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燃烧仿真技术教程：内燃机燃烧效率优化

1燃烧仿真基础

1.1燃烧理论概述

燃烧是一种化学反应过程，其中燃料与氧气反应，产生热能和光能。在内

燃机中，燃烧效率直接影响到发动机的性能和排放。燃烧理论涵盖了燃烧的化

学动力学、热力学和流体力学，是理解和优化内燃机燃烧过程的关键。

1.1.1化学动力学

化学动力学研究化学反应的速率和机理。在内燃机中，燃料的氧化反应速

率受到温度、压力和燃料与空气混合比的影响。例如，使用Arrhenius方程可以

描述燃烧反应速率：

反应速率=A*exp(-Ea/(R*T))

其中，A是频率因子，Ea是活化能，R是气体常数，T是绝对温度。

1.1.2热力学

热力学分析燃烧过程中的能量转换。在内燃机中，燃烧产生的热能转化为

机械能，同时伴随着能量损失。通过热力学第一定律和第二定律，可以计算燃

烧过程中的能量平衡和熵变，从而评估燃烧效率。

1.1.3流体力学

流体力学研究燃烧过程中气体的流动特性。在内燃机中，燃料和空气的混

合、湍流和扩散对燃烧效率有重要影响。使用Navier-Stokes方程可以模拟燃烧

室内的流体动力学行为：

ρ(∂v/∂t+v·∇v)=-∇p+μ∇²v+f

其中，ρ是流体密度，v是流体速度，p是压力，μ是动力粘度，f是外力。

1.2燃烧仿真软件介绍

燃烧仿真软件是基于上述理论，通过数值模拟来预测和优化燃烧过程的工

具。常见的燃烧仿真软件包括：

CONVERGE:采用笛卡尔网格和自适应网格细化技术，适用于复杂

几何结构的内燃机燃烧仿真。

AVLFIRE:专注于内燃机燃烧过程的仿真，提供详细的化学反应模

型和流体动力学模型。

STAR-CCM+:通用的CFD软件，具有强大的流体动力学和传热模型，

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适用于内燃机燃烧效率的优化。

这些软件通常使用计算流体动力学(CFD)方法，结合化学反应模型，来模拟

燃烧过程。

1.3内燃机燃烧过程解析

内燃机的燃烧过程可以分为几个阶段：着火、扩散燃烧和预混燃烧。

1.3.1着火

着火阶段是燃料开始燃烧的瞬间，通常由火花塞点火或压缩热引发。着火

延迟时间是影响燃烧效率的重要因素，可以通过调整点火时刻或燃料类型来优

化。

1.3.2扩散燃烧

扩散燃烧发生在燃料和空气混合不均匀的情况下，燃料的燃烧速率受到氧

气扩散速率的限制。优化燃料喷射和空气流动可以减少扩散燃烧，提高燃烧效

率。

1.3.3预混燃烧

预混燃烧发生在燃料和空气充分混合的情况下，燃烧速率主要由化学反应

速率决定。预混燃烧可以产生更清洁的燃烧，减少排放，但需要精确控制燃料

和空气的混合比。

1.3.4示例：使用CONVERGE进行内燃机燃烧仿真

#CONVERGE仿真设置示例

#导入CONVERGEAPI

importconverge

#创建仿真对象

sim=converge.Simulation()

#设置燃烧室几何

sim.set_geometry(cylinder,diameter=0.1,length=0.2)

#设置燃料和空气

sim.set_fuel(diesel)

sim.set_air(air)

#设置燃烧模型

sim.set_combustion_model(premixed)

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#设置网格

sim.set_grid(cartesian,refinement=3)

#设置边界条件

sim.set_boundary_conditions(inlet,velocity=10,temperature=300)

sim.set_boundary_conditions(outlet,pressure=101325)

#运行仿真

sim.run()

#分析结果

results=sim.get_results()

print(results[temperature])

print(results[pressure])

在这个示例中，我们使用Python的CONVERGEAPI来设置内燃机燃烧室的

几何、燃料、空气、燃烧模型