OpenFOAM燃烧解析
理论：反应流设置与燃烧模型
概述
在OpenFOAM中计算燃烧，要在普通流动计算的基础上增加什么？
三点：化学组分的输运、反应，以及反应与湍流的相互作用。reactingFoam与能量方程一起求解各组分质量分数的输运方程，并加入反应引起的生成、消耗和放热。组分的热物性（如JANAF多项式）和反应式、速率常数写在constant/thermo和constant/reactions中。反应比流动快得多，化学反应方程成为“刚性”常微分方程，因此要在chemistryProperties中选择专用的ODE求解器（如seulex或Rosenbrock法）。此外在湍流中，燃料与氧在比网格更小的涡中混合的速度决定反应，所以要在combustionProperties中选择EDC、PaSR等燃烧模型。燃烧分析的失败大多源于这三处设置之一的不一致。
化学计量比
完全燃烧1摩尔甲烷所需的空气量，数字为摩尔质量（g/mol）。
放热量与火焰厚度
ṁ_f为燃料质量流量，LHV为低位发热量（甲烷约50 MJ/kg），α为未燃气体的热扩散率，S_L为层流燃烧速度，δ_d为扩散厚度，δ_th为按温度梯度定义的热厚度。
GRI-Mech：甲烷燃烧的标准反应机理
常用作天然气燃烧详细反应机理的GRI-Mech 3.0，是在美国燃气研究所（Gas Research Institute）资助下于1990年代整理而成的，由53种组分和325个反应组成。其速率常数经过与实验值对照的优化，至今仍被广泛用作验证燃烧速度和着火延迟的基准。不过直接用于三维湍流燃烧计算量非常大，实际中多使用把组分减到几个到几十个的简化机理。
算例
化学计量比按干空气O₂ + 3.76N₂完全燃烧手算。火焰速度和厚度随机理、输运物性、压力、入口温度及定义变化，属于参考尺度，并非reactingFoam结果。字典应与安装发行版和求解器的附带算例一致。
例：甲烷-空气（常温常压）
| 项目 | 值 | 用途 |
|---|---|---|
| 化学计量空燃比（质量） | 17.1 | 检查入口条件 |
| 化学计量混合气中CH₄、O₂质量分数 | 0.055 / 0.220 | 初始和入口质量分数 |
| 燃料1 g/s的放热 | 50 kW | 能量收支检验 |
| 空气流量（当量比1.0 / 0.8） | 17.1 / 21.4 g/s | 入口流量 |
| 层流燃烧速度（文献值） | ≈ 0.37 m/s | 一维火焰验证 |
| 扩散厚度α/S_L | 59 µm | |
| 热厚度（参考） | ≈ 0.45 mm | 45 µm以下网格可放10个 |
| 绝热火焰温度（化学平衡代表值） | ≈ 2,230 K | 最高温度上限参考 |
层流燃烧速度、热厚度和绝热火焰温度为文献代表值。先用reactingFoam求解一维层流火焰，确认燃烧速度和最高温度接近这些值，再进行湍流燃烧的正式计算，比较稳妥。
燃烧室计算中最高温度超过了2,600 K。哪里出了问题？
先检查入口温度、压力、组成和化学模型。常温大气压甲烷空气的约2,200 K平衡温度只是比较尺度，不是所有条件下的统一上限。一段反应不包含解离，增加到两段也不保证改善。应采用验证过的机理与温变物性，先比较同条件的平衡或一维火焰计算，再区分热损失与湍流模型影响。
实务流程
- 根据所需精度和计算量选择反应机理（总包、简化或详细机理）。
- 在一维层流火焰中把燃烧速度和绝热火焰温度与文献值比较。
- 设置湍流燃烧模型（EDC、PaSR等）和化学反应ODE求解器。
- 用能量收支和化学计量比确认入口流量和质量分数后再进行正式计算。
- 把出口温度、组成和壁温与测量或设计值比较，调整辐射和热损失的处理。
“化学的时间步长比流动短”
燃烧计算慢的主要原因在于化学反应的积分。反应时间尺度可能在微秒以下，在每个由库朗数决定的流动时间步内，ODE求解器还要用更细的子步积分反应。在OpenFOAM中，用TDAC（结合列表化与简化的加速方法）或跳过不发生反应的低温网格的设置，有时可以大幅缩短计算时间。这些是以精度换速度的设置，应先用层流火焰检验确认结果不变后再使用。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 只用一步总包反应 | 温度高出几百K | 两步反应或简化机理 |
| 比热取常数 | 高估高温 | 随温度变化的热物性 |
| 质量分数之和不为1 | 组成和温度错误 | 复核入口条件 |
| 直接求解比网格还薄的火焰 | 燃烧速度错误 | 使用燃烧模型或加密 |
| 化学ODE设置不当 | 发散或极慢 | 刚性问题用求解器 |
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常见问题
OpenFOAM中求解燃烧的求解器有哪些？
代表是reactingFoam（可压缩、非稳态、多组分反应流），此外还有用于喷雾燃烧的sprayFoam等。组分和反应在constant/reactions和thermo中定义，燃烧模型在constant/combustionProperties中选择（laminar、EDC、PaSR等），化学反应的积分由chemistryProperties中选定的ODE求解器完成。
要直接用网格解析火焰需要多细？
常温常压下甲烷-空气化学计量混合气的层流火焰，温度变化的热厚度约为0.45 mm。要在其中放入10个以上网格，需要45 µm以下的网格，把整个装置都划这么细是不现实的。因此实用的湍流燃烧使用EDC、PaSR这类用模型表示火焰内部结构的燃烧模型。
燃烧分析的结果如何检验？
先用守恒量和已知值检验。甲烷1 g/s放热约50 kW，化学计量所需空气为17.1 g/s。检查出口燃气的能量收支是否与此一致，以及绝热条件下的最高温度是否明显超过化学计量时约2,230 K（化学平衡计算的代表值）。若超过，应怀疑热物性或解离的处理。
参考资料与检验范围
所列数值是基于文中假设的教学参考计算。资料用于理论和设置参考，不证明已在各软件中复现这些数值。工程决策须按实际条件验证。