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燃烧仿真.燃烧数值模拟方法：大涡模拟（LES）：LES燃烧

仿真案例分析

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燃烧反应类型

燃烧反应可以分为以下几种类型：

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态下反应，如液体燃料的燃

烧，其中燃料是液态，而氧化剂是气态。

1.1.2燃烧反应动力学

燃烧反应动力学描述了化学反应速率与反应物浓度、温度和压力之间的关

系。在燃烧仿真中，通常使用Arrhenius方程来描述反应速率：

−

=⋅⋅⋅

其中，是反应速率，是频率因子，是活化能，是气体常数，是温度，

和分别是燃料和氧化剂的浓度，和是反应级数。

1.2数值模拟在燃烧研究中的应用

数值模拟是研究燃烧过程的重要工具，它通过数学模型和计算机算法来预

测和分析燃烧现象。在燃烧仿真中，数值模拟可以解决实验难以触及的问题，

如高成本、高风险或极端条件下的燃烧过程。

1.2.1数值模拟方法

数值模拟方法主要包括：

有限差分法（FiniteDifferenceMethod,FDM）

有限体积法（FiniteVolumeMethod,FVM）

有限元法（FiniteElementMethod,FEM）

其中，有限体积法在流体动力学和燃烧仿真中应用最为广泛，因为它能够

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很好地处理守恒定律，并且在网格上具有较好的守恒性和稳定性。

1.2.2燃烧模型

燃烧模型是数值模拟中的关键部分，用于描述化学反应过程。常见的燃烧

模型有：

层流火焰模型（LaminarFlameModel）

湍流燃烧模型（TurbulentCombustionModel）

详细化学反应机理模型（DetailedChemicalKineticsModel）

1.3大涡模拟（LES）简介

大涡模拟（LargeEddySimulation,LES）是一种用于模拟湍流流动的数值方

法，它通过直接计算大尺度涡流，而对小尺度涡流进行模型化处理，从而在计

算成本和精度之间取得平衡。

1.3.1LES的基本思想

LES的基本思想是将湍流流动分解为大尺度涡流和小尺度涡流。大尺度涡

流直接通过数值方法求解，而小尺度涡流则通过亚网格模型（SubgridScale

Model,SGS）来模拟其对大尺度涡流的影响。

1.3.2LES在燃烧仿真中的应用

在燃烧仿真中，LES可以用于模拟湍流燃烧，特别是对于那些具有复杂几

何结构和多相流动的燃烧系统。通过LES，可以更准确地预测火焰的传播、燃

烧效率和污染物的生成，这对于发动机设计、火灾安全和工业燃烧过程的优化

具有重要意义。

1.3.3LES的亚网格模型

亚网格模型用于描述LES中未被直接计算的小尺度涡流对大尺度涡流的影

响。常见的亚网格模型有：

Smagorinsky模型

WALE模型（Wall-AdaptingLocalEddy-viscosity