燃烧仿真.燃烧化学动力学：反应路径分析：燃烧仿真基础理论.pdfVIP

燃烧仿真.燃烧化学动力学：反应路径分析：燃烧仿真基础

理论

1燃烧仿真概述

1.1燃烧仿真的历史与发展

燃烧仿真技术的起源可以追溯到20世纪中叶，随着计算机技术的飞速发展，

数值模拟方法逐渐应用于燃烧过程的研究。早期的燃烧仿真主要依赖于简单的

化学反应模型和一维或二维的流体动力学方程。然而，随着计算能力的提升和

多尺度、多物理场耦合模型的建立，现代燃烧仿真能够处理更为复杂的三维非

稳态燃烧过程，包括湍流燃烧、喷雾燃烧、等离子体燃烧等。

1.1.1发展历程

20世纪50年代至70年代：燃烧仿真开始于对简单燃烧反应的数

值模拟，主要关注于火焰传播速度和火焰结构的计算。

20世纪80年代：随着计算机技术的进步，三维燃烧仿真成为可

能，引入了更为复杂的化学反应机理和湍流模型。

20世纪90年代至今：燃烧仿真技术迅速发展，包括直接数值模

拟(DNS)、大涡模拟(LES)、雷诺平均模拟(RANS)等方法的广泛应用，以及

化学反应机理的精细化，使得燃烧仿真能够更准确地预测燃烧过程中的

各种现象。

1.2燃烧仿真的应用领域

燃烧仿真技术在多个领域发挥着重要作用，不仅限于学术研究，也广泛应

用于工业设计和优化。以下是燃烧仿真技术的主要应用领域：

1.2.1航空航天

在航空航天领域，燃烧仿真用于设计和优化火箭发动机、喷气发动机的燃

烧室，确保燃料的高效燃烧和减少污染物排放。

1.2.2能源

能源领域中，燃烧仿真技术用于优化火力发电厂的燃烧效率，减少温室气

体排放，以及在新型能源技术如燃料电池、生物质能转换中的应用。

1

1.2.3汽车工业

汽车工业利用燃烧仿真技术优化内燃机的燃烧过程，提高燃油效率，减少

尾气排放，满足日益严格的环保标准。

1.2.4安全工程

在安全工程领域，燃烧仿真用于预测火灾的发展，评估火灾风险，设计有

效的防火和灭火策略。

1.3燃烧仿真软件介绍

燃烧仿真软件是实现燃烧过程数值模拟的关键工具，它们集成了流体动力

学、传热学、化学动力学等多学科知识，能够处理复杂的燃烧现象。以下是一

些常用的燃烧仿真软件：

1.3.1ANSYSFluent

ANSYSFluent是一款广泛应用于燃烧仿真领域的软件，它提供了强大的湍

流模型和化学反应模型，能够模拟从简单到复杂的燃烧过程。Fluent支持多种

网格类型，包括结构化网格、非结构化网格和混合网格，适用于不同几何形状

的燃烧室。

1.3.2OpenFOAM

OpenFOAM是一个开源的CFD(计算流体动力学)软件包，它包含了丰富的物

理模型和数值算法，适用于燃烧、传热、流体流动等多物理场的模拟。

OpenFOAM的灵活性和可扩展性使其成为学术研究和工业应用的热门选择。

1.3.3CHEMKIN

CHEMKIN是一款专注于化学动力学模拟的软件，它能够处理复杂的化学反

应网络，是燃烧仿真中化学反应机理研究的重要工具。CHEMKIN可以与流体动

力学软件耦合，实现燃烧过程的全面模拟。

1.3.4Cantera

Cantera是一个开源的化学反应工程软件库，它提供了化学动力学、热力学

和输运属性的计算功能。Cantera可以用于燃烧仿真中的化学反应机理分析，以

及与流体动力学软件的耦合模拟。

1.3.5CONVERGE

CONVERGE是一款专门用于内燃机燃烧过程模拟的软件，它采用了独特的

自适应网格技术，能够自动调整网格密度以适应燃烧过程中的变化，提高了模

拟的准确性和效率。

2

1.3.6示例：使用OpenFOAM进行燃烧仿真

#运行OpenFOAM中的燃烧仿真案例

cd$FOAM_RUN/tutorials/combustion/chemReactingFoam/icoPoly800

foamCloneCaseicoPoly800

cdicoPoly800

chemReactingFoam

在上述代码中，我们首先切换到OpenFOAM的燃烧仿真教程目录，然后克

隆一个案例，最后运行chemReactingFoam命令进行燃烧仿真。这个例子展示了

如何在Op