燃烧仿真：大涡模拟（LES）在燃烧数值模拟中的应用与物理化学性质详解.pdfVIP

燃烧仿真：大涡模拟（LES）在燃烧数值模拟中的应用与物

理化学性质详解

1燃烧仿真基础

1.1燇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、氮氧化物等。

1.1.1燃烧反应类型

燃烧反应可以分为几种类型，包括：

均相燃烧：燃料和氧化剂在分子水平上混合，如气体燃烧。

非均相燃烧：燃料和氧化剂在不同相态下反应，如液体燃料的燃

烧。

1.1.2燃烧的化学动力学

化学动力学描述了化学反应的速率和机制。在燃烧仿真中，化学动力学模

型是关键，它包括反应速率常数、反应路径和中间产物的生成与消耗。例如，

对于甲烷燃烧，其主要反应路径可以表示为：

CH4+2O2-CO2+2H2O

1.1.3燃烧的热力学

热力学分析燃烧过程中的能量转换，包括燃烧热、熵变和吉布斯自由能。

这些参数决定了燃烧反应的自发性和方向。

1.2燃烧数值模拟方法概述

燃烧数值模拟是通过计算机模型来预测和分析燃烧过程的工具。它结合了

流体力学、传热学、化学动力学和热力学的原理，使用数值方法求解相关的物

理化学方程。

1.2.1数值方法

数值方法包括有限差分法、有限体积法和有限元法。这些方法将连续的物

理空间离散化，将偏微分方程转化为代数方程组，然后通过迭代求解。

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1.2.2模拟软件

常用的燃烧模拟软件有：

OpenFOAM：一个开源的CFD（计算流体动力学）软件包，支持

复杂的燃烧模型。

STAR-CCM+：商业软件，广泛应用于工业燃烧仿真。

1.3大涡模拟（LES）简介

大涡模拟（LargeEddySimulation,LES）是一种用于模拟湍流的数值方法，

特别适用于燃烧仿真中的高雷诺数流动。LES通过直接求解大尺度涡旋的运动

方程，而对小尺度涡旋采用亚格子模型来模拟，从而在计算效率和准确性之间

取得平衡。

1.3.1LES的基本方程

LES的基本方程是过滤后的Navier-Stokes方程，包括：

连续性方程：描述质量守恒。

动量方程：描述动量守恒。

能量方程：描述能量守恒。

1.3.2亚格子模型

亚格子模型用于处理LES中未直接求解的小尺度涡旋。常见的亚格子模型

有：

Smagorinsky模型：基于网格尺度和流体的剪切率来估计亚格子应

力。

WALE模型：考虑了涡旋的拉伸和压缩效应。

1.3.3LES在燃烧仿真中的应用

在燃烧仿真中，LES可以更准确地预测火焰的结构、燃烧效率和污染物排

放。例如，通过LES可以模拟燃烧室内燃料喷射、混合和燃烧的动态过程，这

对于优化发动机设计和减少排放至关重要。

1.3.4示例：OpenFOAM中的LES燃烧仿真

以下是一个使用OpenFOAM进行LES燃烧仿真的简化示例。假设我们正在

模拟一个简单的甲烷燃烧过程。

1.3.4.1配置文件

在constant/turbulenceProperties文件中，定义LES模型：

2

simulationTypeRAS;

RAS

{

RASModelLES;

turbulenceon;

printCoeffson;

}

LES

{

LESModelSmagorinsky;

deltacubeRootVol;

}

1.3.4.2化学反应模型

在constant/reactingProperties文件中，定义化学反应模型：

thermodynamics

{

thermoTypereactingIncompressible;

mixture