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燃烧仿真技术教程：燃烧数值模拟方法与反应流模型案例

研究

1燃烧仿真基础

1.1燃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。在燃烧仿真中，我们通常关注以

下几个关键原理：

化学反应动力学：描述燃料与氧化剂反应的速率和机制。例如，

甲烷与氧气的燃烧反应可以表示为：

CH+2O→CO+2HO

4222

这个过程受温度、压力和反应物浓度的影响。

热力学：研究燃烧过程中能量的转换和传递。热力学第一定律

（能量守恒）和第二定律（熵增原理）是分析燃烧效率和热力学平衡的

基础。

流体动力学：燃烧通常发生在流动的介质中，如空气或燃料喷射。

流体动力学方程，如连续性方程、动量方程和能量方程，用于描述燃烧

区域内的流体运动。

传热传质：在燃烧过程中，热量和质量的传递对于理解火焰的结

构和燃烧效率至关重要。传热传质方程用于模拟这些过程。

1.2燃烧仿真软件介绍

燃烧仿真软件是基于上述物理化学原理，利用数值方法来模拟燃烧过程的

工具。常见的燃烧仿真软件包括：

OpenFOAM：一个开源的CFD（计算流体动力学）软件包，提供

了丰富的物理模型和数值算法，适用于燃烧、传热、流体动力学等多种

应用。

ANSYSFluent：一个商业CFD软件，广泛用于工业燃烧仿真，包

括燃烧器设计、发动机燃烧分析等。

STAR-CCM+：另一个商业软件，特别适合于多物理场耦合的燃烧

仿真，如燃烧与流体动力学、传热的耦合。

这些软件通常包含网格生成、边界条件设置、物理模型选择、求解器配置、

后处理等功能，能够帮助工程师和科学家进行燃烧过程的详细分析和优化设计。

1

1.3网格划分与边界条件设置

1.3.1网格划分

网格划分是燃烧仿真中的关键步骤，它将计算域划分为一系列小的单元，

以便数值方法可以应用于每个单元。网格的质量直接影响到计算的准确性和效

率。网格可以是结构化的（如矩形网格）或非结构化的（如三角形或四面体网

格）。

1.3.1.1示例：使用OpenFOAM进行网格划分

#使用blockMesh生成结构化网格

blockMeshDict\

|

|//定义网格的边界

|boundary

|(

|inlet

|{

|typepatch;

|nFaces100;

|startFace0;

|}

|//其他边界定义

|...

|);

|

|//定义网格的大小和形状

|convertToMeters1;

|vertices

|(

|(000)

|(100)

|(110)

|(010)

|(001)

|(101)

|(111)

|(011)

|);

|

|//定义网格的块

2

|blocks

|(

|hex(01234567)(101010)simpleGrading(111)

|);

|

|//运行blockMesh生成网格

|blockMesh

1.3.2边界条件设置

边界条件是燃烧仿真中定义计算域边缘物理状态的规则，包括入口、出口、

壁面、对称面等。正确的边界条件对于模拟燃烧过程至关重要。

1.3.2.1示例：使用OpenFOAM设置边界条件

#设置入口边界条件

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueunifo