燃烧仿真：燃烧数值模拟方法之大涡模拟（LES）网格生成与优化.pdfVIP

燃烧仿真：燃烧数值模拟方法之大涡模拟（LES）网格生成

与优化

1燃烧仿真简介

1.1燃烧过程的基本原理

燃烧是一种化学反应过程，通常涉及燃料与氧气的快速氧化反应，产生热

能和光能。这一过程在宏观上表现为火焰，而在微观上则涉及复杂的化学动力

学和流体力学现象。燃烧的基本原理可以从以下几个方面理解：

燃料和氧化剂的混合：燃烧开始于燃料和氧化剂（通常是空气中

的氧气）的混合。混合的均匀性和速度直接影响燃烧的效率和稳定性。

点火：一旦燃料和氧化剂混合到一定程度，需要一个能量源（如

火花或高温）来引发化学反应，即点火。

化学反应：点火后，燃料分子与氧气分子发生化学反应，生成二

氧化碳、水蒸气等产物，并释放出大量的热能。

热传递和扩散：燃烧过程中产生的热量通过热传导、对流和辐射

等方式传递，同时燃料和氧化剂的扩散继续维持反应的进行。

1.1.1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，它通过建立数学模型并使用计算机

进行求解，来预测和分析燃烧现象。在燃烧研究中，数值模拟可以：

预测燃烧特性：如火焰形状、燃烧速度、温度分布等。

优化燃烧系统设计：通过模拟不同设计参数下的燃烧效果，选择

最优设计方案。

研究燃烧机理：深入理解燃烧过程中的化学反应和流体动力学现

象。

安全评估：评估燃烧系统在异常情况下的安全性能，如熄火、回

火等。

1.1.2示例：使用Python进行简单的一维燃烧模拟

下面是一个使用Python进行一维燃烧模拟的简单示例。我们将模拟一个理

想化的一维燃烧过程，其中燃料和氧化剂在空间上均匀分布，且忽略扩散效应。

importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#定义燃烧区域的长度和网格点数

L=1.0#区域长度

N=100#网格点数

1

dx=L/(N-1)#网格间距

#初始化温度和反应速率数组

T=np.zeros(N)

r=np.zeros(N)

#设置初始条件

T[N//2]=1000#在中间位置设置高温点，作为点火源

r[N//2]=1#设置中间位置的反应速率为1

#定义燃烧过程的参数

alpha=0.1#热传导系数

k=0.01#反应速率常数

#时间步长

dt=0.01

#模拟时间

t_end=10

#模拟循环

fortinnp.arange(0,t_end,dt):

#更新温度

foriinrange(1,N-1):

T[i]+=alpha*dt/dx**2*(T[i+1]-2*T[i]+T[i-1])

T[i]+=dt*r[i]

#更新反应速率

foriinrange(1,N-1):

ifT[i]500:#假设温度超过500度开始燃烧

r[i]=k*(T[i]-500)

else:

r[i]=0

#绘制最终的温度分布

x=np.linspace(0,L,N)

plt.plot(x,T)

plt.xlabel(位置(m))

plt.ylabel(温度(K))

plt.title(一维燃烧模拟的温度分布)

plt.show()

在这个示例中，我们首先定义了燃烧区域的长度和网格点数，然后初始化

了温度和反应速率数组。通过设置中间位置的高温点作为点火源，我们开始模

拟燃烧过程。在每个时间步，我们更新温度和反应速率，直到达到设定的模拟

2

时间。最后，我们绘制了最终的温度分布图，以直观地展示燃烧过程。

1.2数值模拟在燃烧研究中的应用

数值模拟在燃烧研究中的应用广泛，不仅限于上述一维示例。在实际应用

中，模拟可能涉及多维空间、复杂的化学反应网络、湍流效应等。例如，大涡

模拟（LES）是一种用于模拟湍流燃烧