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燃烧仿真.湍流燃烧模型：共轭燃烧模型：燃烧仿真中的网

格生成技术

1燃烧仿真基础

1.1燐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、以及流体动力学现象。在燃烧过程中，燃料分子与氧化剂分子

（通常是空气中的氧气）在适当的温度和压力条件下发生化学反应，产生热能

和一系列的燃烧产物，如二氧化碳、水蒸气等。这一过程不仅受到化学反应速

率的影响，还受到燃料与氧化剂混合程度、燃烧区域的温度分布、以及燃烧产

物的扩散等因素的制约。

1.1.1化学反应动力学

化学反应动力学是描述化学反应速率及其影响因素的科学。在燃烧仿真中，

化学反应动力学模型是核心部分，它决定了燃烧速率和产物分布。例如，对于

甲烷燃烧，其主要反应可以表示为：

CH4+2O2-CO2+2H2O

1.1.2热力学

热力学是研究能量转换和系统状态变化的学科。在燃烧过程中，热力学原

理用于计算燃烧反应的热效应，以及燃烧产物的热力学性质，如焓、熵、比热

等。这些性质对于预测燃烧过程中的温度变化和能量平衡至关重要。

1.1.3流体动力学

流体动力学研究流体的运动和流体与固体之间的相互作用。在燃烧仿真中，

流体动力学模型用于描述燃料与氧化剂的混合、燃烧产物的扩散以及燃烧区域

内的流场分布。常用的流体动力学方程包括连续性方程、动量方程和能量方程。

1.2湍流燃烧模型概述

湍流燃烧是指在湍流条件下进行的燃烧过程。湍流的存在极大地增加了燃

烧过程的复杂性，因为它不仅影响燃料与氧化剂的混合，还影响燃烧反应的速

率和燃烧产物的分布。为了准确模拟湍流燃烧，需要建立湍流燃烧模型，这些

模型通常基于湍流流动的基本方程和燃烧化学反应的动力学模型。

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1.2.1湍流模型

湍流模型用于描述湍流流动的统计特性，如湍流强度、湍流尺度和湍流耗

散率。常见的湍流模型包括：

k-ε模型：这是一种两方程模型，通过求解湍动能(k)和湍动能耗

散率(ε)的方程来描述湍流。

k-ω模型：与k-ε模型类似，但使用湍动能(k)和涡旋频率(ω)来描

述湍流。

雷诺应力模型(RSM)：这是一种更复杂的模型，能够更准确地描述

湍流的各向异性。

1.2.2燃烧模型

燃烧模型用于描述化学反应的速率和产物分布。在湍流燃烧中，常用的燃

烧模型包括：

层流火焰速度模型：假设燃烧过程在层流条件下进行，通过计算

层流火焰速度来预测燃烧速率。

PDF模型(ProbabilityDensityFunction)：考虑燃料和氧化剂的混合

不均匀性，通过概率密度函数来描述燃烧过程。

EDC模型(EddyDissipationConcept)：基于湍流尺度和化学反应时

间尺度的比较，来预测燃烧速率。

1.3共轭燃烧模型的概念与应用

共轭燃烧模型是一种考虑固体、液体和气体之间热交换的燃烧模型。在许

多燃烧应用中，如内燃机、火箭发动机和工业燃烧器，固体和液体结构与气体

燃烧区域之间的热交换对燃烧过程和系统性能有重要影响。共轭燃烧模型通过

耦合固体、液体和气体的热力学和流体动力学方程，来实现对整个燃烧系统的

综合模拟。

1.3.1固体和液体的热传导

在共轭燃烧模型中，固体和液体的热传导是通过求解热传导方程来描述的。

热传导方程通常表示为：

∇·(k∇T)=0

其中，k是热导率，T是温度，∇是梯度算子。通过求解这一方程，可以得

到固体和液体结构内部的温度分布。

1.3.2气体的热传递

气体的热传递不仅包括热传导，还包括对流和辐射。在共轭燃烧模型中，

气体的热传递是通过求解能量方程来描述的。能量方程通常表示为：

∇∇∇

ρCp(∂T/∂t+u·T)=·(kT)+Q

其中，ρ是密度，Cp是比热容，u是流速，Q是化学反应热源项。通过求解

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这一方程，可以得到气体燃烧区域内的温度分布和能量平衡。

1.3.3耦合模拟

共轭燃烧模型的关键在于实现固体、