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燃烧仿真.湍流燃烧模型：燃烧效率与污染物排放：湍流燃

烧模型概论

1燃烧仿真基础

1.1燃烧理论简介

燃烧是一种化学反应过程，其中燃料与氧气反应，产生热能和光能。在燃

烧过程中，燃料分子被氧化，生成二氧化碳、水蒸气和其他副产品。燃烧效率

是衡量燃烧过程中燃料转化为有用能量的比例，而污染物排放则反映了燃烧过

程中产生的有害物质的量。

1.1.1燃烧反应方程式

以甲烷（CH4）燃烧为例，其化学反应方程式为：

CH4+2O2-CO2+2H2O

1.1.2燃烧过程的三个阶段

1.预热阶段：燃料被加热至其着火点。

2.燃烧阶段：燃料与氧气发生化学反应，释放能量。

3.后燃阶段：燃烧产物进一步冷却，能量释放结束。

1.2湍流燃烧模型的重要性

在实际应用中，燃烧往往发生在湍流环境中，如汽车发动机、喷气发动机

和工业燃烧器。湍流燃烧模型用于描述和预测在湍流条件下燃烧的特性，包括

燃烧速率、火焰结构和污染物生成。这些模型对于优化燃烧过程、提高燃烧效

率和减少污染物排放至关重要。

1.2.1湍流燃烧模型示例：EddyDissipationModel(EDM)

EDM假设湍流中的化学反应速率由湍流混合速率决定。在OpenFOAM中，

可以使用以下配置来启用EDM模型：

#在constant/turbulenceProperties文件中设置湍流模型

simulationTypeRAS;

RAS

{

RASModelkEpsilon;

turbulenceon;

1

printCoeffson;

}

#在constant/reactingProperties文件中设置燃烧模型

reactionModelEddyDissipation;

1.3燃烧效率与污染物排放的关系

燃烧效率和污染物排放之间存在复杂的关系。高燃烧效率通常意味着燃料

更完全地转化为能量，但同时也可能增加某些污染物的生成，如氮氧化物

（NOx）。优化燃烧过程的目标是在提高燃烧效率的同时，最小化污染物排放。

1.3.1污染物生成机制

NOx生成：在高温条件下，空气中的氮气和氧气反应生成NOx。

碳氢化合物（HC）排放：未完全燃烧的燃料分子排放到环境中。

颗粒物（PM）排放：燃料中的碳未完全燃烧，形成固体颗粒。

1.3.2优化燃烧过程的策略

调整燃料与空气的比例：确保燃料完全燃烧，减少HC和PM排放。

控制燃烧温度：降低燃烧温度可以减少NOx的生成。

使用后处理技术：如催化转化器，用于减少排放到环境中的污染

物。

1.4示例：使用OpenFOAM进行燃烧仿真

以下是一个使用OpenFOAM进行燃烧仿真的简单示例。我们将使用

simpleFoam求解器和EddyDissipation燃烧模型来模拟一个简单的燃烧过程。

1.4.1准备仿真环境

1.创建案例目录：在OpenFOAM安装目录下创建一个新的案例目录。

2.复制模板文件：从

$FOAM_TUTORIALS/reactingMultiphase/twoPhaseEulerFoam目录中复制模

板文件到新创建的案例目录。

1.4.2配置仿真参数

在constant/reactingProperties文件中，配置燃烧模型和反应类型：

#constant/reactingProperties

reactionModelEddyDissipation;

thermoType

{

2

typereactingMultiphaseMixture;

mixturemixture;

transportlaminar;

thermohConst;

equationOfStateincompressible;

speciespecie;

energysensibleInternalEn