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燃烧仿真技术教程：内燃机燃烧仿真与未来趋势

1燃烧仿真基础

1.1燃烧理论概述

燃烧是一种复杂的物理化学过程，涉及到燃料与氧化剂的化学反应、热量

的产生与传递、以及流体动力学的相互作用。在燃烧理论中，我们关注的是燃

烧的化学动力学、燃烧波的传播、以及燃烧过程中的能量转换。燃烧可以分为

均相燃烧和非均相燃烧，前者如气体燃烧，后者如液体燃料或固体燃料的燃烧。

1.1.1化学动力学

化学动力学是研究化学反应速率和反应机理的科学。在燃烧过程中，化学

动力学描述了燃料分子与氧化剂分子之间的反应路径和速率。例如，对于简单

的甲烷燃烧，其主要反应可以表示为：

CH4+2O2-CO2+2H2O

但实际上，燃烧过程涉及许多中间步骤和副反应，形成复杂的反应网络。

1.1.2燃烧波的传播

燃烧波是指在燃烧过程中，反应区以一定的速度在未反应的燃料中传播的

现象。燃烧波的传播速度受到燃料性质、反应条件（如温度和压力）以及流体

动力学效应的影响。理解燃烧波的传播对于设计高效和稳定的燃烧系统至关重

要。

1.1.3能量转换

燃烧过程中释放的能量主要通过热能的形式传递。这部分能量可以用于加

热、产生动力或发电。能量转换的效率是评估燃烧系统性能的关键指标之一。

1.2燃烧仿真软件介绍

燃烧仿真软件是基于燃烧理论和计算流体动力学（CFD）原理，用于模拟和

预测燃烧过程的工具。这些软件能够处理复杂的物理化学过程，提供燃烧室内

的温度、压力、速度和化学组分的分布等信息。

1.2.1主流燃烧仿真软件

AnsysFluent:以其强大的CFD和化学反应模型而闻名，广泛应用

于内燃机、航空发动机和工业燃烧器的仿真。

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STAR-CCM+:提供了用户友好的界面和先进的燃烧模型，适用于多

物理场的仿真。

OpenFOAM:一个开源的CFD软件包，拥有丰富的物理模型和用户

社区，适合定制化和研究级的燃烧仿真。

1.2.2软件功能

这些软件通常具备以下功能：

流体动力学模拟:包括湍流模型、多相流模型等。

化学反应模拟:支持多种化学反应机制，能够处理复杂的化学动力

学。

热力学计算:计算燃烧过程中的能量转换和热传递。

网格生成与适应:自动或手动生成网格，以及根据计算结果动态调

整网格密度。

1.3燃烧模型与方法

燃烧模型是描述燃烧过程的数学模型，它们基于不同的假设和简化，用于

预测燃烧室内的物理化学行为。选择合适的燃烧模型对于准确模拟燃烧过程至

关重要。

1.3.1常用燃烧模型

层流火焰模型:假设燃烧过程在层流条件下进行，适用于研究燃烧

波的传播。

湍流燃烧模型:考虑湍流对燃烧过程的影响，如EddyDissipation

Model(EDM)和ProgressVariableModel(PVM)。

详细化学反应模型:包括所有可能的化学反应路径，适用于研究化

学动力学细节。

简化化学反应模型:通过减少反应路径的数量来降低计算成本，适

用于工程应用。

1.3.2示例：使用OpenFOAM进行燃烧仿真

下面是一个使用OpenFOAM进行燃烧仿真的简单示例。我们将使用层流火

焰模型来模拟甲烷在空气中的燃烧。

1.3.2.1数据准备

首先，我们需要定义燃料和氧化剂的物理和化学性质。在OpenFOAM中，

这些信息通常存储在constant目录下的thermophysicalProperties文件中。

//thermophysicalProperties文件示例

thermodynamics

{

2

Tstd298.15;

pRef101325;

hRef0;

sRef0;

gamma1.4;

}

transport

{

modelconstant;