基于reactingFoam的管道内预混氢气点火爆炸

xuqiming

场景描述
5cm5cm50cm密闭管道内充满当量比预混氢气，在管道一端点火，观察火焰传播。
算例描述
问题简化为2维问题，湍流模型选择SST（我的算例不知道为何选择别的湍流模型会发散），点火点通过设置2500k温度进行点火（k 50, omega 5000），网格尺寸为0.1cm，单个算例7773X单核计算时间约为500s，求解器为reactingFoam，输运模型为EDC 2005，详细反应机理。
问题描述
在试验中，火焰形成指形火焰后，点火端应该先接触上下壁面，然后逐渐向前沿传播，火焰前端较尖锐，但是在模拟中指形火焰前端过于圆润，而且在靠近火焰尖端的地方先接触壁面，导致下一个阶段平面火焰出现的比较晚而且形状不对。自己调参测试（已经测试很久）过壁面条件、初始参数和离散格式，目前发现离散格式影响很大，但是不知道如何设置，只能碰运气，未发现效果更好的离散格式。
希望大佬能给出一些修改意见
如果大家感兴趣，可以上传完整算例
PS.在fluent中EDC确定能够实现这种模拟。下面为对比图，场景尺寸不完全一样，但是现象肯定是一致的。目前没有对一样尺寸试验结果进行定量对比，想要先现象能对应上。
reactingFoam模拟
图片1.png
论文 8.2cm8.2cm40cm场景下试验与FLUENT模拟

离散格式

ddtSchemes
{
    default         backward;//Euler;
}

gradSchemes
{
    default         Gauss linear;
    grad(U)         cellLimited leastSquares 1;
    grad(k)         cellLimited leastSquares 1;
    grad(epsilon)     cellLimited leastSquares 1;
    grad(omega)     cellLimited leastSquares 1;
}

divSchemes
{
    default         bounded Gauss linearUpwind limited;//Gauss limitedLinear 1;

    div(phi,U)       Gauss linearUpwind grad(U);
    div(phi,Yi_h)   Gauss MUSCL;
    div(phid,p)     Gauss linearUpwind grad(U);
    
    div(phi,K)      Gauss limitedLinear 0.5;//Gauss linearUpwind default;   
    div(phi,epsilon) Gauss linearUpwind default;    
    div(phi,omega)     Gauss linearUpwind default;
    
    div(((rho*nuEff)*dev2(T(grad(U))))) Gauss linear;
}

laplacianSchemes
{
    default         Gauss linear orthogonal;
}

interpolationSchemes
{
    default         linear;
}

snGradSchemes
{
    default         orthogonal;
}

wallDist
{
    method meshWave;
}

初始化变量

regions
(
    cylinderToCell
    {
        p1 (0 0 0);
        p2 (0 0 0.01);
        radius 0.0075;
        fieldValues
        (
           volScalarFieldValue T 2500           
           volScalarFieldValue k 100
           volScalarFieldValue omega 5000          
           volScalarFieldValue N2 1
        );
    }
);

xuqiming

补充一下，模拟是基于of7版本进行的。

wangfei9088

这个原因有两个：分别在transport model和reactingFoam上。

不管哪个版本的OpenFOAM，都是用的unity Lewis transport model。Lewis number假设为1，那么，质量扩散率和热量扩散率相等。
$$Le = \frac {\lambda}{\rho D c_p}$$
通俗地说，组分的扩散和热量的扩散很可能就是同步的，这个时候空间的组分差异和热量差异其实是一致的，当量比和温度一样导致组分和热量的扩散又一致，如此循环，火焰锋面就不可能变得尖锐，因为组分扩散导致的能量输运因为1的假设被忽略了。解决这个问题就是用multicomponent或mixture-averaged或constant but non-unity Lewis number transport model。按这个顺序，精度逐渐降低，计算逐渐便宜，但都非常好。
因为reactingFoam把Schmidt number也假设为1，质量扩散率等于粘度，所以reactingFoam求解器里的组分和能量方程也都要修改。
$$Sc = \frac {\mu}{\rho D}$$

Fluent是商用软件，求解器肯定内置了的。而且transport model最开始就是chemkin里的，ANSYS把它收购了，能实现这种模拟不奇怪。

xuqiming

@wangfei9088 感谢您的回复
参考您的建议1，正如您说的，我现在热物理属性用的是reactingMixture，之前尝试过multicomponent，但是这个属于在of7中问题很多，非常容易报错（在of8中倒是可以运行），我将会尝试下您说的其他属性。
参考您的建议1和2，您的意思是reactingFoam无法实现热质传输不平衡的模拟，进而导致这种情况，那如果需要修改这一点，需要对reactingFoam进行重新修改编译吗，我尚未接触到这种较底层的内容，那是不是代表用reactingFoam就难以实现我的需求了。

我使用的热物理属性如下

thermoType
{
    type            hePsiThermo;
    mixture         reactingMixture;
    transport       sutherland;
    thermo          janaf;
    energy          sensibleEnthalpy;
    equationOfState perfectGas;
    specie          specie;
}

inertSpecie N2;

chemistryReader foamChemistryReader;

foamChemistryFile "$FOAM_CASE/constant/reactions";

foamChemistryThermoFile "$FOAM_CASE/constant/thermo.compressibleGas";```

wangfei9088

下面所有的回复均是针对燃烧模拟来说的。

@xuqiming 在基于reactingFoam的管道内预混氢气点火爆炸中说：

我现在热物理属性用的是reactingMixture，之前尝试过multicomponent

OpenFOAM里只有sutherland这一个transport model可选，而multicomponent transport model/mixture-averaged transport model/constant but non-unity transport model这些都是没有的。thermoType里的这个multicomponent是mixture的类型，和同名的multicomponent transport model是完全不一样的。

@xuqiming 在基于reactingFoam的管道内预混氢气点火爆炸中说：

这个属于在of7中问题很多，非常容易报错（在of8中倒是可以运行）

of7以前的版本里，mixture的类型可选multicomponent和reactingMixture，燃烧选multicomponent是不对的。7以后的版本里只有multicomponent可选，没有reactingMixture了，所以可以运行。

@xuqiming 在基于reactingFoam的管道内预混氢气点火爆炸中说：

参考您的建议1和2，您的意思是reactingFoam无法实现热质传输不平衡的模拟，进而导致这种情况，那如果需要修改这一点，需要对reactingFoam进行重新修改编译吗，我尚未接触到这种较底层的内容，那是不是代表用reactingFoam就难以实现我的需求了。

是的。原生的reactingFoam无法实现你的需求。如果要实现热质传输不平衡的模拟，需要同时改transport model和求解器。

xuqiming

@wangfei9088 那请问您是否了解其他公开求解器，比如blastFoam或者rhoCentralRfFoam有能解决这是问题的吗？

尚善若水

@xuqiming 应该都没有特别考虑这个功能，这个也许可以 https://github.com/JieSun-pku/detonationFoam

xuqiming

@尚善若水好的，非常感谢，我去看一下，实在不行就返回用fluent去做了，只是浪费了几个月的学习时间。

wangfei9088

@尚善若水在基于reactingFoam的管道内预混氢气点火爆炸中说：

应该都没有特别考虑这个功能，这个也许可以 https://github.com/JieSun-pku/detonationFoam

对，这个应该可以。

钟余

你好，请问你使用detonationFoam了吗，效果怎么样，能够实现DDT的过程吗

xuqiming

@钟余没有，我这边不做爆轰，但是相关论文中见过使用DDTFOAM和blastXiFoam实现的

fan820

您好，我最近在学习openfoam关于氢气预混燃烧，但是找到的算例比较少，请问可以参考您的完整算例学习一下吗？

HatoriChise

您好，我最近研究这方面的问题，请问您参考的这篇文章标题可以发一下吗，我想学习一下

wangfei9088

@HatoriChise
Flame propagation of premixed hydrogen-air explosion in a closed duct with obstacles
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.10.097

HatoriChise

@wangfei9088 非常感谢

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基于reactingFoam的管道内预混氢气点火爆炸