噴霧建模
關注創建者：匿名 創建時間：2021-12-27
噴霧建模的視頻教程
如何利用CONVERGE軟件建立柴油噴霧撞壁計算模型
本課程介紹了如何利用CONVERGE軟件建立高壓柴油噴霧在定容彈內的撞壁計算模型，本課程非常適合內燃機專業的學生或內燃機噴霧計算的初學者，學習本課程后可掌握如何進行噴霧建模及仿真標定。
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噴霧建模的實例教程
近日，3D科學谷就看到了世界領先的建筑/采礦設備和柴油發動機制造商卡特彼勒（Caterpillar ）正在推動3D打印技術在優化重型柴油發動機燃料噴霧幾何結構中的應用。
提高
燃油經濟性
卡特彼勒（Caterpillar ）與美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory ）正在聯手研發重型柴油發動機, 雙方團隊將合作優化Caterpillar C15發動機的活塞和燃料噴霧幾何結構，從而提高這款發動機的效率、減少排放。他們采用的發動機優化技術包括仿真、高性能計算和增材制造/3D打印。
圖：研究人員使用耦合共軛傳熱和計算流體動力學模型創建了發動機幾何結構的預測橫截面視圖，顯示了缸內和金屬活塞溫度。 來源：Convergent Science和美國阿貢國家實驗室。
卡特彼勒和阿貢國家實驗室的目標是為柴油發動機設計開發突破性的解決方案。雙方將建造和測試重型柴油發動機，以減少排放并提高燃油經濟性。此外，合作的另一個目標是降低制造設計成本，縮短將科研技術應用到工業規模制造流程中所需的交付周期。
阿貢國家實驗室的高性能計算仿真和卡特彼勒的柴油發動機與增材制造設備將在合作的多個階段協同工作。在合作時，雙方會將卡特彼勒的發動機專業知識與阿貢實驗室在燃料噴霧和燃燒建模方面的專業知識相結合，并在這一過程中使用計算流體動力學軟件包CONVERGE與實驗室的高性能計算系統。
3D科學谷 Review
根據3D科學谷的市場觀察，卡特彼勒擁有先進的單缸和多缸發動機測試設備，以及種類全面的3D打印設備。該公司有推動發動機仿真極限的歷史，并且是建模能力優化的持續支持者。
展開 歐拉-拉格朗日框架中的離散相建模可用于對燃料噴霧進行建模，同時考慮二次破碎。燃燒采用小火焰單元生成歧管(FGM)模型進行建模，該模型通過混合分數與反應進程表示熱化學過程。此建模策略(SBES–FGM)已經過驗證，可準確預測噴氣式發動機以及陸上燃氣輪機燃燒室的火焰行為與排放。
具有可選擴展功能的建模技術已被證明適用于氫混合燃料或純氫燃料。這種擴展包括對反應過程變量的定義修改，以及在某些情況下，考慮差異性擴散（不同物質的不同質量和熱擴散率）。下圖展示了這種氫燃燒建模框架在Cabra案例中的成功應用，這是燃氣輪機預混合系統中火焰保持的代表性配置。
Cabra的案例（左），相關區域中的Ansys Poly-Hexcore網格（右）
Cabra案例中的氫燃料噴氣機，被2,200種稀薄預混合氫/空氣火焰燃燒產物的同軸共流所包圍。使用Fluent中基于壓力的求解器進行大渦仿真(LES)，并使用動態Smagorinky Lilly公式對子網格尺度進行建模。使用FGM對燃燒進行建模，進度變量源項采用有限速率閉合，進度變量(PV)和混合分數(Z)方差采用代數公式。
LES-FGM仿真還預測了混合分數、溫度和物質的分布，與實驗數據非常吻合。仿真還準確再現了火焰前緣的厚度。前緣火焰的預測，對于影響下游混合的全火焰預測而言至關重要。使用擴散小火焰單元方法可以更準確地再現火焰錨定，最終與實驗數據高度吻合。
航空工業可以利用氫實現凈零排放
《巴黎氣候協定》和航空業界到2050年大幅降低排放的承諾，也在推動氫燃燒的研究和開發。
展開 引言
噴霧燃燒是內燃機研究領域中一個重要且富有挑戰性的課題。本文重點討論柴油噴霧燃燒，其特點是高溫非預混燃燒。為了加深對內燃機的理解以便更好地對其進行設計，必須考慮詳細的化學機理和TCI（turbulence-chemistry interaction）效應。準確地模擬非預混噴霧自點火和氧化過程以及污染物排放，特別是多環芳烴物種的演化過程，詳細的化學計算至關重要。
許多TCI模型已被應用于噴霧火焰的建模。例如，輸運概率密度函數(TPDF)方法、代表性交互火焰面(RIF)、火焰面/進度變量(FPV)模型、火焰面生成流形(FGM) 和建表火焰面模型(TFM)。
在這些湍流燃燒模型中，基于火焰面思想的模型具有計算效率高的特點，因此可以使用詳細的化學反應動力學。火焰面方法的基本思想是，多維湍流火焰可以看作是嵌入在湍流流場中的被拉伸的一維層流火焰(稱為火焰面)的集合。引入混合分數Z以消除非線性化學反應源項求解的困難。由此，化學可以在混合分數坐標下求解，然后映射到流場。基于火焰面的模型與化學建表方法相結合，通過將3D-CFD和層流火焰面計算解耦，降低了計算成本。這使得火焰面模型能夠使用復雜化學反應機理，且計算成本相對較低。此外，基于火焰面的模型能夠通過預設概率密度函數（PDF）有效地解釋TCI現象。只當特征化學時間尺度比混合時間尺度短時，火焰面假設才是有效的，就像在大多數相關條件下類似柴油的燃燒一樣。
本文使用FGM燃燒模型對正十二烷燃料的ECN sprayA進行RANS模擬。此外，由于傳統觀點認為高溫非預混燃燒受限于混合過程，其進度變量的方差很大程度上依賴于混合物的形成速度，因此進度變量的方差經常被忽略。本研究考慮了進度變量的方差，類似于預混系統中進度變量的處理。
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許多TCI模型已被應用于噴霧火焰的建模。例如，輸運概率密度函數(TPDF)方法、代表性交互火焰面(RIF)、火焰面/進度變量(FPV)模型、火焰面生成流形(FGM) 和建表火焰面模型(TFM)。
在這些湍流燃燒模型中，基于火焰面思想的模型具有計算效率高的特點，因此可以使用詳細的化學反應動力學。
歐拉-拉格朗日框架中的離散相建模可用于對燃料噴霧進行建模，同時考慮二次破碎。燃燒采用小火焰單元生成歧管(FGM)模型進行建模，該模型通過混合分數與反應進程表示熱化學過程。此建模策略(SBES–FGM)已經過驗證，可準確預測噴氣式發動機以及陸上燃氣輪機燃燒室的火焰行為與排放。
具有可選擴展功能的建模技術已被證明適用于氫混合燃料或純氫燃料。
在合作時，雙方會將卡特彼勒的發動機專業知識與阿貢實驗室在燃料噴霧和燃燒建模方面的專業知識相結合，并在這一過程中使用計算流體動力學軟件包CONVERGE與實驗室的高性能計算系統。
3D科學谷 Review
根據3D科學谷的市場觀察，卡特彼勒擁有先進的單缸和多缸發動機測試設備，以及種類全面的3D打印設備。
