氣動與燃燒耦合仿真的案例
兩機仿真丨624所：整機全三維仿真技術加速航空發動機研發
圖2 發動機整機及局部網格示例
可壓縮流與不可壓縮流高精度耦合仿真
為解決可壓縮流與不可壓縮流耦合仿真問題，針對發動機風扇、壓氣機、渦輪等高速可壓縮流與燃燒室及部件盤腔等低速不可壓流相互耦合仿真方法進行了研究。重點開展了燃燒室與渦輪部件耦合求解方法研究。從發動機燃燒室與渦輪耦合仿真結果，可以看到主燃燒室核心區速度很低，屬于不可壓縮流動，渦輪導向器區域為高速的可壓縮流，通過多方位對湍流模型參數選取及交界面數據傳遞參數的設定，最終實現了主燃燒室與渦輪高精度耦合仿真（見圖3），獲取了不可壓縮流與可壓縮流參數的高精度耦合數據傳遞方法。
圖3 發動機燃燒室與渦輪耦合仿真
高精度氣動與燃燒耦合仿真
由于燃燒室或加力燃燒室內部存在燃油的霧化、蒸發、摻混、快速化學反應等多相流流動特點，而壓氣機、渦輪內部高速流動存在高流動曲率、激波尾跡邊界層相互作用、封嚴流與主流相互摻混現象。因此，燃燒室流動模擬和葉輪機部件內流存在非常明顯的差異，需要對氣動與燃燒耦合仿真模型進行針對性研究，從而確保較高的仿真精度。重點需要突破復雜反應流和葉輪機械高速內流高精度仿真模擬技術，并結合當前模擬仿真結果和試驗結果，對模型參數進行考核驗證和精度評判。為此，針對整機全加力狀態全三維仿真存在的燃燒模型精度低的問題，對加力燃燒模型進行了改進，攻克了加力出口溫度過高問題，并形成了一套具有完全自主知識產權的新化學反應模型，評估精度提升40%以上。
展開 整機全三維仿真技術加速航空發動機研發
從發動機燃燒室與渦輪耦合仿真結果，可以看到主燃燒室核心區速度很低，屬于不可壓縮流動，渦輪導向器區域為高速的可壓縮流，通過多方位對湍流模型參數選取及交界面數據傳遞參數的設定，最終實現了主燃燒室與渦輪高精度耦合仿真（見圖3），獲取了不可壓縮流與可壓縮流參數的高精度耦合數據傳遞方法。
高精度氣動與燃燒耦合仿真
由于燃燒室或加力燃燒室內部存在燃油的霧化、蒸發、摻混、快速化學反應等多相流流動特點，而壓氣機、渦輪內部高速流動存在高流動曲率、激波尾跡邊界層相互作用、封嚴流與主流相互摻混現象。因此，燃燒室流動模擬和葉輪機部件內流存在非常明顯的差異，需要對氣動與燃燒耦合仿真模型進行針對性研究，從而確保較高的仿真精度。重點需要突破復雜反應流和葉輪機械高速內流高精度仿真模擬技術，并結合當前模擬仿真結果和試驗結果，對模型參數進行考核驗證和精度評判。為此，針對整機全加力狀態全三維仿真存在的燃燒模型精度低的問題，對加力燃燒模型進行了改進，攻克了加力出口溫度過高問題，并形成了一套具有完全自主知識產權的新化學反應模型，評估精度提升40%以上。圖4為一型發動機全加力狀態下整機全三維仿真結果，通過與試驗數據對比表明，加力燃燒室出口溫度評估精度得到大幅提高，并準確獲取了發動機最大狀態下的性能參數。
圖2 發動機整機及局部網格示例
圖3 發動機燃燒室與渦輪耦合仿真
發動機主流與空氣系統次流耦合仿真
為了認識發動機主流路、容腔流路和盤腔流路相互干擾作用下的內部流動特征，精準評估發動機軸向力、空氣系統流路詳細分配，進一步提高發動機整機全三維仿真精度，需開展考慮主次流影響的發動機整機全三維仿真研究[4]。考慮到整機主次流全三維模型復雜、網格量大、計算時間長等問題，為減小技術風險，采用由簡到繁、由易到難的研究方法。
展開 CFDPro發動機燃燒仿真 | 實現航空航天發動機內部燃燒過程仿真
<p>航空航天發動機中的燃燒現象是一種復雜的物理化學過程，包括流動、霧化、相變、傳熱傳質、點火熄火、化學反應、污染物排放、熱聲振蕩和冷卻等多個過程，加上燃燒的非定常性和高湍流度，使得準確模擬燃燒過程變得異常困難。在傳統CFD模擬需要考慮的質量守恒方程、動量守恒方程和能量方程之外，燃燒還需要考慮組分守恒方程以及多相流、相變、熱聲耦合等多個模型，其中任何一個過程模擬的失真，都將影響最終的燃燒計算。</p><p><br></p><p><strong>發動機燃燒模擬的難點</strong></p><ul><li><strong>多物理場耦合：</strong>發動機的工作過程中涉及到多個物理場的耦合，如流動、傳熱、燃燒等。這些物理場之間相互影響，需要同時考慮多個因素。</li><li><strong>非線性行為：</strong>發動機內部的流動、燃燒等過程存在非線性行為，如湍流、化學反應等。這些非線性行為使得模型的建立和求解變得更為復雜。</li><li><strong>邊界條件和初始條件：</strong>在仿真模擬中，需要為模型設置合理的邊界條件和初始條件，需要根據實際發動機的工作環境和狀態設定，有時難以準確獲取和模擬。</li><li><strong>模型參數的不確定性：</strong>模型參數的不確定性會對模擬結果產生影響。如何減小這些不確定性對模擬結果的影響，提高模擬的準確性和可靠性是一個挑戰。
展開 積鼎CFD發動機燃燒仿真，實現航空航天發動機內部燃燒過程的流體仿真
航空航天發動機中的燃燒現象是一種復雜的物理化學過程，包括流動、霧化、相變、傳熱傳質、點火熄火、化學反應、污染物排放、熱聲振蕩和冷卻等多個過程，加上燃燒的非定常性和高湍流度，使得準確模擬燃燒過程變得異常困難。在傳統CFD模擬需要考慮的質量守恒方程、動量守恒方程和能量方程之外，燃燒還需要考慮組分守恒方程以及多相流、相變、熱聲耦合等多個模型，其中任何一個過程模擬的失真，都將影響最終的燃燒計算。積鼎科技CFDPro，可滿足航空、航天、船舶、兵器、能源等領域的流體仿真分析。
發動機燃燒模擬的難點
多物理場耦合：發動機的工作過程中涉及到多個物理場的耦合，如流動、傳熱、燃燒等。這些物理場之間相互影響，需要同時考慮多個因素。非線性行為：發動機內部的流動、燃燒等過程存在非線性行為，如湍流、化學反應等。這些非線性行為使得模型的建立和求解變得更為復雜。邊界條件和初始條件：在仿真模擬中，需要為模型設置合理的邊界條件和初始條件，需要根據實際發動機的工作環境和狀態設定，有時難以準確獲取和模擬。模型參數的不確定性：模型參數的不確定性會對模擬結果產生影響。如何減小這些不確定性對模擬結果的影響，提高模擬的準確性和可靠性是一個挑戰。
國產自主流體仿真軟件CFDPro
CFDPro為基于有限體積法求解單相流/多相流NS方程的計算流體動力學仿真軟件，采用Level Set界面追蹤方法、具備領先的湍流模型、豐富的相變模型，配置燃燒模型和反應機理接口，更加適用于工程計算模擬，滿足航空、航天、船舶、兵器、能源等領域的流體仿真分析。
專業的發動機燃燒模塊
CFDPro涵蓋了9大專業模塊。
展開 
【AICFD案例教程】錐形燃燒器燃燒仿真
AICFD是由天洑軟件自主研發的通用智能熱流體仿真軟件，用于高效解決能源動力、船舶海洋、電子設備和車輛運載等領域復雜的流動和傳熱問題。軟件涵蓋了從建模、仿真到結果處理完整仿真分析流程，幫助工業企業建立設計、仿真和優化相結合的一體化流程，提高企業研發效率。
一、概 要
1）案例描述
本案例仿真對象為某錐形燃燒器，在入口速度為60m/s時進行了燃燒的數值模擬。
2）網格
整體網格為非結構網格，網格數量3576。
圖1-1 網格模型
3）計算條件
入口速度：60 m/s；出口靜壓：101325Pa；湍流模型：Standard k-epsilon；介質：混合物。
二、網 格
1）新建工程
① 啟動AICFD 2023R2；
② 選擇 文件>新建，新建工程，選擇工程文件路徑，設置工程文件名，點擊“確定”。
圖2-1 AICFD窗口
圖2-2 新建工程
2）網格導入
單擊菜單欄 網格>導入網格，導入外部生成的計算域網格。
圖2-3 網格導入
3）網格質量檢查
單擊菜單欄 網格>網格質量，檢查網格質量。
圖2-4 網格質量檢查
三、求解設置
1）求解模型
雙擊 求解> 求解模型，設置物理模型。
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
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）、軌道動力學直接觸及了航空航天領域仿真的技術核心。作為UltraLAB圖形工作站的廠商，精準把握這些算法的計算特性，是為客戶提供最優硬件解決方案的關鍵。
我將為您逐一解析這五大航空航天仿真領域。
核心結論速覽表
仿真領域核心算法/方法計算特點主要計算平臺備注飛行器氣動設計
計算流體力學 (CFD)
求解大型稀疏矩陣、高內存帶寬、網格規模巨大
CPU多核 ≈ GPU
GPU加速已成主流，尤其在RANS和LES中。CPU用于復雜前處理。
結構強度與疲勞
隱式有限元法
求解大型線性方程組、對內存和CPU頻率敏感
CPU多核為主，CPU單核為輔
CPU是絕對主力，GPU加速正在興起，但成熟度不如CFD。
燃燒與傳熱
CFD + 化學反應動力學
計算密度極高、多物理場強耦合、極大規模
CPU多核集群 >> GPU
傳統上依賴CPU集群，GPU加速是前沿方向，潛力巨大。
展開 發動機缸內燃燒解析（活塞固熱耦合）
發動機專用熱流體分析軟件Converge，不僅能模擬發動機缸內流動、燃料噴霧、燃燒，而且通過跟缸內流體部分的熱計算進行耦合，也可以進行固體內部的熱傳導解析。
這是活塞的固體（金屬）部分的熱傳導解析和發動機缸內流動、燃料噴霧、燃燒解析同時耦合計算的案例。以往的活塞熱傳導解析，大部分案例中，缸內側的邊界條件都是一樣的。像本案例這樣，通過同時求解缸內的燃燒狀態，可以適時提供更真實的溫度邊界條件，進而獲得更高精度的熱傳導解析。
基于AMESim仿真分析軟件的氣動閥門運動特性研究 AMESim氣動附軟件下載
摘要：基于AMESim仿真分析軟件，對氣動閥門內部的運動規律、閥門內部零組件相互運動關系進行了研究，并采取了非接觸測量方法，測量了閥門內部閥桿運動速度，確定了仿真分析的正確性。結果表明：氣動閥門在打開瞬間，閥桿會有較大的運動速度，并可能發生頂桿與閥桿的反向碰撞問題，給頂桿或閥桿帶來損傷。
關鍵詞：氣動閥門；內部運動規律；運載火箭
引 言
氣動閥門廣泛應用于運載火箭的加注、泄出、排氣等系統，在飛型號的排氣閥、安溢閥，在研型號的加注閥、排氣閥等多采用氣動控制閥。隨著閥門的直徑、流量的 增大，閥門的結構尺寸和重量也越來越大。氣動閥門的控制氣一般為高壓氣（約5 MPa），在此氣體壓力下，強制作動器內的頂桿迅速運動，推動活閥打開。隨著閥門口徑的增大，頂桿、活閥的快速運動和撞擊，帶來了閥門的動強度問題。因此 對閥門內部閥芯、強制頂桿運動規律的研究越來越重要。
張永彬等基于Adams軟件對一種快速泄放閥的響應特性進行了仿真與分析，得出泄放閥閥芯運動規律和內部氣體壓力變化規律；吳建軍等通過Simulink軟件對抽油泵泵閥進行仿真，得到泵筒內的液體壓力變化規律曲線、泵閥打開高度曲線及泵閥運動速度曲線；余鋒等采用ABAQUS軟件分析了保險閥導向桿斷裂故障，得到導向桿設計動強度不足的故障原因；
孫海亮等研究了充氣開關閥桿斷裂問題，得到閥桿斷裂失效機理；潘英朋等提出了一種低溫氣動閥門方案，并對波紋管等關鍵零件進行了計算和分析；王春民等研究了自鎖閥在振動和沖擊環境下性能變化情況。
本文以某火箭用加注閥為例，對氣動閥門內部運動規律進行了研究，采用AMESim軟件對閥門運動特性進行了分析，確定了閥門內部頂桿和閥桿間的運動關系，并采用非接觸測量手段得到閥門在打開時的活閥運動速度，以驗證仿真分析的正確性。
展開 Fluent仿真案例-高超音速再入艙氣動熱仿真
再入艙的攻角α=-25°和馬赫數為17.0。幾何形狀如下圖所示，膠囊是對稱的。
1、啟動Fluent導入網格
啟動Fluent軟件，選擇雙精度，設置并行數。
導入網格并顯示。
對于高超音速流場，選擇密度基Density-Based求解器。
2、物理模型
選擇求解能量方程并選擇雙溫度模型選項。在雙溫模型中，一個溫度代表空氣分子的平移能和旋轉能，另一個溫度代表空氣分子的振動能和電子能。考慮這種熱非平衡對于高超超聲速流的精確模擬是重要的，最重要的是在表面傳熱和溫度的預測。
粘度模型使用k-ω SST湍流模型，保留默認設置。
3、材料
默認的流體材料是空氣，這是此問題中的工作流體。對于高超聲速流來說，考慮可壓縮性和熱物理性質隨溫度的變化是很重要的。這將在選擇使用雙溫度模型時自動完成，以確保使用適當的屬性。
4、操作條件
設置操作壓力為0。
5、邊界條件
“inflow”邊界：如下，并設置溫度為250K。
“outflow”邊界：如下，并設置溫度為250K。
“wall”邊界：設置溫度為1500K。
6、求解
求解方法和離散方法如下。
庫朗數和松弛因子如下。
設置求解限制。
初始化設置。
迭代步數設置為
展開 燃氣輪機燃燒仿真詳解
燃燒室燃燒仿真面臨的困難主要在于：1）燃燒反應過程中化學組分多；2）模擬對象燃燒過程中長度尺度和時間尺度跨度范圍大；3）化學反應的高度非線性和溫度、反應物濃度的湍流脈動是耦合在一起的。
以碳氫燃料燃燒來說，反應中涉及的化學組分就多達上千種，為了在實際研發過程中模擬燃燒過程，必須有適當的簡化機理來滿足現有計算條件且盡可能準確的捕捉燃燒過程。一般地，燃燒室的特征長度在幾百毫米左右，但燃燒過程中最小的湍流特征長度只有幾十微米，相差千倍以上，為了精確模擬該過程，即使采用直接數值模擬（DNS）也是相當困難的，因為計算量驚人。
在實際燃燒室研發過程中，多采用大渦模擬（LES）或雷諾平均（RANS）的方式來解決以減少計算量，采用RANS的方式就不可避免的需要采用湍流模型，大渦模擬中也需采用亞格子模型，上述這些湍流模型對于燃燒過程中流動結構的發展、演化有重要的影響。
至于化學反應與組分濃度、溫度的湍流擾動的相互作用，需要采用燃燒模型來解決。根據燃燒過程中燃料和氧化劑的不同進入方式可以分為預混燃燒、非預混燃燒、部分預混燃燒，可以根據不同的燃燒方式選擇合適的燃燒模型。
也可根據化學反應速度分為快速反應的模型和有限反應速度的模型，若只考慮流場和溫度場，可以選用快速反應的模型，若還需考慮組分濃度分布，則應選擇有限反應速度的模型。如果燃料形態是液體，還需考慮液體的噴霧及蒸發過程。
此外，燃燒室燃燒過程中，產生的熱有一部分通過輻射的方式傳遞給火焰筒壁面，準確預測壁面溫度選用適當的輻射模型很重要。
上述簡要介紹了燃燒室數值模擬過程中相關的化學反應機理、湍流模型、燃燒模型、輻射模型。一般來說，上述模型都是通過計算域內的網格為基礎單元進行離散求解獲得相應的解，可以說網格是數值模擬的基礎，對模擬對象進行良好的網格劃分既基礎、又重要。
展開 視頻課程|ANSYS燃燒仿真模型介紹與應用
ANSYS CFD對多種燃燒模型進行了代碼重構工作并對求解器進行了大量改進，從而顯著提升了仿真效率和精度。
在實際的仿真工作中，不同的仿真案例需采用不同的燃燒模型及設置。
本課程對多種燃燒現象、燃燒仿真任務和燃燒模型進行了探討，為不同仿真案例燃燒模型的選擇和設置提供依據。
ANSYS教學視頻| ANSYS燃燒仿真模型介紹與應用
視頻內容：
新版本的ANSYS CFD對多種燃燒模型進行了代碼重構工作并對求解器進行了大量改進，從而顯著提升了仿真效率和精度。在實際的仿真工作中，不同的仿真案例需采用不同的燃燒模型及設置。本視頻對多種燃燒現象、燃燒仿真任務和燃燒模型進行了探討，為不同仿真案例燃燒模型的選擇和設置提供依據。
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來源于：陽普科技sunpro
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
自主仿真 | 燃燒室PERA SIM PreCFD高級CFD網格劃分方法
一、問題描述
為了滿足航空發動機對高溫升、高熱容燃燒室的點火與穩定燃燒范圍、出口溫度分布系數、耗油率、火焰筒冷卻以及污染物與噪音排放等日益苛刻的要求，發展新的燃燒室設計技術，為先進航空發動機設計與研制提供有力的技術支持，是當前面臨的一項十分重要的任務。因此發展燃燒室數值分析技術，這對深入了解燃燒室內各工作過程、指導與優化燃燒室設計是至關重要，
網格劃分作為數值仿真的基礎十分重要，網格質量的好壞直接決定了仿真計算結果的準確性，本文以燃燒室模型為例，詳細介紹安世亞太自主開發的CFD前處理軟件PERA SIM PreCFD網格劃分流程。
二、網格流程劃分
1. 幾何模型導入
PERA SIM PreCFD的前處理接口可以導入多種CAD模型，本案例導入的是x_t格式的幾何文件。
圖1- 1導入模型的文件格式
導入的幾何文件是由一個固體零件組成的燃燒室模型，如圖所示。幾何在導入過程中會自動進行檢查，當前在目錄樹中geometry節點下顯示僅有double edges，沒有single edges，說明當前的零件幾何是封閉的實體。
圖1- 2幾何顯示
2. 幾何修復
PERA SIM PreCFD前處理模塊提供了多種工具可以對幾何模型進行修復。本案例中導入的幾何模型發現在其腹部存在兩個多余的面，選擇Geometry-Quick Repair在左下方的屬性欄中設置Stich參數，點擊Repair，程序自動根據容差進行模型修復，修復后的模型如下圖所示。
圖2-1模型修復
3. 抽取體
PERA SIM PreCFD前處理模塊提供了Find volumes功能，用于在幾何拓撲關系的基礎上自動尋找封閉的體積空間，用于體網格的劃分。
展開 【CAE案例】橄欖廢料燃燒鍋爐飛灰沉積的仿真模擬
數值模擬過程中，對實際物理模型進行了一定的簡化，并將整個橄欖油渣鍋爐劃分為兩個不同的計算域：
爐排區域：在此區域中焚燒橄欖油渣，考慮橄欖油渣的燃燒反應；
熔爐區域：在此區域中不計算橄欖油渣的燃燒反應，但會計算氣體之間的燃燒反應。
在整個橄欖油渣燃燒爐計算域中都將考慮不同組分的氣體因密度差異而產生的浮力驅動流。
爐排區域（左）和熔爐區域（右）
對于整個橄欖油渣燃燒爐的模擬通過以下步驟實現：
基于橄欖油渣的燃料特性，首先對爐排區域進行求解，以獲得此區域的初始溫度、速度、氣體組分和粒子組成；
將爐排區域的計算結果作為熔爐區域的一部分入口條件，在熔爐區域計算由橄欖油渣產生的可燃氣體的燃燒反應；
使用熔爐區域計算的結果重新計算步驟1，經過反復迭代，直到爐排區域的傳出輻射熱通量和熔爐區域的傳入輻射熱通量之間差距可以忽略為止；
通過步驟3獲取整個生物質燃燒爐的流場，根據橄欖油渣的燃料特性，在凍結的流場中注入一定量的具有相應體積和重量的拉格朗日粒子，模擬飛灰，在燃燒爐壁面上設置對飛灰的吸附沉積效果，實現對于橄欖油渣燃燒爐中的飛灰沉積過程。
03
仿真模擬
下圖展示了code_saturne仿真計算得出的在橄欖油渣鍋爐當中溫度場和速度場的云圖。
展開 