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燃烧仿真技术教程：燃烧数值模拟方法与反应流模型详解

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。在燃烧仿真中，理解燃烧过程的

物理化学原理是至关重要的，因为它决定了燃烧模型的构建和数值模拟的准确

性。

1.1.1燃烧反应

燃烧反应通常可以表示为燃料与氧气的化学反应，生成二氧化碳、水蒸气

等产物，并释放大量的热能。例如，甲烷（CH4）与氧气（O2）的燃烧反应可

以表示为：

+2→+2热量

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1.1.2热力学

热力学是研究能量转换和系统状态变化的科学。在燃烧过程中，热力学原

理用于计算反应的焓变（ΔH），熵变（ΔS），以及吉布斯自由能变（ΔG），这

些参数决定了反应的方向和速率。

1.1.3流体动力学

流体动力学研究流体的运动和行为，包括速度、压力、密度等参数的变化。

在燃烧仿真中，流体动力学方程（如Navier-Stokes方程）用于描述燃烧区域内

的气体流动，这对于预测火焰的形状和位置至关重要。

1.2燃烧仿真软件介绍与选择

燃烧仿真软件是基于上述物理化学原理，通过数值方法求解燃烧反应流方

程组的工具。选择合适的燃烧仿真软件取决于具体的应用场景、计算资源、以

及用户的需求和技能。

1.2.1常见软件

OpenFOAM：一个开源的CFD（计算流体动力学）软件包，提供

了丰富的物理模型和数值方法，适用于复杂的燃烧仿真。

ANSYSFluent：商业软件，广泛应用于工业燃烧仿真，具有直观的

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用户界面和强大的后处理功能。

STAR-CCM+：另一个商业软件，特别适合于多物理场耦合的燃烧

仿真，如燃烧与传热、流体动力学的耦合。

1.2.2选择依据

模型复杂度：软件是否支持所需的燃烧模型和物理现象。

计算资源：软件的计算效率和对硬件的要求。

用户技能：用户是否熟悉软件的使用，是否有足够的技术支持。

1.3网格生成与边界条件设置

网格生成和边界条件设置是燃烧仿真中的关键步骤，直接影响到计算的准

确性和效率。

1.3.1网格生成

网格是将计算域离散化为一系列小单元，以便进行数值计算。网格的类型

（如结构化网格、非结构化网格）、大小和质量对仿真结果有重要影响。

1.3.1.1示例：使用Gmsh生成2D网格

#GmshPythonAPI示例

importgmsh

#初始化Gmsh

gmsh.initialize()

#创建一个新的模型

gmsh.model.add(2Dmeshexample)

#定义几何

lc=0.1#网格尺寸

p1=gmsh.model.geo.addPoint(0,0,0,lc)

p2=gmsh.model.geo.addPoint(1,0,0,lc)

p3=gmsh.model.geo.addPoint(1,1,0,lc)

p4=gmsh.model.geo.addPoint(0,1,0,lc)

#创建矩形

l1=gmsh.model.geo.addLine(p1,p2)

l2=gmsh.model.geo.addLine(p2,p3)

l3=gmsh.model.geo.addLine(p3,p4)

l4=gmsh.model.geo.addLine(p4,p1)

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#创建环路和表面

ll=gmsh.model.geo.addCurveLoop([l1,l2,l3,l4])

s1=gmsh.model.geo.addPlaneSurface([ll])

#生成网格

gmsh.model.geo.synchronize()

gmsh.model.mesh.generate(2)

#显示网格

gmsh.fltk.run()

#关闭Gmsh