燃燒與傳熱的案例
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
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。頻率掃描: 通常需要在很寬的頻率范圍內進行計算，可以并行化。
展開 喜報︱國產超算賦能航發仿真，無錫超算神工坊團隊項目榮獲上海市科技進步獎二等獎！
摘要
日前，2024 年度上海市科學技術獎已正式揭曉，國家超級計算無錫中心 神工坊? 團隊研發的《兼容國產異構超算的航空發動機低排放燃燒和傳熱并行仿真技術及軟件研制》項目，榮獲科技進步獎二等獎。這一獎項是對團隊在高端仿真技術領域創新成果的高度認可，也彰顯了國產超算在航發重大工程應用中的突破性進展。
獎項概覽：上海市科學技術獎
上海市科學技術獎是由上海市人民政府設立的科學技術獎項，重點獎勵科學發現、技術發明及促進經濟社會發展的重大科技成果，設科技功臣獎、青年科技杰出貢獻獎、自然科學獎等七個類別，其中自然科學獎、技術發明獎、科技進步獎均設一等獎、二等獎（特等獎需特別貢獻）。
根據《上海市科學技術獎勵規定》（2023年滬府令8號），通過市科學技術獎評審委員會評審，市科學技術獎勵委員會審定，經上海市人民政府批準，2024年度上海市科學技術獎授獎206項（人），國家超級計算無錫中心 神工坊? 團隊名列其中。
圖片來源：上海發布
項目介紹：
兼容國產異構超算的航空發動機低排放燃燒和傳熱并行仿真技術及軟件研制
項目概述：
項目基于國家超級計算無錫中心 神工坊? 技術團隊自主研發的 SimForge HSF? 高性能數值模擬引擎，構建了基于國產超算的航空發動機燃燒與傳熱并行仿真軟件，并成功對該軟件進行了高性能改造，使其網格規模和并行規模均提升超2個量級，達到10億網格和100萬核心。通過接入UNAP高可擴展代數求解庫，更實現了10億階矩陣隱式求解，同等并行規模收斂效率提升超20倍。
展開 CFD專欄丨Flow Simulator案例：航空發動機燃燒室一維仿真
wx_fmt=jpeg&from=appmsg"></p><p><br></p><p><strong>燃燒室內襯溫度仿真</strong></p><p><br></p><p>燃燒室內襯承受著巨大的熱負荷。從傳熱的角度分析，須考慮高溫氣體從內側的對流和輻射、冷卻空氣從外側的對流和輻射、內側氣膜冷卻，以及內襯固體材料，包括熱障涂層（Thermal Barrier Coatings）的熱傳導。</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/x0yLiaf5fF6wQtXyAnpibxiahtIVvyfWhgGqkzWctUCNeHrIJApcXydsG7IewmRSykMwSXH3AV5N1ccR6YvfEnnbg/640?wx_fmt=jpeg&from=appmsg"></p><p><strong>燃燒室內襯傳熱路徑分析</strong></p><p><br></p><p>FlowSimulator在燃燒室模型上增加熱網絡模型即可模擬內襯材料溫度。此時Analysis Type修改為Steady State Flow + Steady State Thermal。</p><p><br></p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/x0yLiaf5fF6wQtXyAnpibxiahtIVvyfWhgGyvgfO9PPDX0w4Uk6ClSVibuuqaCw4EoG11BtC8Ga8PDgfkdqquGUSnQ/640?
展開 『下載』中科大的Fluent講稿（CHM電子書版本）
其生成無結構網格的程序把計算復雜幾何條件下的流動及傳熱傳質問題變的簡單。同時，軟件還提供了許多的湍流模型、壁面處理及燃燒、傳熱模型供針對特定問題選擇。用戶自定義函數也為改進和完善模型，處理個性化問題和給出更合理的邊界條件提供了可能。
本講義以FLUENT5說明書為主要參考資料，介紹了該軟件的基本功能、基本物理模型、湍流模型、湍流模擬的近壁處理及邊界條件，并且對燃燒過程的模擬和用戶自定義函數做了描述。通過本課程學習，可以掌握和利用FLUENT程序在流體及傳熱傳質等領域進行數值研究。
燃燒模型部分由董剛副教授編譯，方海生同學編譯了用戶自定義函數。基本物理模型，湍流模型及湍流模擬近壁處理及邊界條件由劉明侯副教授編譯。由于時間非常倉促（一個暑假時間），只能用不完全的內容作為計算流體和傳熱傳質課程的內容。還有些內容來不及加入講義內，希望以后逐步完善。文字沒有很好地校對，一定會由錯誤、疏漏或不妥的地方，請同學們校正。
中科大Fluent講稿.rar
展開 
發動機燃燒仿真｜CMCL填補CFD與0維/1維均質反應模型方法間的空白
發動機的研制涉及空氣動力、燃燒傳熱、自動控制等多方面的問題。相比基于物理樣機試驗的傳統涉及方法，數值模擬仿真設計方法大大地節約了研發成本、縮短了研發周期。
對于發動機一維概念設計，CMCL燃燒仿真解決方案可以幫助用戶快速準確實現點火、熄火、失火、火焰傳播以及著火延遲時間和排放等過程的模擬；對于燃油霧化等多相流問題，可通過CFD仿真技術進行精確仿真。全流程的燃燒仿真解決方案能幫助設計人員實現多領域、多維度的燃燒仿真計算。
CMCL軟件起源于劍橋，可提供領先的燃料、燃燒及排放仿真解決方案。其軟件包括:kinetics?（燃料，排放和后處理的化學反應模型）、SRM EngineSuite?（內燃機物理化學模型）、MoDS?（模擬功能的自主機器學習和高級統計）以及Explorer?（可視化的后處理工具），彌補了計算流體力學（CFD）與零維/一維均質反應模型方法之間的空白，可為用戶提供高效的燃料、燃燒以及排放解決方案。
展開 【CAE案例】橄欖廢料燃燒鍋爐飛灰沉積的仿真模擬
橄欖油渣可用于生物質鍋爐的燃燒發電，功率可達2 MWe 至 25 MWe，是優秀的可再生能源。但由于橄欖油渣在燃燒時會產生大量灰燼，這些生物質鍋爐在工作一定時間后需要熄火停工，以清除管道上的污垢沉積物以及爐排拱頂上沉積的飛灰，防止沉積物影響傳熱和流動，降低鍋爐效率，避免引起事故造成危險。
海
斯坦普正在開發的生物質鍋爐
鍋爐管道上的污垢沉積物
目前對于生物質鍋爐中的飛灰沉積問題，解決方法以定期清理維護為主，但飛灰沉積對鍋爐內的傳熱特性和工作穩定性的影響卻很難評估。因此，海斯坦普通過使用Code Saturne計算流體力學軟件，將流體力學仿真與其正在開發的生物質鍋爐項目結合起來，運用CFD分析的方法，模擬其內部流體的流動狀態以及傳熱特性，根據仿真結果在設計階段優化生物質鍋爐設計，預測飛灰的產生和飛灰對于鍋爐性能的影響，以最大限度地提高鍋爐的工作效率，并且根據仿真模擬的結果相應地調整運維策略，使得經濟效益最大化。
02
模型建立
海斯坦普公司使用code_saturne 對現有投入使用的50MWt 生物質鍋爐進行了CFD數值模擬，模擬中考慮了燃燒反應、輻射傳熱、湍流的效應，并使用拉格朗日粒子方法模擬飛灰的沉積。
展開 Abaqus在建筑防火中的應用
概述
建筑物中的火的發展包括火災起始、充分發展和衰滅三個階段，是一個復雜的燃燒、傳熱、傳質和湍流過程，其中涉及到各種非線性問題。火災計算機模擬技術涉及結構工程、火災科學、計算機科學等學科知識體系，相當復雜。目前規范中僅僅涉及到防火的措施，并沒有具體設計的要求。隨著建筑科技的發展，對建筑物整體的防火評估以及發生火災之后可能破壞部位也是目前在建筑結構設計中考慮的重點。Abaqus強大的非線性功能可以很好的模擬火在建筑物中 的傳遞，以及整個結構和構件的變形直到其徹底失效。
鋼結構構件的防火分析
鋼材的承載性能會隨著溫度的升高而急劇降低，在高溫條件下，無任何保護的鋼結構很快會出現塑性變形，致使建筑倒塌。在9.11事件中，在強烈的高溫作用下，鋼結構筒體的承載強度迅速下降，二十分鐘之后就出現徹底破壞。
以下是模擬鋼框架梁發生火災，以獲得火災設計失效時間以及特定條件下的火災災害分析。
四面受火包圍的梁在受火時間的變形：
可以看到經過 25.15 分鐘之后梁的承載能力完全喪失，達到最終的變形。
三面受火的梁在受火時間內的變形：
鋼結構建筑防火分析
以下是八層鋼框架結構在四層出現火災時的有限元模擬，考慮到火的流動形式對變形的影響。最后計算了結構構件發生火災時截面變形。可以看到火的流動方式不同導致整體結構失穩的形式也是不同的。
鋼筋混凝土結構構件防火分析
鋼筋混凝土結構在火災下自我保護能力明顯的高于鋼結構，但是鋼筋混凝土材料本身的非線性使得問題的分析要比單純鋼結構更加復雜，雖然屬于熱惰性材料，但由于火災的高溫作用，材料性能將嚴重劣化，在結構中將發生嚴重的內(應)力重分布，使結構性能大大削弱，危及結構的安全。
展開 【AICFD案例教程】錐形燃燒器燃燒仿真
圖5-2 結果更新
3）可視化結果
① 溫度云圖
單擊菜單欄 后處理> 面，選取位置域和變量參數溫度，點擊應用，讀取燃燒器截面溫度云圖。
圖5-3 截面溫度云圖
② 速度云圖
單擊菜單欄 后處理> 面，選取位置域和變量參數速度，點擊應用，讀取燃燒器截面速度云圖。
圖5-4 截面速度云圖
【AICFD教程】6分鐘學會錐形燃燒器燃燒模擬
1、案例背景
燃燒器常用在燃油、燃氣、煤粉燃燒等行業，通過本節仿真操作，可以看到燃燒器內燃料運動速度及溫度的分布，為燃燒器的結構設計提供參考依據。
本案例需要的輸入文件和參數信息如下表：
網格文件
Burner.msh
介質
混合物
湍流模型
Standard k-epsilon
邊界條件
入口速度：60m/s
出口靜壓：101325Pa
圖1 網格模型
2、網格處理
2.1 新建工程
a. 啟動AICFD 2024R1；
圖2 AICFD窗口
a. 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3 新建工程
2.2 網格導入
a. 單擊菜單欄 網格> 導入網格 ，導入體網格，讀取體網格。（點擊下載模型文件 ）
圖4 網格導入
這個網格模型是燃燒器內腔的一個切片，完整的燃燒器內腔是這樣的，燃料從中間進入，周圍噴出，因為模型中心對稱，所以我們只仿真這個切片就可以知道全局，這是仿真中簡化計算的常規處理方式。
圖5 切片仿真
3、求解設置
3.1 求解模型
a. 雙擊 求解> 求解模型，設置物理模型。時間選穩態。流動選可壓，方法選湍流，其余默認。
圖6 模型設置
b. 材料是指燃燒器腔內燃燒過程涉及的所有物質。
展開 天然氣鍋爐燃燒數學模型的建立及驗證試驗設計
分3層布置在大風箱上，其重量由前、后水冷壁承受，每只燃燒器均配有1個油點火器和1個氣體點火器，點火方式為高能點火，每一種點火器分別能點燃兩種燃料，每個燃燒器的配風均有1個氣動執行器調節的擋板獨立進風，進風量能夠單獨控制，正常運行時，24只燃燒器全部投運，若其中一只燃燒器發生故障時其余燃燒器仍能保證鍋爐滿負荷運行。鍋爐燃燒方式既能單獨燃油或氣，又能油、氣燃燒，但每只燃燒器只能供給一種燃料。燃燒器主要由燃油裝置，燃氣裝置及調風器組成。
燃氣裝置主要由氣槍及天燃氣分配集箱組成，8根氣槍均勻地布置在一個與燃燒器同心的圓周上，氣槍的頭部有徑向、軸向噴孔。調風器由一次風管、二次風管、分級風管，一次風導筒及調節裝置，二次風旋轉器調節裝置，分級風風門及其裝置等組成。一次風在燃料著火之前與之混合，二次風是燃燒器主要供風部分，分級風可降低NOX的生成量，二次風管和分級風管中設有軸向旋流器，二次風旋流器可軸向移動，可形成部分直流風，從而達到調節旋流中強度之目的，一次風通過一次風滑動導筒位置進行調節。分級風旋流強度不可調。圖2為燃燒器結構簡圖。
同一燃燒器的二次風及分級風旋轉方向相同，相鄰及相對兩個燃燒器的二次風及分級風旋轉方向均相反。圖3為二次風旋流旋轉方向示意圖。
圖2 燃燒器結構示意圖 圖3 二次風旋轉方向示意圖
2 數學模型的建立
電站鍋爐的天然氣燃燒包含流動，傳熱傳質和眾多的化學反應過程以及它們之間的相互作用，是一種劇烈的化學反應過程。實際燃燒過程中伴隨的流動幾乎全部是湍流過程，實際燃燒的化學反應多數為多步多組分反應。
展開 狂砸42億造出“天價”柴油發動機！中國企業摘下內燃機產業“皇冠明珠”
在對柴油機熱效率進行專項攻關中，濰柴動力開創五大專有技術——協同燃燒技術、協調設計技術、排氣能量分配技術、分區潤滑技術、智能控制技術，解決了高效燃燒低傳熱、高爆壓高可靠性、低摩擦損耗、低排放污染物、智能控制等一系列世界級難題，最終使柴油機本體熱效率超過了50%。
值得一提的是，發布會現場，德國博世集團、奧地利AVL、德國FEV、西南研究院、TüV、劉維民院士、蘇萬華院士等全球權威機構和專家分別發來賀信或祝賀視頻，對濰柴動力取得的這一歷史性突破表示祝賀。
美國西南研究院執行副總裁沃爾特·唐寧表示，實現50%的熱效率，需要極其龐大的研發投入，并且需要提前幾年規劃商業投產。
中國工程院院士蘇萬華指出，熱效率提高這件事情本身難度非常大。熱效率和排放往往是一對矛盾，在滿足國六排放標準的前提下提高熱效率，實際上是對內燃機綜合技術的全面提升。
未來，隨著濰柴動力50%熱效率柴油機大規模投放市場，必將改寫世界內燃機技術格局，引領全球行業新發展。
在此，我們期待濰柴的下一個十年在國產替代方面更上層樓，成為我們所有國人的驕傲！
展開 
影響電纜成束燃燒 影響電纜成束燃燒試驗結果的原因分析與解決方案
此標準條款與60332 一1、60332一2的差異在于60332一3是指多根成束垂直燃燒，相比之下成束垂直要比單根垂直在阻燃能力的要求上高得多。
成束電纜燃燒試驗的實用意義是對電纜的阻燃性能用試驗規定的條件來進行分類，并給用戶以指導。否則，如果用戶隨意增加集束，那么一旦著火燃燒，阻燃電纜也會變得延燃起來。反之，如果對電纜線路采取系統的防火對策，那么通過成束燃燒試驗的合格的阻燃電纜，無論由于什么原因著火，都可期望使燃燒的范圍僅局限于著火源的附近，減少損失與火災的發生。
在成束電纜燃燒時，火焰沿著成束電纜的傳播是由許多因素所決定的，例如：電纜暴露在火焰中的可燃材料的體積：電纜排列的幾何形狀及其周圍媒質的狀態；從電纜釋出的氣體的起燃溫度及釋出可燃氣體的數量；通過電纜的空氣容量等。眾所周知，欲使試驗結果有良好的再現性和可比性，對于影響火焰在電纜上的傳播因素，在試驗條件中都應作出具體的規定。在這方面，GB/T 18380，31標準中規定關于成束電纜燃燒試驗設備的具體技術要求。標準規定了燃燒試驗箱的大小，鋼梯的尺寸（包括寬鋼梯和標準鋼梯），流過試樣的空氣流量，噴燈的具體尺寸，這些都是影響火焰在電纜上傳播的因素。
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 CFD學習：缸內壓力
作者第一頁圣人
關鍵要點
缸內壓力是內燃機燃燒室內產生的壓力。
通過分析缸內壓力，可以深入了解燃燒過程及其對發動機性能的影響。
CFD 建模捕獲流動行為，以幫助預測發動機的功率和扭矩輸出、排放和燃料消耗。
模擬燃燒室內的流動
讓我們考慮一個四沖程柴油發動機，它包括進氣、壓縮、燃燒和排氣循環。
在進氣沖程中，活塞向上運動并壓縮空氣，使氣壓和溫度升高。
然后將燃料引入氣缸，由于空氣過熱，氣缸立即點燃。
燃燒導致壓力在做功沖程中升高，從而將活塞向下推，從而產生動力。
一旦排氣閥打開并將用過的氣體推出，活塞就會返回到其原始位置。
這是了解缸內壓力及其對內燃機性能影響的完美示例。
缸內壓力是由于內燃機氣缸或燃燒室內部燃燒而產生的壓力。
在本文中，我們將分析缸內壓力及其在提高發動機性能方面的作用。
缸內壓力分析
缸內壓力提供了有關發動機燃燒過程和應力的重要信息。在確定內燃機的設計和優化因素時，此信息至關重要。為此，分析采用理想氣體定律，該定律建立了氣體壓力、體積和溫度之間的關系。理想氣體的方程式在數學上可以寫成：
這里，p是缸內壓力，n是氣體的摩爾數，T是缸內氣體的溫度，V是氣缸的體積。R 是理想氣體常數，等于 8.314 J/mol K。
需要注意的是，上述公式是針對理想狀態下的氣體，這在實際發動機中可能很難滿足，因為燃燒或傳熱等因素會影響壓力。
然而，缸內壓力的計算和分析提供了對內燃機以下方面的洞察。
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