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燃烧仿真技术教程：内燃机燃烧仿真案例研究

1燃烧仿真基础

1.1燃烧理论概述

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。在内燃机中，燃烧是将化学能转换为机械能的关键步骤。

燃烧理论涵盖了燃烧的化学动力学、热力学和流体力学，是理解和优化燃烧过

程的基础。

1.1.1化学动力学

化学动力学研究化学反应的速率和机理。在燃烧过程中，燃料分子与氧气

分子的碰撞导致化学键的断裂和重组，形成新的化合物。这一过程可以通过化

学反应方程来描述，例如：

燃料+氧气→二氧化碳+水+热能

1.1.2热力学

热力学关注能量的转换和传递。在燃烧过程中，化学能转换为热能，进而

影响燃烧室内的温度和压力。热力学原理帮助我们计算燃烧过程中的能量转换

效率。

1.1.3流体力学

流体力学研究流体（气体或液体）的运动。在内燃机中，燃烧气体的流动

对燃烧效率和排放有重要影响。流体力学方程，如连续性方程、动量方程和能

量方程，用于模拟燃烧室内的气体流动。

1.2燃烧仿真软件介绍

燃烧仿真软件是基于上述理论，通过数值方法模拟燃烧过程的工具。这些

软件通常包括：

CFD（计算流体动力学）软件：如ANSYSFluent、STAR-CCM+，用

于模拟燃烧室内的流体流动和传热。

化学反应动力学软件：如CHEMKIN，用于处理复杂的化学反应网

络。

多物理场仿真软件：如COMSOLMultiphysics，能够同时模拟流体

流动、传热和化学反应。

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1.2.1ANSYSFluent示例

ANSYSFluent是一款广泛使用的CFD软件，可以模拟内燃机燃烧过程。下

面是一个使用Fluent进行燃烧仿真的一般步骤：

1.导入几何模型：使用CAD软件创建内燃机燃烧室的几何模型，并

导入Fluent。

2.网格划分：对几何模型进行网格划分，网格质量直接影响仿真结

果的准确性。

3.设置边界条件：定义入口、出口和壁面的条件，如温度、压力和

化学组分。

4.选择燃烧模型：根据燃料类型和燃烧过程，选择合适的燃烧模型，

如EddyDissipationModel（EDM）或PDF模型。

5.运行仿真：设置求解器参数，如时间步长和收敛准则，然后运行

仿真。

6.后处理和分析：分析仿真结果，如温度分布、压力变化和污染物

排放。

1.2.2示例代码：网格划分

在Fluent中，网格划分通常在前处理阶段完成，这里使用ANSYSMeshing

进行网格划分的示例：

#ANSYSMeshingPythonAPI示例

创建一个简单的矩形区域

#2D

#网格划分

fromansys.meshing.primeimportPrimeaspymeshing

#初始化Meshing

meshing=pymeshing()

创建一个矩形

#2D

rect=meshing.create_rectangle(0,0,0,1,1,0)

#设置网格参数

mesh_params=meshing.get_tetrahedralization_params()

mesh_params.size=0.1

#网格划分

mesh=meshing.tetrahedralize(rect,mesh_params)

#输出网格信息

print(mesh.summary())

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1.2.3示例数据：边界条件设置

边界条件设置是燃烧仿真中的关键步骤。以下是一个示例，展示如何设置

入口边界条件：

#设置入口边界条件示例

#定义入口边界

inlet=meshing.get_face_by_name(Inlet)

#设置边界条件

inlet.set_boundary_condition(Velocity