燃烧仿真.燃烧仿真软件：ANSYS Fluent：燃烧仿真后处理与数据分析.pdfVIP

燃烧仿真.燃烧仿真软件：ANSYSFluent：燃烧仿真后处理与

数据分析

1燃烧仿真的基本概念

1.1燃烧仿真原理

燃烧仿真基于计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)原理，通

过数值方法求解流体动力学方程组，包括连续性方程、动量方程、能量方程以

及物种守恒方程，来预测燃烧过程中的流场、温度分布、化学反应速率和产物

分布。在ANSYSFluent中，这些方程被离散化并使用迭代求解器求解，以获得

燃烧室内的详细流动和燃烧特性。

1.1.1连续性方程

连续性方程描述了质量守恒原则，即在任意控制体积内，流体的质量流入

等于质量流出。在燃烧仿真中，这确保了燃烧过程中质量的平衡。

1.1.2动量方程

动量方程描述了流体的动量守恒，考虑了压力、粘性力和惯性力的影响。

在燃烧环境中，动量方程还考虑了化学反应产生的额外动量。

1.1.3能量方程

能量方程描述了能量守恒，包括内能、动能和化学能的转换。在燃烧仿真

中，能量方程特别重要，因为它直接关联到燃烧过程中的温度变化。

1.1.4物种守恒方程

物种守恒方程描述了化学反应中各物种的质量守恒，对于燃烧仿真，这包

括燃料、氧气、中间产物和最终产物的浓度变化。

1.2燃烧模型介绍

在ANSYSFluent中，有多种燃烧模型可供选择，以适应不同的燃烧环境和

应用需求。这些模型包括层流燃烧模型、湍流燃烧模型、非预混燃烧模型、预

混燃烧模型等。

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1.2.1层流燃烧模型

层流燃烧模型适用于低速、无湍流的燃烧环境。它假设燃烧过程在层流条

件下进行，化学反应速率由化学动力学控制。

1.2.2湍流燃烧模型

湍流燃烧模型适用于高速、存在湍流的燃烧环境。它考虑了湍流对化学反

应速率的影响，通常使用湍流耗散率和湍流尺度来描述湍流特性。

1.2.3非预混燃烧模型

非预混燃烧模型适用于燃料和氧化剂在燃烧前未充分混合的情况，如柴油

发动机中的燃烧过程。它使用混合分数来追踪燃料和氧化剂的混合状态。

1.2.4预混燃烧模型

预混燃烧模型适用于燃料和氧化剂在燃烧前已经充分混合的情况，如天然

气燃烧。它直接计算化学反应速率，通常使用Arrhenius方程来描述。

1.3湍流燃烧模型

湍流燃烧模型是燃烧仿真中最为复杂和精确的模型之一，它能够准确地预

测高速燃烧环境中湍流对燃烧过程的影响。在ANSYSFluent中，常用的湍流燃

烧模型包括EddyDissipationModel(EDM)和ProgressVariableModel。

1.3.1EddyDissipationModel(EDM)

EDM假设湍流尺度内的化学反应速率由湍流耗散率控制，即湍流越强烈，

化学反应速率越快。在Fluent中，可以通过以下步骤设置EDM模型：

1.选择湍流模型：首先，需要选择一个湍流模型，如k-ε模型或k-

ω模型。

2.激活EDM模型：在燃烧模型设置中，选择EDM作为化学反应模

型。

3.定义燃料和氧化剂：指定燃料和氧化剂的化学反应方程式。

4.设置边界条件：包括入口的燃料和氧化剂浓度、温度和速度，以

及出口的边界条件。

1.3.2ProgressVariableModel

ProgressVariableModel是一种预混燃烧模型，它使用一个进展变量来描述

燃烧过程的进展程度。进展变量从0（未燃烧状态）到1（完全燃烧状态）变化，

可以更精确地追踪燃烧前沿的位置和速度。

在Fluent中，设置ProgressVariableModel的步骤包括：

1.选择预混燃烧模型：在燃烧模型设置中，选择ProgressVariable

2

Model。

2.定义化学反应：输入化学反应方程式和相关参数，如活化能和预

指数。

3.设置湍流模型：选择一个湍流模型，以考虑湍流对燃烧过程的影

响。

4.定义燃料和氧化剂：指定燃料和氧化剂的初始浓度和温度