燃烧仿真.湍流燃烧模型：混合分数模型：燃烧仿真结果的后处理与分析.pdf

燃烧仿真.湍流燃烧模型：混合分数模型：燃烧仿真结果的

后处理与分析

1燃烧仿真的基本概念

1.1燃烧过程的物理化学基础

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）在适当的条件下（如温度、压力和浓度）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

不仅受到化学动力学的控制，还受到流体动力学的影响，特别是在湍流燃烧中，

流体的不规则运动对燃烧速率和燃烧效率有着显著的影响。

1.1.1化学反应动力学

化学反应动力学描述了化学反应速率与反应物浓度、温度、压力等条件之

间的关系。在燃烧仿真中，通常使用Arrhenius方程来描述反应速率：

反应速率=A*exp(-Ea/(R*T))*[燃料浓度]^m*[氧化剂浓度]^n

其中，A是预指数因子，Ea是活化能，R是理想气体常数，T是温度，m

和n是反应物的反应级数。

1.1.2热量传递

燃烧过程中产生的热量需要通过传导、对流和辐射等方式传递到周围环境

中。在湍流燃烧模型中，对流是热量传递的主要方式，湍流的不规则运动可以

显著增强热量的传递效率。

1.1.3流体动力学

流体动力学研究流体的运动规律，包括流体的速度、压力、密度等物理量

的变化。在燃烧仿真中，流体动力学的方程（如Navier-Stokes方程）与能量方

程、化学反应方程等耦合，共同描述燃烧过程。

1.2湍流燃烧模型的分类与选择

湍流燃烧模型是燃烧仿真中处理湍流条件下燃烧过程的关键工具。根据湍

流与燃烧相互作用的处理方式，湍流燃烧模型可以分为以下几类：

1

1.2.1均匀燃烧模型

均匀燃烧模型假设燃烧区域内的化学反应速率和物理参数是均匀的，忽略

了湍流对燃烧过程的影响。这种模型适用于燃烧区域较小、湍流影响可以忽略

的情况。

1.2.2非预混燃烧模型

非预混燃烧模型适用于燃料与氧化剂在燃烧前没有充分混合的情况，如柴

油发动机中的燃烧过程。这种模型通常使用混合分数（f）来描述燃料与氧化剂

的混合程度，混合分数模型是其中的一种。

1.2.3预混燃烧模型

预混燃烧模型适用于燃料与氧化剂在燃烧前已经充分混合的情况，如天然

气燃烧。这种模型通常假设燃烧过程中的化学反应速率由温度控制。

1.2.4混合燃烧模型

混合燃烧模型结合了预混和非预混燃烧的特点，适用于燃烧过程中既有预

混燃烧又有非预混燃烧的情况。

1.2.5混合分数模型原理

混合分数模型是一种非预混燃烧模型，它使用混合分数f来描述燃料与氧

化剂的混合程度。混合分数定义为燃料与氧化剂混合后的质量分数，其值在0

到1之间变化，0表示纯氧化剂，1表示纯燃料。在湍流燃烧中，混合分数的分

布反映了湍流对燃料与氧化剂混合的影响，从而影响燃烧过程。

1.2.6混合分数模型的应用

在实际的燃烧仿真中，混合分数模型可以与湍流模型（如k-ε模型、k-ω

模型等）耦合使用，通过求解混合分数的输运方程来预测燃烧区域内的混合分

数分布，进而计算燃烧速率和燃烧效率。

1.2.7选择合适的湍流燃烧模型

选择湍流燃烧模型时，需要考虑燃烧过程的特点、燃烧设备的类型、以及

仿真精度与计算效率的平衡。例如，对于高速燃烧过程，可能需要使用更复杂

的湍流模型来准确描述湍流的不规则运动；对于预混燃烧，预混燃烧模型可能

更为合适；而对于非预混燃烧，混合分数模型则是一个好的选择。

在实际应用中，通常需要通过实验数据或已有的仿真结果来验证模型的准

确性，以确保选择的模型能够准确预测燃烧过程。

2

2混合分数模型的理论基础

2.1混合分数的概念与定义

混合分数（MixtureFraction,Z）是描述湍流燃烧中燃料与氧化剂混合程度

的一个关键参数。在燃烧仿真中，混合分数定义为燃料质量与燃料和氧化剂总

质量的比值：

​

=

​+​