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燃烧仿真技术教程：燃烧数值模拟方法与化学反应动力学

原理

1燃烧仿真概述

1.1燃烧仿真的重要性

燃烧仿真在工程设计、安全评估和科学研究中扮演着至关重要的角色。它

能够帮助我们理解燃烧过程中的复杂现象，如火焰传播、污染物生成、热释放

率等，而这些现象在实际操作中往往难以直接观测。通过数值模拟，工程师和

科学家可以在虚拟环境中测试不同的燃烧条件，优化燃烧设备的设计，减少实

验成本，提高安全性。

1.2燃烧仿真的基本流程

燃烧仿真的基本流程包括以下几个关键步骤：

1.物理模型建立：首先，需要根据燃烧设备的几何结构和物理特性

建立一个数学模型。这包括定义边界条件、初始条件以及流体动力学和

热力学方程。

2.化学反应模型选择：选择合适的化学反应模型是燃烧仿真中的重

要环节。模型需要描述燃料和氧化剂之间的化学反应，包括反应速率、

产物生成等。

3.数值方法应用：使用数值方法求解上述建立的物理和化学模型。

常见的数值方法包括有限差分法、有限体积法和有限元法。

4.软件实现：将数学模型和数值方法通过编程实现，通常使用专业

的燃烧仿真软件，如OpenFOAM、ANSYSFluent或Cantera。

5.结果分析与验证：分析仿真结果，验证模型的准确性和可靠性。

这通常涉及与实验数据的对比分析。

1.3燃烧数值模拟的软件介绍

1.3.1OpenFOAM

OpenFOAM是一个开源的CFD（计算流体动力学）软件包，广泛用于燃烧

仿真。它提供了丰富的物理模型和数值方法，支持复杂的化学反应网络。

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示例：使用OpenFOAM进行简单燃烧仿真

#下载并安装OpenFOAM

wget/download/openfoam-8.tgz

tar-xzfopenfoam-8.tgz

cdopenfoam-8

./Allwmake

#创建燃烧仿真案例

cd$FOAM_RUN/tutorials/combustion/chemReactingFoam/1DHomogeneous

foamCloneCase1DHomogeneous

#修改化学反应模型

cdconstant/chemistry

cp-r../../../chemistry/chemReactingFoam/1DHomogeneous/chemistry/chem1Step.

#chem1Step是一个简单的化学反应模型

#运行仿真

chemReactingFoam

#查看结果

foamLog/T

foamLog/Y

在上述示例中，我们首先下载并安装了OpenFOAM，然后创建了一个简单

的燃烧仿真案例。通过修改化学反应模型，我们可以模拟不同的燃烧条件。最

后，运行chemReactingFoam命令进行仿真，并通过查看foamLog/T和

foamLog/Y文件来分析温度和组分浓度的变化。

1.3.2ANSYSFluent

ANSYSFluent是业界领先的CFD软件，特别适用于工业应用中的燃烧仿真。

它提供了直观的用户界面和强大的后处理功能。

示例：使用ANSYSFluent进行燃烧仿真

在ANSYSFluent中进行燃烧仿真通常涉及以下步骤：

1.导入几何模型：使用CAD软件创建燃烧设备的几何模型，并导入

Fluent中。

2.网格划分：在Fluent中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.设置物理模型：选择合适的湍流模型、燃烧模型和辐射模型。

4.边界条件设置：定义入口、出口和壁面的边界条件。

5.运行仿真：设置求解器参数，如时间步长、迭代次数等，然后运

行仿真。

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6.结果分析：使用Fluent的后处理功能分析仿真结果，如温度分布、

组分浓度等。

1.3.3Cantera

Cantera是一个用于化