噴嘴內存在的冷卻效應會影響HVSFS系統的能量平衡。改變噴射角的優化方法可以提高乙醇在燃燒室中的停留時間，從而縮短了蒸發長度，使噴嘴內的冷卻效果完全消失。然而，如圖6所示，由于顆粒團聚、顆粒沉積在燃燒室壁上，或者由于它們的長流動路徑和在燃燒室中的停留時間而導致顆粒氧化，該改進的噴射角也會具有一些不足。
圖6：采用30°噴射角的HVSFS燃燒室中二氧化鈦顆粒流動路徑的不穩定性
本文之后的研究工作包括優化HVSFS熱噴涂系統的過程，目的是精確和詳細地描述在torch出口和基底之間的自由射流區域的流場，也就是本文中簡略的部分。此外，還需要對HVSFS燃燒室中顆粒流動路徑的不穩定性進行研究。
本文的研究目的是開發一種分析方法，用于分析和預測HVSFS熱噴涂系統在各種操作條件下的性能，確定各個參數對過程的影響，并最終幫助和促進HVSFS torch的設計。
展開 專業團隊承接CFD模擬仿真優化和設計項目
1、鍋爐燃燒優化設計模擬
2、脫硫塔流場溫度場模擬優化設計項目
3、汽車流場模擬項目
4、旋轉電機熱仿真模擬
氧化鋯氧氣傳感器在循環流化床鍋爐燃燒系統煙氣氧含量控制中的應用
因此，在確保爐膛內燃料充分燃燒的前提下，需有效控制鍋爐爐膛的總風量，而煙氣氧含量正是衡量空氣是否不足或過剩的重要指標。
煙氣氧含量的重要性
燃燒效率：適宜的氧含量能夠確保燃料完全燃燒，提高燃燒效率，減少未燃盡的碳和其他污染物的排放。
環保要求：氧含量過高會導致氮氧化物（NOx）生成量增加，而氧含量過低則可能引發一氧化碳（CO）和其他不完全燃燒產物的增多。
經濟性：優化氧含量有助于減少燃料消耗，降低運行成本。
控制策略
為有效控制煙氣中的氧含量，通常可采用以下方法：
氧傳感器監測
安裝位置：在鍋爐尾部煙道中安裝高精度氧傳感器（如氧化鋯氧傳感器），以實時監測煙氣中的氧含量。
數據采集與分析：將傳感器采集的數據傳輸至控制系統，進行實時監控與分析。
自動調節系統
風量控制：依據氧含量反饋信息，自動調節一次風和二次風的比例與流量，以維持理想的氧含量。
變頻器控制：利用變頻器調節送風機和引風機的轉速，從而精確控制空氣供給量。
燃燒優化
燃料與空氣配比：優化燃料與空氣的混合比例，在確保燃料充分燃燒的同時，避免氧氣過剩。
分級燃燒技術：采用分級燃燒技術，通過分階段供風，減少局部高溫區域，降低 NOx 的生成。
閉環控制
PID 控制器：運用 PID（比例 - 積分 - 微分）控制器，根據設定的氧含量目標值與實際測量值之間的偏差，自動調整進風量。
自適應控制：結合機器學習算法，實現對不同工況下的自適應控制，進一步提升控制精度和響應速度。
展開 油耗降低4% 奔馳卡車將推出第三代OM471發動機
第三代OM471發動機對燃燒進行了優化，例如其活塞凹槽幾何形狀、噴油器噴嘴設計和進排氣等相關的參數細節都進行了廣泛的優化。發動機壓縮比從18.3：1提升到了20.3：1，峰值點火壓力250bar，進而有助于實現更高效的燃燒。
提高現代柴油內燃機燃油效率的最重要手段之一是對渦輪增壓器的優化。隨著第三代 OM 471 的推出，梅賽德斯-奔馳卡車將推出兩款內部開發和制造的新型渦輪增壓器，這些渦輪增壓器精確地適應了廣泛的客戶需求。在油耗優化型產品中，其重點是盡可能降低油耗——主要用于額定功率高達 350 kW (476 hp) 發動機的長途運輸。
第二款渦輪增壓器專為高性能和高發動機制動力而設計，發動機額定功率高達 390 kW (530 hp) 是重型和建筑行業的理想選擇。對于 OM 471 的中低性能發動機，與上一代相比，最大燃油節省高達 4%，而對于較高性能的發動機，則高達3.5%。由于消耗量減少，運營成本和 二氧化碳排放量都降低了。
除了優化燃燒和增壓器，降低摩擦也有助于提高燃油效率。第三代 OM 471 配備了新開發的發動機油壓控制閥。它安裝在發動機油泵后面和油溫調節器前面。電動執行器可實現類似減壓閥特性的控制。第三代發動機還采用一種新開發的低粘度機油增強了油壓控制——它提高了燃油效率，而不會減少換油間隔或增加受影響發動機部件的磨損。
后處理系統也進行了優化，以適應了 第三代OM471 的燃燒和控制系統，也有助于提高燃油效率。該系統限制了排氣背壓并提高了 尿素的霧化混合，從而提高了 NOx 轉化率并降低了燃料消耗。NOx的控制也進行了優化，進一步提高了排放穩定性。
展開 【4月23-26日 上海】AVL FIRE 公開培訓
如何實現高效、準確地燃燒系統的優化，仿真技術在其中發揮了越來越重要的作用，同時對仿真計算的精度和效率提出了更高的要求。作為AVL發動機性能開發的仿真軟件，FIRE的使用和持續開發已經接近30年，FIRE最新版本（v2018.1）從軟件的使用性，計算準確性都得到了進一步提升，前處理過程更加方便，缸內燃燒和排放預測更加準確，其中SOOT排放的趨勢預測更是實現了接近90%的準確性。
AVL FIRE在發動機燃燒系統仿真中的特色功能如下所示：
使用FIRE M模板化分析方法對進排氣道進行模擬計算：高度自動化的完成前處理、仿真計算、后處理以及報告生成。
AVL FIRE對于動網格劃分的功能如下所示：
Engine Selection：使用Engine selection這一功能可以快速，自動的生成整個發動機模型的selection，同時也可以自動生成FAME Engine Plus的模板文件。
基于EXCEL模板的FAME ENGINE PLUS的參數設置，動網格劃分過程更加方便、快捷。特別是在發動機具有可變氣門正時結構或者進行不同設計方案對比的時候（比如燃燒室結構優化），可以大大減少工作量。
使用FAME ENGINE PLUS 既可以生成以六面體為主的動網格，也可以生成多面體結構的動網格。
AVL FIRE v2018.1對排放的預測精度得到了進一步提升：其中NO排放的趨勢性預測準確性在95%以上，SOOT排放的趨勢預測實現了接近90%的準確性。
展開 優質直播推薦 || 優化軟件modeFRONTIER優化氣道流程介紹
直播簡介：
發動機氣缸內的氣體運動是控制汽油機油氣混合及燃燒過程的主要因素之一，進氣道的流通能力決定了進氣效率的高低和運動湍流的強弱。高的滾流強度必然造成流通能力的降低，如何實現最優的進氣道綜合流通能力是氣道開發面對的最大挑戰。
本次直播將介紹使用優化軟件modeFRONTIER進行氣道優化的方法和注意事項，包括氣道變形方式的選取、CFD軟件的選取及集成方法、DOE/優化算法的選擇和設置、后處理的方法等等。
課程大綱：
1. 氣道優化背景說明
2. 常見優化流程
3. 變形方式選取及modeFRONTIER集成方法
4. CFD軟件選擇及不同集成方法
5. 算法選擇及設置
l DOE算法選擇及設置
l 響應面算法選擇及設置
l 優化算法選擇及設置
6. 后處理方法及注意事項
7. 氣道優化案例介紹
8. 燃燒室優化案例介紹（參考）
適宜人群：
對氣道/燃燒室等發動機相關內部流動優化設計感興趣的設計和仿真工程師。
時間安排：
2020年3月10日 19:30
講師簡介：
張振科
博士學位，現就職于艾迪捷信息科技(上海)有限公司北京分公司，擔任優化軟件modeFRONTIER產品技術經理。從事CAE相關工作已十年有余，擅長多學科優化、多物理場耦合等領域，對ANSYS、Abaqus、FLUENT、STAR-CCM+等CAE分析軟件均較為熟悉，同時還負責完成了多項各種類型的CAE工程仿真項目。
報名方式：
點擊圖片或點擊鏈接立即報名：https://www.yqgqt.org.cn/live/10696
展開 激光共聚焦顯微拉曼光譜儀在高分子材料表征中比紅外有哪些優勢？
2）燃燒機理表征
研究煤炭樣品燃燒時的氣體形成速率，有助于理解燃燒反應機制和優化燃燒條件。
3）二維材料層數判定
由于限域效應，二維材料的光學性質強烈依賴于其層數。隨著層數的變化，其拉曼譜峰的峰位、峰強以及峰形可能會發生顯著改變，因此拉曼光譜可以作為二維材料厚度鑒定的一種有效手段。如圖所示，通過測定層內振動模式的指紋峰位，判斷MoS2層數。利用選定的指紋峰位進行成像，可以清晰地呈現不同層數MoS2的分布情況。
技術分享︱基于非結構網格的仿真——太湖之光上的巨大挑戰
OpenFOAM風資源評估應用優化加速
燃燒仿真應用：
利用UNAT加速工具，單個開發者 2周內完成了15萬行某燃燒仿真程序優化，使得該程序最終在太湖之光上取得了整體5.4倍加速。由于性能提升，該軟件可使用10億級網格，在合理的時間內，進行航空發動機全環燃燒室高保真數值模擬。
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燃燒仿真應用優化加速
參考文獻：
[1] Vincent, P., Witherden, F., Vermeire, B., Park, J. S., & Iyer, A. (2016). Towards Green Aviation with Python at Petascale. SC16: International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis. doi:10.1109/sc.2016.1
[2] Liu, H. , et al. "UNAT: UNstructured Acceleration Toolkit on SW26010 many-core processor." Engineering Computations: Int J for Computer-Aided Engineering (2020).
展開 應用 | CAE仿真技術在內燃機設計中的應用
內燃機的燃燒問題
分析不同時刻的放熱率、溫度、壓力等
觀察火焰結構及火焰的傳播
燃燒方式分析：PCCI，HCCI，RCCI，稀燃/分層燃燒等
污染物生成的分析
點火燃燒過程
柴油機NOx和soot分布
燃燒是內燃機的核心，燃燒的好壞決定著內燃機的功率、油耗、排放等多方面的性能。運用ANSYS流體動力學分析軟件分析燃燒過程，可以有效的指導優化燃燒室形狀，得到性能指標和排放指標都較好的方案。
內燃機的工作過程問題
優化配氣正時
冷態流動缸內氣流的運動變化情況分析
全工作循環分析
換氣過程是要盡量將燃燒產物排除干凈，盡可能的吸入新鮮工質，進、排氣門開閉時間對換氣的好壞起決定性作用，同時內燃機工作過程中缸內氣流的運動情況也影響著可燃混合氣的形成進而影響燃燒。運用ANSYS流體動力學分析軟件分析冷態工作過程，可以指導設計最佳配氣相位，降低排氣損失功并沖入最多的工質，根據缸內氣體的運動情況優化渦流/滾流更好的形成可燃混合氣。
內燃機噪聲問題
噪聲分析
進氣噪聲分析
風扇噪聲分析
內燃機的主要噪聲源分為3種：空氣動力性噪聲、機械噪聲、燃燒噪聲。運用ANSYS流體動力學分析軟件分析進/排氣噪聲和風扇噪聲，有助于提高內燃機的NVH性能。
展開 
基于非結構網格的仿真——太湖之光上的巨大挑戰
OpenFOAM風資源評估應用優化加速
燃燒仿真應用：利用UNAT加速工具，單個開發者 2周內完成了15萬行某燃燒仿真程序優化，使得該程序最終在太湖之光上取得了整體5.4倍加速。由于性能提升，該軟件可使用10億級網格，在合理的時間內，進行航空發動機全環燃燒室高保真數值模擬。
燃燒仿真應用優化加速
參考文獻：
[1] Vincent, P., Witherden, F., Vermeire, B., Park, J. S., & Iyer, A. (2016). Towards Green Aviation with Python at Petascale. SC16: International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis. doi:10.1109/sc.2016.1
[2] Liu, H. , et al. "UNAT: UNstructured Acceleration Toolkit on SW26010 many-core processor." Engineering Computations: Int J for Computer-Aided Engineering (2020).
END
十四五期間，工業數字化將是工業轉型升級的主路線。“神工坊”秉持“算力賦能、協同創新”的理念，爭做“先進算力到仿真算能的轉換器”、“離散機理和垂直仿真場景的連接器”，助力我國工程仿真技術實現跨越發展，支撐重大裝備研制創新和工業設計研發數字化轉型。
展開 CCUS前沿研究-中國礦業大學陸詩建團隊：國能錦界電廠15萬噸/年二氧化碳捕集凈化項目研究與設計經驗
項目目標是建設國內首個燃燒后CO2捕集與咸水層封存示范工程，優化燃燒后CO2捕集咸水層封存全過程系統，掌握關鍵技術，實現低能耗燃煤電廠碳捕集與近零排放。對捕集系統的工藝與消耗進行了分析，進行了全系統節能優化，蒸汽消耗≤1.27 t/t CO2，吸收劑損失≤1.0 kg/t CO2，對工程健康、安全、環保進行了論述，并提出了運行分析測試方案。
引言
2019年，中國碳排放量超過110億噸，約占全球碳排放量的30%，實現碳中和所需的碳減排遠高于其他國家。在2015年11月的巴黎氣候大會上，中國提出了二氧化碳減排目標，中國的二氧化碳排放量將在2030年達到峰值，單位GDP二氧化碳排放量將比2005年減少60-65%。2016年9月，中國在G20峰會上率先簽署了氣候變化《巴黎協定》，在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上提出中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。因此，減少二氧化碳排放已成為中國的一項重要發展戰略，國務院和各部委也出臺了一系列支持減排的政策。
在碳中和的背景下，CCUS作為碳中和的兜底技術，迎來了快速發展的窗口期。《中國二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）年度報告（2021）-中國CCUS路徑研究》中，對CCUS進行了重新定位：CCUS是目前實現化石能源低碳化利用的唯一技術選擇，是碳中和目標下保持電力系統靈活性的主要技術手段。國能錦界電廠積極響應國家號召，進行了15萬噸/年燃煤機組CO2捕集與驅油封存CCUS項目建設與示范，發揮了央企社會責任，契合國家“雙碳”發展戰略。
展開 聚焦航發核心需求！國產流體仿真技術為中國航空推進技術大會添彩
高精度霧化模型
更值得關注的是，該解決方案通過 Euler-Lagrange 耦合方法，實現了噴霧液滴蒸發與氣相湍流燃燒的無縫銜接：以 Lagrange 方法求解噴霧軌跡與液滴蒸發過程，結合蒸發模型計算液滴質量損失；以 Euler 方法求解氣相流場，采用高精度湍流模型與復雜化學反應動力學模塊，精準描述湍流與燃燒的相互作用。針對燃燒不穩定性問題，軟件可通過 LES 方法獲取火焰傳遞函數，分析熱釋放對燃燒室聲壓分布、特征頻率的影響，為燃燒室結構優化與燃燒模式調整提供定量依據。
旋流噴嘴霧化
覆蓋壓氣機全工況，多物理場耦合仿真保障運行可靠性
壓氣機主要負責將空氣壓縮后送入燃燒室，其性能直接影響發動機的整體效率與穩定性。在實際飛行中，壓氣機面臨前置噴水冷卻、吞沙、吸雨吸雹等復雜工況，易引發葉片腐蝕、沖蝕、效率下降等問題。積鼎科技針對壓氣機多工況下的性能挑戰，構建了多物理場耦合的仿真解決方案，涵蓋前置噴水冷卻、發動機吞沙、吸雨吸雹三大核心場景，為壓氣機設計與可靠性提升提供關鍵技術支撐。
在前置噴水冷卻仿真中，VirtualFlow 軟件基于歐拉 - 拉格朗日方法，完整模擬冷卻介質從噴口到壓氣機葉片的運動全過程，重點考慮液滴與葉片的相互作用及相變傳熱過程。通過液膜模型，結合液膜速度方程與平均速度方程，可精準分析液膜在葉片表面的流動與傳熱規律，為冷卻系統參數優化提供依據，有效提升壓氣機冷卻效率，避免葉片過熱損壞。
針對發動機吞沙工況，軟件采用 DPM解決方案，實現沙塵顆粒運動與壓氣機氣動的雙向耦合計算。通過歐拉 - 拉格朗日方法，追蹤不同粒徑、密度沙塵顆粒的軌跡與數量，結合沖蝕半經驗公式，綜合顆粒物性、沖擊速度、入射角等因素，計算沙塵對葉片的沖蝕程度。
展開 如何利用氧氣傳感器提高鍋爐燃燒效率
所有物質燃燒過程都需要燃料和氧氣的正確空燃比，不然不完全燃燒會造成燃料浪費、有毒物質排放增加和潛在損害，從而影響鍋爐系統的整體性能和運行成本之外還對環境和財務損失影響也是巨大的。下面工采網小編和大家一起看看如何利用氧氣傳感器提高鍋爐燃燒效率。
在大型工業和商業鍋爐和熔爐中燃料消耗的間接費用很高，為了看到投資回報并保持最低的運行成本因而運營必須保持在高效率。要知道完全燃燒需要理想的燃料空氣比，通過使用閉環反饋系統中的氧氣傳感器測量廢氣/煙道氣的輸出氧氣含量來優化和維持該過程，該閉環反饋系統到鍋爐控制器以調節輸入混合。當供應的燃料質量可能變化時(即氣體來自不同來源)，這尤其有用。如果空氣流量和溫度足夠，燃料將釋放高水平的能量，同時廢碳分子被氧化形成低毒性的氣態化合物這可以通過使用能夠監測從熔爐中釋放的氧氣含量的氧氣傳感器來測量。
工采網提供的SST氧氣傳感器能夠優化生物質、煤炭、天然氣和燃油鍋爐系統的燃燒過程。如OXY-Flex氧氣分析儀通過測量煙氣中的含氧量并將數據反饋給鍋爐控制器，可以消除鍋爐系統中的低效因素。這使得能夠原位監測燃燒鍋爐的效率，并調節燃料和空氣流量輸入比，以實時優化燃燒。
值得注意的是普通溫度型氧氣分析儀ОXY-FLEX-X系列用來測量空氣或惰性氣體里氧氣濃度，氣體溫度范圍是-100到+250°℃;高溫系列氧氣分析儀OXY-FLEX-X-H系列是用來測量空氣或惰性氣體里氧氣濃度，溫度范圍是-100到+400℃(752°F)的最高工作溫度。它可以配置為三個不同的輸出測量范圍，可通過閉環系統經由4-20mA、0-10Vdc和RS232輸出進行通信。這種不消耗氧氣的傳感器使用壽命長達10年，這類產品特別適用于不易接觸到氣體的測量場合或封閉系統，如通風管道，煙道和容器里。
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