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燃烧仿真.湍流燃烧模型：共轭燃烧模型：共轭传热与传质

基础

1燃烧仿真基础

1.1燃烧化学反应基础

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。在燃烧仿真中，理解燃烧化学反应的基础至关重要，因

为它直接影响燃烧过程的模拟准确性。

1.1.1燃烧反应类型

燃烧反应可以分为几种类型，包括：

均相燃烧：燃料和氧化剂在分子水平上混合，如气体燃烧。

非均相燃烧：燃料和氧化剂在不同相中，如液体燃料喷雾燃烧或

固体燃料燃烧。

1.1.2燃烧反应机理

燃烧反应机理描述了燃料和氧化剂之间化学反应的详细步骤。例如，对于

甲烷（CH4）的燃烧，反应机理可以简化为：

CH4+2O2-CO2+2H2O

但实际上，燃烧过程涉及多个中间步骤和副反应，这些都需要在仿真中准

确建模。

1.1.3燃烧反应速率

燃烧反应速率受多种因素影响，包括温度、压力、燃料和氧化剂的浓度以

及反应物的物理状态。在仿真中，通常使用Arrhenius方程来描述反应速率：

#Arrhenius方程示例

defreaction_rate(T,A,Ea,R):

计算给定温度下的反应速率。

参数:

温度，单位为。

T(float):K

频率因子，单位为。

A(float):1/s

Ea(float):活化能，单位为J/mol。

R(float):气体常数，单位为J/(mol*K)。

1

返回:

float:反应速率。

returnA*np.exp(-Ea/(R*T))

1.2燃烧仿真中的网格与数值方法

在燃烧仿真中，选择合适的网格和数值方法对于准确模拟燃烧过程至关重

要。

1.2.1网格类型

网格可以是：

结构网格：具有规则几何形状的网格，如矩形或六面体。

非结构网格：由不规则形状的单元组成的网格，适用于复杂几何

形状。

1.2.2数值方法

数值方法用于求解控制燃烧过程的偏微分方程。常见的方法包括：

有限体积法：将计算域划分为体积单元，然后在每个单元上应用

守恒定律。

有限元法：将计算域划分为小的单元，使用插值函数来逼近解。

1.2.3示例：有限体积法求解一维扩散方程

importnumpyasnp

deffinite_volume_diffusion(D,dx,dt,phi):

使用有限体积法求解一维扩散方程。

参数:

D(float):扩散系数。

dx(float):网格间距。

dt(float):时间步长。

phi(np.array):初始浓度分布。

返回:

np.array:更新后的浓度分布。

phi_new=np.zeros_like(phi)

foriinrange(1,len(phi)-1):

2

phi_new[i]=phi[i]+D*dt/dx**2*(phi[i+1]-2*phi[i]+phi[i-1])

returnphi_new

1.3湍流燃烧模型概述

湍流燃烧模型用于描述在湍流条件下燃烧过程的复杂性。湍流的存在使得

燃烧过程更加复杂，因为它增加了燃料和氧化剂的混合速率，影响了燃烧的稳

定性和效率。

1.3.1湍流模型类型

常见的湍流燃烧模型包括：

层流火焰速度模型：基于层流火焰速度来预测湍流燃烧。

PDF（概率密度函数）模型：考虑燃料和氧化剂混合的随机性。

EDC（耗散率模型）：基于湍流耗散率来描述燃烧过程。

1.3.2模型选择

选择湍流燃烧模型时，需要考虑燃烧系统的特性，如燃料类型、燃烧室几

何形状和湍流强度。不同的模型适用于不同的情况，因此在仿真前进行适当的

模型选