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燃烧仿真技术教程:燃烧污染物控制新技术与化学反应动
力学
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。燃烧过程可以分为三个主要阶段:预热
阶段、反应阶段和后燃阶段。在预热阶段,燃料被加热到其着火点;在反应阶
段,燃料与氧气发生化学反应,产生热能和光能;在后燃阶段,燃烧产物继续
冷却并扩散。
1.1.1化学反应动力学
化学反应动力学是研究化学反应速率和反应机理的科学。在燃烧仿真中,
化学反应动力学模型是关键,它描述了燃料分子如何分解、与氧气反应以及生
成各种燃烧产物的过程。这些模型通常包括一系列的化学反应方程式和反应速
率常数,可以使用Arrhenius方程来表示:
反应速率=A*exp(-Ea/(R*T))
其中,A是频率因子,Ea是活化能,R是理想气体常数,T是温度。
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场、温度分布、化学反应和污染物生成。常见的
燃烧仿真软件包括:
ANSYSFluent
STAR-CCM+
OpenFOAM
这些软件提供了丰富的物理模型和化学反应模型,可以处理从简单的层流
燃烧到复杂的湍流燃烧的各种情况。
1.2.1示例:使用OpenFOAM进行燃烧仿真
OpenFOAM是一个开源的CFD软件包,广泛用于燃烧仿真。下面是一个使
用OpenFOAM进行燃烧仿真的简单示例:
#设置工作目录
cd~/OpenFOAM/stitch-7/run
1
#创建新的案例目录
foamNewCasesimpleCombustion
#进入案例目录
cdsimpleCombustion
#使用blockMesh生成网格
blockMesh
#设置燃烧模型
sed-is/.*thermoType.*$/thermoType\n{\ntypehePsiThermoIncompressible;\n
mixturemethaneAir;\n}/constant/thermophysicalProperties
#设置化学反应模型
sed-is/.*chemistryType.*$/chemistryType\n{\ntypefiniteRate;\nfiniteRate\
n{\nmechanism\$FOAM_RUN/chemkin/mechanisms/gri30.cti;\n}\n}/consta
nt/thermophysicalProperties
#运行仿真
simpleFoam
在这个示例中,我们首先创建了一个新的案例目录simpleCombustion,然
后使用blockMesh生成网格。接下来,我们修改了thermophysicalProperties文
件,设置了燃烧模型和化学反应模型。最后,我们运行了simpleFoam求解器进
行仿真。
1.3网格划分与边界条件设置
网格划分是燃烧仿真中的重要步骤,它将燃烧区域划分为许多小的单元,
以便进行数值计算。网格的质量直接影响到仿真的准确性和计算效率。边界条
件设置则定义了仿真区域的边界行为,如入口的燃料和氧气流速、出口的压力、
壁面的温度等。
1.3.1示例:使用Gmsh进行网格划分
Gmsh是一个开源的三维有限元网格生成器,可以用于创建燃烧仿真的网格。
下面是一个使用Gmsh进行网格划分的简单示例:
#GmshPythonAPI示例
importgmsh
#初始化Gmsh
gmsh.initialize()
#创建一个新的模型
gmsh.model.add(simpleCombustionMesh)
2
#定义几何体
lc=1.0#特征长度
p1=gmsh.model.geo.addPoint(0,0,0,lc)
p2=gmsh.model.geo.addPoint(1,0,0,lc)
p3=gmsh.model.geo
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