燃烧仿真.燃烧器设计与优化：燃烧效率提升：燃烧过程的湍流模型与应用.pdfVIP

燃烧仿真.燃烧器设计与优化：燃烧效率提升：燃烧过程的

湍流模型与应用

1燃烧仿真基础

1.1燐烧理论与基本概念

在燃烧仿真中，理解燃烧的基本理论和概念至关重要。燃烧是一种化学反

应，通常涉及燃料和氧化剂（如空气中的氧气）的快速氧化，产生热能和光能。

燃烧过程可以分为几个阶段：燃料的蒸发、燃料与氧化剂的混合、化学反应的

发生，以及最终的热能释放。

1.1.1燃烧类型

均相燃烧：燃料和氧化剂在分子水平上均匀混合，如气体燃烧。

非均相燃烧：燃料和氧化剂在不同相中，如液体燃料在空气中燃

烧。

1.1.2燃烧模型

层流燃烧模型：适用于低速、低湍流强度的燃烧过程。

湍流燃烧模型：考虑湍流对燃烧的影响，适用于大多数实际燃烧

情况。

1.2数值方法在燃烧仿真中的应用

数值方法是燃烧仿真中的核心工具，用于解决描述燃烧过程的复杂偏微分

方程。这些方程通常包括质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应动力学方

程。

1.2.1有限体积法

有限体积法是一种广泛应用于燃烧仿真中的数值方法，它将计算域划分为

一系列控制体积，然后在每个控制体积上应用守恒定律。

1.2.1.1示例代码

假设我们使用Python和SciPy库来解决一个简单的燃烧过程的数值模拟。

以下是一个使用有限体积法求解一维扩散方程的示例代码：

1

importnumpyasnp

fromscipy.sparseimportdiags

fromscipy.sparse.linalgimportspsolve

#参数设置

L=1.0#域长度

N=100#网格点数

dx=L/(N-1)#网格间距

D=0.1#扩散系数

dt=0.001#时间步长

t_end=0.5#模拟结束时间

x=np.linspace(0,L,N)#空间网格

#初始条件

u0=np.zeros(N)

u0[N//4:3*N//4]=1.0#在中间部分设置初始浓度为1

#边界条件

bc_left=0.0

bc_right=0.0

#构建矩阵

A=diags([-1,2,-1],[-1,0,1],shape=(N,N)).toarray()/dx**2

A[0,0]=1

A[N-1,N-1]=1

A[0,1]=0

A[N-1,N-2]=0

#求解

t=0.0

u=u0.copy()

whilett_end:

b=u.copy()

b[1:-1]=D*dt*b[1:-1]/dx**2

b[0]=bc_left

b[-1]=bc_right

u=spsolve(diags([1,-2,1],[0,-1,1],shape=(N,N)),b)

t+=dt

#输出结果

importmatplotlib.pyplotasplt

plt.plot(x,u)

plt.xlabel(位置)

plt.ylabel(浓度)

2

plt.title(一维扩散方程的有限体积法解)

plt.show()

这段代码演示了如何使用有限体积法求解一维扩散方程，模拟燃烧过程中

燃料的扩散。通过调整参数，可以模拟不同条件下的燃烧过程。

1.3燃烧仿真软件介绍与选择

选择合适的燃烧仿真软件对于准确模拟燃烧过程至关重要。市场上有多种

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，广泛

用于燃烧、传热和流体流动的仿真。

ANSYSFluent：一个商业软件，提供高级的湍流模型和化学反应模

型，适用于复杂的燃烧仿真。

STAR-CCM+：另一个商业软件，具有用户友好的界面和强大的后

处理功能。

1.3.1软件选择考虑因素

模型的复杂性：根据需要模拟的燃烧过程的复杂