燃烧仿真.湍流燃烧模型：混合分数模型：混合分数FDF模型解析.pdf

燃烧仿真.湍流燃烧模型：混合分数模型：混合分数FDF模

型解析

1燃烧仿真基础

1.1燃烧学基本原理

燃烧是一种化学反应过程，其中燃料与氧化剂（通常是空气中的氧气）反

应，产生热能和光能。在燃烧过程中，燃料分子被氧化，生成二氧化碳、水蒸

气和其他燃烧产物。燃烧的速率和效率受到多种因素的影响，包括燃料的类型、

温度、压力、氧化剂的浓度以及燃烧环境的湍流程度。

1.1.1燃烧反应方程

燃烧反应可以简化为以下化学方程式：

燃料+氧气→二氧化碳+水蒸气+热能+光能

例如，甲烷（CH4）在氧气中燃烧的方程式为：

热能光能

CH4+2O2→CO2+2H2O++

1.1.2燃烧的类型

燃烧可以分为以下几种类型：

扩散燃烧：燃料和氧化剂在混合前是分开的，燃烧发生在它们相

遇并混合的地方。

预混燃烧：燃料和氧化剂在燃烧前已经充分混合，燃烧发生在整

个混合物中。

层流燃烧：燃烧在无湍流的层流环境中进行。

湍流燃烧：燃烧在湍流环境中进行，湍流可以加速燃料和氧化剂

的混合，从而影响燃烧速率。

1.2湍流燃烧简介

湍流燃烧是燃烧科学中的一个重要领域，它研究在湍流环境中燃料和氧化

剂的混合与燃烧过程。湍流的存在极大地增加了燃烧的复杂性，因为它引入了

非线性动力学和随机性，使得燃烧过程的预测和控制变得更加困难。

1.2.1湍流对燃烧的影响

湍流通过以下方式影响燃烧：

加速混合：湍流可以加速燃料和氧化剂的混合，从而提高燃烧速

1

率。

火焰结构：湍流可以改变火焰的结构，形成复杂的火焰形态，如

火焰皱褶和火焰断裂。

燃烧稳定性：湍流可以影响燃烧的稳定性，导致燃烧波动或熄灭。

1.2.2湍流燃烧模型

为了模拟湍流燃烧，研究人员开发了多种模型，包括：

层流火焰速度模型：将湍流燃烧简化为一系列层流火焰，通过计

算层流火焰速度来预测燃烧速率。

PDF（概率密度函数）模型：基于统计学方法，通过描述燃料和

氧化剂混合状态的概率分布来模拟燃烧过程。

混合分数模型：使用混合分数作为标量来描述燃料和氧化剂的混

合状态，适用于预混和非预混燃烧。

1.3数值模拟方法概览

数值模拟是研究燃烧过程的一种强大工具，它允许研究人员在计算机上模

拟燃烧现象，从而深入了解燃烧机制并优化燃烧系统设计。

1.3.1数值模拟的基本步骤

数值模拟的基本步骤包括：

1.建立物理模型：根据燃烧过程的物理和化学特性，建立数学模型。

2.离散化：将连续的数学模型转化为离散形式，以便在计算机上求

解。

3.求解算法：选择合适的数值方法和算法来求解离散后的方程。

4.后处理和分析：对模拟结果进行可视化和分析，以提取有用的信

息。

1.3.2常用的数值方法

常用的数值方法包括：

有限差分法：将连续的偏微分方程转化为离散的差分方程。

有限体积法：基于控制体积原理，将计算域划分为多个小体积，

然后在每个小体积上应用守恒定律。

有限元法：将计算域划分为多个小单元，然后在每个单元上应用

变分原理。

1.3.3模拟软件

常用的燃烧仿真软件包括：

OpenFOAM：一个开源的CFD（计算流体动力学）软件包，广泛

用于燃烧和湍流的研究。

STAR-CCM+：一个商业CFD软件，提供先进的燃烧模型和可视化

2

工具。

ANSYSFluent：另一个商业CFD软件，具有强大的燃烧和湍流模

型。

1.3.4示例：使用