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燃烧仿真技术教程：燃烧污染物控制的仿真技术

1燃烧仿真基础

1.1燃烧过程的物理化学原理

燃烧是一种复杂的物理化学过程，涉及到燃料与氧化剂（通常是空气中的

氧气）的化学反应，产生热能和光能。燃烧过程可以分为几个关键步骤：

1.燃料的蒸发或分解：固体或液体燃料在燃烧前需要蒸发或分解成

气体状态，以便与氧气接触。

2.燃料与氧气的混合：燃料与氧气必须充分混合，以促进化学反应。

3.点火：需要一定的能量（如火花或高温）来启动燃烧反应。

4.化学反应：燃料与氧气在适当的条件下发生化学反应，生成二氧

化碳、水蒸气和其他副产品。

5.热能释放：燃烧反应释放出大量的热能，可以用于发电、加热等。

1.1.1示例：燃烧反应方程式

假设我们有甲烷（CH4）在空气中燃烧的反应，其化学方程式如下：

CH4+2O2-CO2+2H2O

在这个方程式中，甲烷与氧气反应生成二氧化碳和水蒸气，同时释放出大

量的热能。

1.2燃烧仿真软件介绍

燃烧仿真软件是基于计算流体动力学（CFD）和化学反应动力学的工具，用

于模拟和预测燃烧过程中的流体流动、热量传递和化学反应。这些软件通常包

括：

ANSYSFluent：一个广泛使用的CFD软件，可以模拟复杂的燃烧

过程，包括湍流燃烧、多相流燃烧等。

STAR-CCM+：另一个强大的仿真工具，特别适合模拟燃烧室内的

流体动力学和燃烧过程。

OpenFOAM：一个开源的CFD软件，提供了丰富的物理模型和化

学反应模型，适合研究和教育用途。

1.2.1示例：使用OpenFOAM进行燃烧仿真

OpenFOAM提供了多种燃烧模型，包括层流燃烧、湍流燃烧和多相燃烧。

下面是一个使用OpenFOAM进行层流燃烧仿真的简单示例：

1.创建案例目录：在OpenFOAM的安装目录下，创建一个新的案例

目录。

1

cd$FOAM_RUN

foamNewcaselaminarCombustion

2.设置网格和边界条件：使用blockMesh工具创建网格，并在

constant/polyMesh目录下设置边界条件。

cdlaminarCombustion

blockMesh

3.定义物理和化学模型：在constant/transportProperties和

constant/thermophysicalProperties文件中定义燃料的物理和化学属性。

nanoconstant/transportProperties

在constant/thermophysicalProperties中定义化学反应模型：

nanoconstant/thermophysicalProperties

4.运行仿真：使用simpleFoam或buoyantSimpleFoam等求解器运行

仿真。

simpleFoam

1.3网格划分与边界条件设置

网格划分是燃烧仿真中的关键步骤，它决定了计算的精度和效率。边界条

件则定义了仿真区域的外部环境，如入口的燃料和氧气流速、出口的压力等。

1.3.1示例：网格划分

使用OpenFOAM的blockMesh工具，我们可以定义一个简单的三维网格。

下面是一个blockMeshDict文件的示例：

nanoconstant/polyMesh/blockMeshDict

convertToMeters1;

vertices

(

(000)

(100)

(110)

(010)

(000.1)

(100.1)

(110.1)

(010.1)

);

blocks

(

hex(01234567)