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燃烧仿真.燃烧器设计与优化：燃烧器数值模拟教程

1燃烧仿真基础

1.1燃烧学原理

燃烧是一种化学反应过程，其中燃料与氧化剂（通常是空气中的氧气）反

应，产生热能和光能。燃烧学原理研究燃烧的化学动力学、热力学和流体力学

特性。在燃烧过程中，燃料分子与氧气分子在适当的温度和压力下相遇，发生

氧化反应，释放能量。这一过程可以被描述为：

燃料+氧气→二氧化碳+水+能量

例如，甲烷（CH4）与氧气（O2）的燃烧反应可以表示为：

CH+2O→CO+2HO+能量

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1.2燃烧器类型与应用

燃烧器是用于控制和优化燃烧过程的设备，广泛应用于工业、商业和住宅

领域。根据燃烧器的设计和应用，可以将其分为以下几类：

扩散燃烧器：燃料和空气在燃烧器出口处混合，适用于低功率设

备。

预混燃烧器：燃料和空气在进入燃烧室前预先混合，适用于高效

率和低排放的设备。

大气燃烧器：使用环境空气作为氧化剂，适用于家庭炉灶和热水

器。

强制通风燃烧器：通过风机强制引入空气，适用于工业锅炉和加

热系统。

1.2.1示例：预混燃烧器设计

设计一个预混燃烧器时，需要考虑燃料和空气的混合比例，以确保完全燃

烧并减少有害排放。例如，对于天然气燃烧器，理想的燃料与空气混合比接近

1:10。

1.3数值模拟在燃烧器设计中的作用

数值模拟是燃烧器设计和优化的关键工具，它允许工程师在实际制造前预

测燃烧器的性能。通过使用计算流体动力学（CFD）软件，可以模拟燃烧过程中

的流体流动、热量传递和化学反应，从而评估燃烧器的效率、排放和稳定性。

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1.3.1示例：使用OpenFOAM进行燃烧器数值模拟

OpenFOAM是一个开源的CFD软件包，广泛用于燃烧仿真。下面是一个使

用OpenFOAM进行燃烧器模拟的基本步骤：

1.几何建模：使用CAD软件创建燃烧器的三维模型。

2.网格划分：将模型划分为多个小单元，形成计算网格。

3.设置边界条件：定义入口的燃料和空气流速，出口的压力，以及

壁面的温度。

4.选择物理模型：包括湍流模型、燃烧模型和辐射模型。

5.运行模拟：使用OpenFOAM的求解器进行计算。

6.后处理和分析：分析模拟结果，评估燃烧器性能。

1.3.1.1代码示例：OpenFOAM中的简单燃烧模拟

#运行OpenFOAM的求解器

foamJobsimpleFoam

#设置边界条件

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(100);//入口速度

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typefixedValue;

valueuniform300;//壁面温度

}

}

#选择物理模型

turbulenceModelkOmegaSST;

radiationModelP1;

combustionModellaminar;

数值模拟不仅有助于理解燃烧过程，还可以用于优化燃烧器设计，减少开

发成本和时间，提高燃烧效率，降低排放。

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1.3.2数据样例：燃烧器性能指标

在燃烧器设计中，关键的性能指标包括：

燃烧效率：燃料完全燃烧的比例。

一氧化碳排放：燃烧过程中未完全燃烧的燃料产生的CO量。

氮氧化物排放：燃烧过程中产生的NOx量，是评估燃烧器环保性

能的重要指标。

热效率：燃烧器将