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燃烧仿真技术教程：内燃机燃烧仿真网格划分详解

1燃烧仿真基础

1.1燃烧仿真原理与应用

燃烧仿真是一种利用计算机模型来预测和分析燃烧过程的技术，它在内燃

机设计、航空航天、化工、能源等领域有着广泛的应用。燃烧仿真能够帮助工

程师理解燃烧机理，优化燃烧效率，减少排放，提高能源利用效率。燃烧过程

的仿真通常基于化学动力学和流体力学的基本原理，通过数值方法求解反应动

力学方程和流体动力学方程。

1.1.1化学动力学方程

化学动力学方程描述了化学反应的速率和反应物与生成物之间的转化关系。

在燃烧仿真中，这些方程通常包括燃料的氧化反应、中间产物的生成和消耗、

以及最终产物的形成。例如，对于简单的甲烷燃烧反应：

CH+2O→CO+2HO

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其化学动力学方程可以表示为：

#假设使用Cantera库进行化学动力学计算

importcanteraasct

#创建甲烷和氧气的混合物

gas=ct.Solution(gri30.xml)

gas.TPX=300,ct.one_atm,CH4:1,O2:2

#设置反应器

r=ct.IdealGasReactor(gas)

sim=ct.ReactorNet([r])

#计算燃烧过程

fortinnp.linspace(0,1e-3,100):

sim.advance(t)

print(t,r.T,r.thermo.P,r.thermo.X)

1.1.2流体动力学方程

流体动力学方程，如纳维-斯托克斯方程，描述了流体的运动状态，包括速

度、压力、温度和密度等。在燃烧仿真中，这些方程与化学动力学方程耦合，

共同描述燃烧过程中的流体流动和化学反应。例如，使用OpenFOAM进行燃烧

流体动力学仿真：

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#OpenFOAM案例设置

#在终端中执行以下命令

#创建案例目录

foamNewCasemyCase

#设置网格

blockMesh

#设置物理模型

editDictconstant/transportProperties

#设置燃烧模型

editDictconstant/reactingProperties

#运行仿真

simpleFoam

1.2内燃机燃烧过程分析

内燃机的燃烧过程分析是燃烧仿真中的一个重要应用。内燃机的燃烧过程

可以分为几个阶段：着火、扩散燃烧、预混燃烧和后燃烧。每个阶段的燃烧特

性不同，对内燃机的性能和排放有着不同的影响。通过燃烧仿真，可以详细分

析这些阶段，优化燃烧过程，提高内燃机的效率和减少排放。

1.2.1着火阶段

着火阶段是燃烧过程的开始，燃料与空气混合物达到一定温度和压力后，

开始发生化学反应。在内燃机中，这个阶段通常由火花塞或压缩热引发。

1.2.2扩散燃烧阶段

扩散燃烧阶段，燃料和氧化剂在燃烧区域内的扩散速度决定了燃烧速率。

在柴油机中，燃料喷射后与空气混合，形成扩散火焰。

1.2.3预混燃烧阶段

预混燃烧阶段，燃料和空气在燃烧前已经充分混合，燃烧速率主要由化学

反应速率决定。在汽油机中，预混燃烧是主要的燃烧方式。

1.2.4后燃烧阶段

后燃烧阶段，燃烧过程在主燃烧结束后继续进行，通常发生在燃烧室的边

缘区域，对内燃机的热效率和排放有重要影响。

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1.3燃烧仿真软件介绍

燃烧仿真软件是进行燃烧过程分析和优化的重要工具。市场上有多种燃烧

仿真软件，如Cantera、OpenFOAM、CONVERGE、STAR-CD等，它们各有特点，

适用于不同的燃烧仿真需求。

1.3.1Cantera

Cantera是一个开源的化学反应和燃烧仿真软件，它提供了丰富的化学反应

机理库，可以进行化学动力学计算和简单的流体动力学仿真。

1.3.2OpenFOAM

OpenFOAM是一个开源的CFD（计算流体动力学）软件，它可以进行复杂

的流体动力学和燃烧仿真，适用于内燃机、燃气轮机等复杂燃烧系统的仿真。

1.3.3CONVERGE

CONVERGE是一个商业的燃烧仿真软件，它使用自适