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燃烧仿真：燃烧数值模拟方法与反应流模型网格生成技术

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：燃料分子与氧气分子混合，准备进行化学反

应。

3.点火：通过外部能量（如火花或高温）引发燃料与氧气的化学反

应。

4.化学反应：燃料与氧气发生化学反应，生成二氧化碳、水蒸气等

产物，并释放大量热能。

5.热传递：燃烧产生的热能通过传导、对流和辐射的方式传递，影

响周围环境。

1.1.1示例：燃烧反应方程式

以甲烷（CH4）燃烧为例，其化学反应方程式为：

CH4+2O2-CO2+2H2O+热能

1.2燃烧数值模拟的重要性

燃烧数值模拟是通过计算机程序来模拟燃烧过程，它在工程设计、安全评

估和科学研究中扮演着重要角色。数值模拟可以预测燃烧的特性，如火焰形状、

温度分布、污染物排放等，而无需进行昂贵且可能危险的实验。

1.2.1优势

成本效益：相比于物理实验，数值模拟可以显著降低研究和开发

成本。

安全性：在模拟环境中测试燃烧过程，避免了实际操作中的安全

风险。

灵活性：可以轻松改变模拟参数，如燃料类型、燃烧环境等，以

研究不同条件下的燃烧行为。

详细分析：提供燃烧过程的详细信息，如温度、压力、化学反应

速率等，有助于深入理解燃烧机制。

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1.3反应流模型概述

反应流模型是燃烧数值模拟中的一种重要方法，它结合了流体力学和化学

反应动力学，用于描述燃烧过程中的流体流动和化学反应。反应流模型可以分

为几个层次：

1.零维模型：假设燃烧在一个封闭的、体积不变的系统中进行，不

考虑空间变化，只关注时间变化。

2.一维模型：考虑燃烧过程在单一方向上的变化，如火焰传播。

3.二维模型：引入了两个方向的空间变化，可以模拟更复杂的燃烧

现象，如旋涡燃烧。

4.三维模型：全面考虑空间三维变化，适用于模拟实际燃烧环境中

的复杂流动和反应。

1.3.1示例：一维火焰传播模型

在一维火焰传播模型中，我们通常使用有限差分法来求解控制方程。以下

是一个简化的一维火焰传播模型的伪代码示例：

#定义网格参数

N=100#网格点数

L=1.0#网格长度

dx=L/(N-1)#网格间距

dt=0.01#时间步长

#初始化温度和速度分布

T=np.zeros(N)#温度分布

T[0]=1000#点火位置的初始温度

u=np.zeros(N)#速度分布

#定义物理参数

rho=1.0#密度

cp=1.0#比热容

k=0.1#热导率

D=0.1#扩散系数

#主循环

fortinrange(1000):

#计算温度变化

foriinrange(1,N-1):

T[i]=T[i]+dt*(k/(rho*cp))*(T[i+1]-2*T[i]+T[i-1])/dx**2

#计算速度变化

foriinrange(1,N-1):

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

2

#输出最终温度和速度分布

print(T)

print(u)

1.3.2代码解释

这段伪代码展示了如何在一维网格上使用有限差分法来模拟温度和速度随

时间的变化。T和u分别代表温度和速度的分布，通过迭代计算，可以得到火

焰传播过程中