燃烧仿真.湍流燃烧模型：湍流燃烧模型在发动机设计中的应用.pdfVIP

燃烧仿真.湍流燃烧模型：湍流燃烧模型在发动机设计中的

应用

1燃烧仿真基础

1.1燃烧的基本原理

燃烧是一种化学反应过程，通常涉及燃料和氧气的快速氧化反应，产生热

能和光能。在燃烧过程中，燃料分子与氧气分子在适当的条件下（如温度、压

力和浓度）相遇并反应，生成二氧化碳、水蒸气和其他燃烧产物。这一过程释

放的能量可以用于各种应用，如发电、加热或推动发动机。

燃烧的基本原理包括：

氧化反应：燃料与氧气反应生成氧化物。

热力学：燃烧过程中的能量转换遵循热力学定律。

动力学：反应速率受温度、压力和反应物浓度的影响。

扩散：燃料和氧气的混合依赖于扩散过程。

1.2仿真技术在燃烧领域的应用

燃烧仿真技术是利用计算机模型来预测和分析燃烧过程的工具。它在发动

机设计、火灾安全、化学反应工程等领域有着广泛的应用。通过燃烧仿真，工

程师可以：

优化设计：在实际制造前，通过模拟预测燃烧效率和排放。

故障分析：分析燃烧过程中的异常，如爆震或熄火。

安全评估：评估燃烧设备在不同条件下的安全性。

1.2.1模拟工具

常用的燃烧仿真软件包括：

OpenFOAM：一个开源的计算流体动力学（CFD）软件包，广泛用

于燃烧仿真。

STAR-CCM+：商业CFD软件，提供高级燃烧模型和可视化工具。

ANSYSFluent：另一个流行的商业CFD软件，特别适用于复杂流

体和燃烧模拟。

1.2.2模拟方法

燃烧仿真通常采用以下方法：

直接数值模拟（DNS）：解决所有空间和时间尺度的流体动力学方

程，适用于研究基础燃烧机理。

1

大涡模拟（LES）：模拟大尺度湍流，而小尺度湍流通过亚网格模

型处理。

雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）：平均处理湍流，适用于工

程设计中的燃烧模拟。

1.3湍流燃烧模型的重要性

在实际燃烧过程中，湍流是常见的现象，它对燃烧效率、排放和热力学性

能有重大影响。湍流燃烧模型用于描述和预测湍流条件下燃烧的特性，是燃烧

仿真中不可或缺的一部分。这些模型帮助工程师理解：

湍流与火焰相互作用：湍流如何影响火焰的传播和稳定性。

混合过程：燃料和氧气在湍流中的混合效率。

燃烧效率：湍流条件下的燃烧完全程度。

1.3.1湍流燃烧模型类型

常见的湍流燃烧模型包括：

EddyDissipationModel(EDM)：假设湍流涡旋迅速消耗燃料。

ProgressVariableModel：使用一个变量来跟踪燃烧过程的进展。

FlameletModel：基于预混火焰和扩散火焰的数据库，适用于非预

混燃烧。

1.3.2示例：使用OpenFOAM进行湍流燃烧模拟

#OpenFOAM案例设置

#本例展示如何使用OpenFOAM设置一个简单的湍流燃烧模拟案例

#1.准备案例目录

mkdir-p$FOAM_RUN/turbulentCombustion

cd$FOAM_RUN/turbulentCombustion

#2.复制模板文件

cp-r$FOAM_TEMPLATES/pimpleFoam.

#3.修改控制文件

viconstant/polyMesh/boundary

#将边界条件修改为湍流燃烧模型所需的条件

#例如，对于EddyDissipationModel，需要设置燃料和氧气的入口边界条件

#4.设置湍流模型

visystem/fvSolution

#选择适当的湍流模型，如k-epsilon模型

2

#并设置湍流燃烧模型，如EDM

#5.运行模拟

pimpleFoam-case$FOAM_RUN/turbulentCombusti