燃烧仿真.湍流燃烧模型：共轭燃烧模型：湍流模型的数值方法.pdf

燃烧仿真.湍流燃烧模型：共轭燃烧模型：湍流模型的数值

方法

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。燃

烧反应可以是简单的，如甲烷与氧气的反应：

CH+2O→CO+2HO

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也可以是复杂的，涉及多种燃料和氧化剂的反应，产生多种产物。在实际

应用中，燃烧反应通常伴随着湍流流动，这增加了反应的复杂性。

1.1.1示例：燃烧反应的化学动力学模型

在化学动力学模型中，我们使用一组微分方程来描述反应速率。例如，对

于上述甲烷燃烧反应，我们可以使用Arrhenius定律来描述反应速率：

importnumpyasnp

#定义反应参数

A=1.9e13#频率因子

Ea=62.0#活化能(kJ/mol)

R=8.314#气体常数(J/(mol*K))

T=1200#温度(K)

#定义反应物浓度

c_CH4=0.1#甲烷浓度(mol/m^3)

c_O2=0.2#氧气浓度(mol/m^3)

#计算反应速率

k=A*np.exp(-Ea/(R*T))#Arrhenius定律

rate=k*c_CH4*c_O2**2#反应速率

print(反应速率:,rate)

这段代码展示了如何使用Arrhenius定律计算甲烷燃烧的反应速率。在实际

仿真中，需要考虑多个反应和反应物的浓度变化。

1

1.2湍流流动特性

湍流是流体动力学中的一种复杂现象，其特征是流体的不规则运动和能量

的快速传递。在燃烧过程中，湍流可以显著影响燃烧速率和火焰结构。湍流流

动的特性可以通过雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程或大涡模拟（LES）来

描述。

1.2.1示例：RANS方程的简化形式

RANS方程是湍流模型中常用的一组方程，用于描述湍流的平均流动特性。

下面是一个简化的RANS方程形式：

∂

=0

∂

∂∂∂

=−+−

∂∂∂

其中，是流体速度的平均值，是平均压力，是雷诺应力张量的平均值，

流体密度。

1.3数值方法简介

数值方法是解决数学和物理问题的一种方法，它使用计算机进行数值计算。

在燃烧仿真中，数值方法用于求解控制方程，如连续性方程、动量方程和能量

方程。常用的数值方法包括有限差分法、有限体积法和有限元法。

1.3.1示例：使用有限差分法求解一维热传导方程

一维热传导方程可以表示为：

∂∂2

=

2

∂∂

其中，是温度，是热扩散率。下面是一个使用有限差分法求解该方程的

Python代码示例：

importnumpyasnp

importmatplotli