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燃烧仿真技术教程：燃烧数值模拟方法与反应流模型

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，其中燃料与氧化剂（通常是空气中的氧气）反

应，产生热能和光能。燃烧理论主要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，燃料分子与氧化剂分子碰撞并反应，释放能量，生成

新的化学物质。这一过程可以分为几个阶段：燃料的蒸发、燃料与氧化剂的混

合、化学反应的发生以及产物的冷却。

1.1.1预混燃烧

预混燃烧是指燃料和氧化剂在燃烧前已经充分混合的燃烧过程。这种燃烧

模式常见于燃气燃烧器和内燃机中。预混燃烧的特点是燃烧速度快，火焰温度

高，但对混合条件要求严格，容易产生不稳定的燃烧现象。

1.1.2非预混燃烧

非预混燃烧则是燃料和氧化剂在燃烧过程中才开始混合的燃烧方式。这种

燃烧模式在工业炉、喷气发动机和火箭发动机中较为常见。非预混燃烧的优点

是燃烧过程更加稳定，但燃烧效率相对较低，火焰温度也较预混燃烧低。

1.2数值模拟方法概述

数值模拟是通过计算机程序来解决复杂物理问题的一种方法。在燃烧仿真

中，数值模拟方法被用来预测燃烧过程中的温度、压力、化学反应速率和流体

流动等参数。这些方法通常基于控制方程，如连续性方程、动量方程、能量方

程和物种守恒方程，通过数值解法求解。

1.2.1控制方程

控制方程描述了燃烧过程中物理量的变化规律。例如，连续性方程描述了

质量的守恒，动量方程描述了动量的守恒，能量方程描述了能量的守恒，而物

种守恒方程则描述了化学物种的守恒。

1.2.2数值解法

数值解法包括有限差分法、有限体积法和有限元法等。这些方法将连续的

物理域离散化，将控制方程转化为代数方程组，然后通过迭代求解这些方程组

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来获得燃烧过程的数值解。

1.3反应流模型原理

反应流模型是燃烧数值模拟中的一种重要模型，它将化学反应和流体流动

结合起来，用于预测燃烧过程中的化学反应速率和流体动力学特性。反应流模

型可以分为预混燃烧模型和非预混燃烧模型。

1.3.1预混燃烧模型

预混燃烧模型假设燃料和氧化剂在燃烧前已经完全混合，因此，模型主要

关注化学反应速率和火焰传播速度。预混燃烧模型通常使用火焰传播理论，如

薄火焰模型和厚火焰模型，来描述燃烧过程。

1.3.1.1示例代码：薄火焰模型

#薄火焰模型示例代码

importnumpyasnp

fromscipy.integrateimportsolve_ivp

#定义化学反应速率

defreaction_rate(T):

returnnp.exp(-10000/T)#Arrhenius公式简化版

#定义控制方程

defmodel(t,y):

T,dTdx=y

dydt=[dTdx,-reaction_rate(T)]#能量方程和化学反应速率

returndydt

#初始条件和参数

y0=[300,0]#初始温度和温度梯度

t_span=(0,1)#时间跨度

t_eval=np.linspace(0,1,100)#时间点

#求解控制方程

sol=solve_ivp(model,t_span,y0,t_eval=t_eval)

#输出结果

print(温度随位置变化：)

print(sol.y[0])

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1.3.2非预混燃烧模型

非预混燃烧模型考虑到燃料和氧化剂在燃烧过程中的混合，因此，模型需

要同时解决化学反应速率、流体流动和混合过程。非预混燃烧模型通常使用扩

散火焰模型，如K-ε湍流模型和PDF概率密度函数模型，来描述燃烧过程。

1.3.2.1示例代码：K-ε湍流模型

#K-ε湍流模型示例代码

importnumpyasnp

fromscipy.integrateimportsolve_ivp

#定义湍流模型参数

defk_epsilon_model(u,v,k,epsilon,x):

#u,v是速度分量，k是湍动能，epsilon是湍动能耗散率

#x是空间位置

#这里使用简化版的K-ε模型方程

du_dx=-np.gradient(u,x)

dv_dx=-np.gradient(v,x