燃烧仿真.燃烧数值模拟方法：大涡模拟（LES）：大涡模拟（LES）原理与应用.pdfVIP

燃烧仿真.燃烧数值模拟方法：大涡模拟（LES）：大涡模拟

（LES）原理与应用

1燃烧仿真基础

1.1燃烧过程的物理化学基础

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

剂分子在适当的条件下（如温度、压力和浓度）发生化学反应，产生能量和一

系列的燃烧产物。这些反应通常在高温下进行，释放出大量的热能，导致燃烧

区域的温度急剧升高。

1.1.1燃烧反应机理

燃烧反应机理描述了燃料与氧化剂之间化学反应的详细步骤。例如，对于

甲烷（CH4）与氧气（O2）的燃烧，其主要反应可以表示为：

CH4+2O2-CO2+2H2O

但实际上，这个过程包含了多个中间步骤和副反应，如自由基的生成和消

耗，以及热解反应等。

1.1.2燃烧的类型

燃烧可以分为几种类型，包括：

扩散燃烧：燃料和氧化剂在混合前是分开的，燃烧发生在它们相

遇并混合的区域。

预混燃烧：燃料和氧化剂在燃烧前已经充分混合，燃烧过程主要

由化学反应速率控制。

层流燃烧：在低雷诺数条件下，燃烧过程是层流的，没有湍流的

影响。

湍流燃烧：在高雷诺数条件下，燃烧过程受到湍流的影响，使得

燃烧更加复杂和难以预测。

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，它通过计算机模拟来预测和分析燃

烧现象。在燃烧仿真中，通常使用计算流体动力学（CFD）软件，结合燃烧模型，

来模拟燃烧过程中的流体流动、热量传递和化学反应。

1

1.2.1CFD软件

CFD软件如OpenFOAM、ANSYSFluent和STAR-CCM+等，提供了强大的数值

求解器，可以解决Navier-Stokes方程，这是描述流体动力学的基本方程。通过

这些软件，可以模拟燃烧过程中的速度场、压力场、温度场和浓度场。

1.2.2燃烧模型

燃烧模型是数值模拟中用于描述化学反应的关键部分。常见的燃烧模型包

括：

层流燃烧模型：适用于层流燃烧条件，如层流预混火焰。

湍流燃烧模型：适用于湍流燃烧条件，如大涡模拟（LES）和雷诺

应力模型（RSM）。

化学反应模型：用于描述具体的化学反应机理，如详细机理和简

化机理。

1.3燃烧模型的分类与选择

选择合适的燃烧模型对于准确模拟燃烧过程至关重要。燃烧模型的分类主

要基于燃烧的物理条件和化学反应的复杂性。

1.3.1层流燃烧模型

层流燃烧模型通常用于简单燃烧条件下的模拟，如层流预混火焰。这些模

型假设燃烧过程是层流的，没有湍流的影响，因此可以简化化学反应的描述。

1.3.2湍流燃烧模型

湍流燃烧模型用于模拟在湍流条件下燃烧的过程。其中，大涡模拟（LES）

是一种高级的湍流燃烧模型，它通过直接模拟大尺度涡流，而对小尺度涡流进

行模型化，来预测燃烧过程中的湍流效应。

1.3.3化学反应模型

化学反应模型用于描述燃烧过程中的化学反应机理。详细机理包含了所有

可能的化学反应步骤，而简化机理则是对详细机理的简化，以减少计算成本。

1.3.4选择燃烧模型

选择燃烧模型时，需要考虑燃烧条件、化学反应的复杂性以及计算资源的

限制。例如，对于层流燃烧，可以使用层流燃烧模型；对于湍流燃烧，可能需

要使用LES或RSM等高级模型；而对于复杂的化学反应，可能需要使用详细机

理或经过验证的简化机理。

2

1.3.5示例：使用OpenFOAM进行燃烧仿真

以下是一个使用OpenFOAM进行燃烧仿真的一般步骤示例：

1.定义几何和网格：使用OpenFOAM的blockMesh工具定义计算域

的几何形状和网格。

blockMeshDict

2.设置边界条件：定义入口、出口和壁面的边界条件，包括速度、

压力、温度和燃料浓度。

boundary

3.选择燃