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燃烧仿真与实验技术：燃烧噪声测量与频谱分析教程

1燃烧仿真基础

1.1燃烧过程的物理化学原理

燃烧是一种复杂的物理化学过程，涉及到燃料与氧化剂的化学反应、热量

的产生与传递、以及流体动力学的相互作用。在燃烧过程中，燃料分子与氧化

剂分子（通常是空气中的氧气）在适当的条件下（如温度、压力和浓度）发生

化学反应，产生热能和一系列的燃烧产物，如二氧化碳、水蒸气和氮氧化物等。

1.1.1燃烧反应的化学动力学

燃烧反应的化学动力学描述了反应速率与反应物浓度之间的关系。对于大

多数燃烧过程，反应速率可以用阿伦尼乌斯方程表示：

−

=⋅⋅⋅

其中，是反应速率，是频率因子，是活化能，是气体常数，是绝

对温度，和分别是燃料和氧化剂的浓度，和是反应级数。

1.1.2燃烧的热力学

燃烧的热力学分析关注于燃烧过程中的能量转换。燃烧反应释放的热量可

以通过焓变（)来计算，焓变是系统在恒压条件下与环境交换的热量。对于

一个燃烧反应，焓变可以通过反应物和产物的热力学数据来计算：

=∑−∑

其中，,和,分别是产物和反应物的形成焓。

1.1.3燃烧的流体动力学

燃烧过程中的流体动力学涉及到燃料和氧化剂的混合、燃烧产物的扩散以

及燃烧区域的湍流。这些过程对燃烧效率和燃烧产物的分布有重要影响。例如，

湍流可以增加燃料与氧化剂的混合速率，从而提高燃烧速率。

1.2燃烧仿真软件与工具介绍

燃烧仿真软件是基于上述物理化学原理，利用数值方法对燃烧过程进行模

拟的工具。这些软件可以预测燃烧过程中的温度、压力、浓度和流场分布，帮

助工程师和科学家优化燃烧系统的设计和操作。

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1.2.1常用的燃烧仿真软件

AnsysFluent:一款广泛使用的CFD（计算流体动力学）软件，可以

模拟复杂的燃烧过程，包括湍流燃烧、喷雾燃烧和多相流燃烧。

STAR-CCM+:另一款强大的CFD软件，特别适合模拟大型燃烧设备，

如燃气轮机和火箭发动机。

Cantera:一个开源的化学反应工程软件，可以用于燃烧反应的化

学动力学模拟。

1.2.2燃烧仿真工具的使用

以AnsysFluent为例，使用该软件进行燃烧仿真的一般步骤包括：

1.建立几何模型：使用CAD软件创建燃烧设备的几何模型。

2.网格划分：将几何模型划分为网格，以便进行数值计算。

3.设置边界条件：定义燃料和氧化剂的入口条件，以及燃烧设备的

出口和壁面条件。

4.选择燃烧模型：根据燃烧设备的类型和燃烧过程的特点，选择合

适的燃烧模型，如层流燃烧模型、湍流燃烧模型或喷雾燃烧模型。

5.运行仿真：设置计算参数，如时间步长和迭代次数，然后运行仿

真。

6.后处理和分析：分析仿真结果，如温度、压力和浓度分布，以及

燃烧效率和排放特性。

1.3建立燃烧仿真模型的步骤

建立燃烧仿真模型需要遵循一系列的步骤，以确保模型的准确性和可靠性。

1.3.1几何模型的建立

几何模型是燃烧仿真的基础，它定义了燃烧设备的形状和尺寸。使用CAD

软件（如SolidWorks或AutoCAD）创建几何模型，然后将其导入到仿真软件中。

#以下是使用Python和OpenCASCADETechnology(OCC)创建简单几何模型的示例

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