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燃烧仿真技术教程：内燃机燃烧与排放控制策略

1燃烧仿真基础

1.1燃烧理论概述

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。在内燃机中，燃烧是能量转换的关键步骤，直接影响发

动机的性能和排放。燃烧理论涵盖了燃烧的化学动力学、热力学和流体力学原

理，是理解和优化燃烧过程的基础。

1.1.1化学动力学

化学动力学研究化学反应速率和反应机理。在燃烧过程中，燃料分子与氧

气分子的碰撞导致化学键的断裂和重组，形成新的化合物。这一过程的速度受

温度、压力和反应物浓度的影响。例如，温度升高会增加分子的平均动能，从

而增加反应速率。

1.1.2热力学

热力学描述了能量转换和系统状态的变化。在燃烧过程中，化学能转换为

热能，进而转换为机械能。热力学第一定律（能量守恒定律）和第二定律（熵

增定律）是分析燃烧效率和排放的关键。

1.1.3流体力学

流体力学研究流体（气体或液体）的运动。在内燃机中，燃烧发生在流动

的气体中，因此流体的湍流、扩散和混合对燃烧过程有重要影响。流体力学原

理帮助我们理解燃料和空气如何混合，以及燃烧产物如何分布。

1.2燃烧仿真软件介绍

燃烧仿真软件是基于上述燃烧理论，利用数值方法模拟燃烧过程的工具。

这些软件可以预测燃烧效率、排放物生成和热力学性能，对于内燃机设计和优

化至关重要。

1.2.1主流软件

AnsysFluent:一款广泛使用的CFD（计算流体动力学）软件，提供

多种燃烧模型，适用于复杂流场和燃烧过程的模拟。

STAR-CCM+:另一款强大的多物理场仿真软件，特别适合于内燃机

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燃烧过程的仿真，包括预混燃烧、扩散燃烧和柴油燃烧等模型。

CONVERGE:专为内燃机设计的仿真软件，采用笛卡尔网格技术，

能够自动适应复杂的几何形状，减少网格生成的时间。

1.2.2软件功能

这些软件通常具备以下功能：-网格生成:自动或手动生成计算网格，以适

应复杂的内燃机几何。-物理模型:提供多种燃烧模型，如预混燃烧模型、扩散

燃烧模型和柴油燃烧模型，以及湍流模型和传热模型。-边界条件设置:允许用

户设置初始条件和边界条件，如燃料喷射、气缸壁温、进气和排气条件。-后

处理:提供可视化工具，用于分析和展示仿真结果，如温度分布、压力变化和排

放物浓度。

1.3燃烧模型的选择与应用

选择合适的燃烧模型是进行准确燃烧仿真的关键。不同的燃烧模型适用于

不同的燃烧类型和条件。

1.3.1预混燃烧模型

预混燃烧模型适用于燃料和空气在燃烧前已经充分混合的情况，如汽油发

动机的燃烧过程。这种模型假设燃烧反应在预混气体中均匀进行，可以使用

Arrhenius定律来描述燃烧速率。

示例代码

#使用AnsysFluent设置预混燃烧模型

#假设使用PythonAPI与Fluent交互

#导入FluentAPI模块

fromansys.fluent.coreimportlaunch_fluent

#启动Fluent

fluent=launch_fluent(version=23.1,mode=solver)

#设置预混燃烧模型

fluent.tui.define.models.viscous.turbulence(k-epsilon)

fluent.tui.define.models.energy(on)

bustion(on)

bustion.model(premixed)

#设置燃料和氧化剂

bustion.fuel(C8H18)

bustion.oxygen(O2)

2

#设置Arrhenius燃烧速率

bustion.reaction(C8H18+12.5O2-8CO2+9H2O)

bustion.arrhenius(C8H18,1.5e10,10000,-1000)

#保存设置

fluent.tui.file.save()

1.3.2扩散燃烧模型

扩散燃烧模型适用于燃料和空气在燃烧过程中混合的情况，如柴油发动机

的燃烧过程。这种模型考虑了燃料喷射、湍流混合和燃烧反应的动态过程。

示例代码

#