燃烧仿真.燃烧仿真前沿：燃烧污染物控制新技术：低NOx燃烧技术仿真研究.pdfVIP

燃烧仿真.燃烧仿真前沿：燃烧污染物控制新技术：低NOx

燃烧技术仿真研究

1燃烧仿真基础

1.1燃烧理论与化学反应机理

1.1.1原理

燃烧是一种化学反应过程，其中燃料与氧气反应，产生热能和光能。在燃

烧过程中，化学反应机理起着核心作用，它描述了燃料分子如何分解、与氧气

结合，以及生成各种燃烧产物的详细步骤。化学反应机理通常包括一系列基元

反应，每个反应都有其特定的反应速率和活化能。

1.1.2内容

在燃烧仿真中，理解化学反应机理至关重要，因为它直接影响燃烧效率和

污染物生成。例如，NOx（氮氧化物）的生成主要通过热力NOx和燃料NOx两

种途径。热力NOx在高温下由空气中的氮和氧形成，而燃料NOx则直接来源于

燃料中的氮化合物。

1.1.2.1示例

考虑一个简单的燃烧反应机理，如甲烷（CH4）与氧气（O2）的燃烧：

1.CH4+2O2→CO2+2H2O

2.N2+O2→2NO(生成NOx的反应)

在仿真软件中，这些反应通常以反应速率方程的形式输入，例如：

#定义反应速率方程

defreaction_rate(T,P,species_concentration):

计算给定温度、压力和物种浓度下的反应速率。

参数:

T(float):温度，单位为K。

P(float):压力，单位为Pa。

species_concentration(dict):物种浓度字典，键为物种名称，值为浓度。

返回:

float:反应速率。

1

#甲烷与氧气的反应速率

A=1.4e13#频率因子

Ea=62.6#活化能，单位为kJ/mol

R=8.314#气体常数，单位为J/(mol*K)

k=A*np.exp(-Ea/(R*T))*species_concentration[CH4]*species_concentration[O2]**2

#NOx生成反应速率

A_NOx=1.5e10

Ea_NOx=90.0

k_NOx=A_NOx*np.exp(-Ea_NOx/(R*T))*species_concentration[N2]*species_concentra

tion[O2]

returnk,k_NOx

1.2燃烧仿真软件介绍与选择

1.2.1内容

选择燃烧仿真软件时，应考虑软件的适用范围、计算精度、用户友好性以

及是否支持特定的燃烧模型和化学反应机理。常见的燃烧仿真软件包括：

OpenFOAM：一个开源的CFD（计算流体动力学）软件包，支持

复杂的燃烧模型和化学反应机理。

STAR-CCM+：商业软件，用户界面友好，适用于工业燃烧应用。

Cantera：专注于化学反应动力学和燃烧的开源软件，适用于详细

化学机理的仿真。

1.2.1.1示例

使用OpenFOAM进行燃烧仿真时，需要定义燃烧模型和化学反应机理。以

下是一个简单的OpenFOAM燃烧仿真设置示例：

#在OpenFOAM中设置燃烧模型和化学反应机理

#1.选择燃烧模型

#在system/fvSolution中设置

#燃烧模型可以是：simpleCombustion，thermoCombustion，或turbulentCombustion

#2.定义化学反应机理

#在constant/chemistryProperties中设置

#例如，使用GRI-Mech3.0机理

#3.配置边界条件

#在constant/polyMesh/boundary中设置

#例如，设置入口边界为velocityInlet，出口边界为pressureOutlet

2

#4.运行仿真

#在终端中输入以下命令

#foamJobsimpleFoam

1.3网格划分与边界条件设置

1.3.1原理

网格划分是将仿真区域划分为多个小单元，以便进行数值计算。边界条件

则定义了仿真区域边缘的物理状态，如温度、压力或流速。正