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燃烧仿真技术教程：燃烧与材料科学在环境保护中的应用

1燃烧仿真基础

1.1燃烧理论概述

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，我们通常采用化

学动力学模型来描述燃烧反应，流体动力学模型来模拟气体流动，以及传热传

质模型来分析热量和物质的传递。

1.1.1化学动力学模型

化学动力学模型描述了燃烧反应的速率和机制。一个简单的燃烧反应可以

表示为：

燃料+氧气→二氧化碳+水+热量

在实际的燃烧仿真中，反应可能涉及数十种甚至上百种化学物质，形成复

杂的反应网络。例如，甲烷燃烧的化学反应网络可以包含甲烷、氧气、二氧化

碳、水、一氧化碳等多种物质。

1.1.2流体动力学模型

流体动力学模型用于模拟燃烧过程中气体的流动。这通常涉及到求解纳维-

斯托克斯方程，该方程描述了流体的运动。在燃烧仿真中，我们还需要考虑反

应生成的热量对流体流动的影响，这通常通过能量方程来实现。

1.1.3传热传质模型

传热传质模型分析燃烧过程中热量和物质的传递。这包括对流、辐射和传

导三种传热方式，以及物质的扩散和对流传递。在燃烧仿真中，准确的传热传

质模型对于预测燃烧效率和污染物排放至关重要。

1.2燃烧仿真软件介绍

燃烧仿真软件是基于上述理论模型，利用数值方法求解燃烧过程的工具。

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，广泛

用于燃烧、传热、流体流动等领域的仿真。

STAR-CCM+：一个商业CFD软件，提供高度集成的燃烧仿真功能，

适用于复杂工程问题。

ANSYSFluent：另一个商业CFD软件，拥有强大的燃烧模型和后

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处理功能。

这些软件通常提供图形用户界面，便于用户设置仿真参数，如网格划分、

边界条件、初始条件等，并能够输出详细的仿真结果，包括温度、压力、浓度

分布等。

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，它将连续的物理空间离散化为一系列

有限的单元，以便于数值计算。网格的质量直接影响到仿真的准确性和计算效

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工具生成结构化网格

blockMeshDict\

mesh

#查看网格质量

checkMesh

在blockMeshDict文件中，可以定义网格的大小、形状和分布。例如：

convertToMeters1;

vertices

(

(000)

(100)

(110)

(010)

(000.1)

(100.1)

(110.1)

(010.1)

);

blocks

(

hex(01234567)(10101)simpleGrading(111)

);

edges

2

(

);

boundary

(

inlet

{

typepatch;

faces

(

(3267)

);

}

...

);

1.3.2边界条件设置

边界条件定义了仿真域的边缘上物理量的值或变化率，对于燃烧仿真而言，

边界条件的设置直接影响到燃烧过程的模拟。常见的边界条件包括：

速度：通常在入口设置为给定的速度值。

压力：在出口或开放边界设置为大气压力或给定的压力值。

温度：在壁面或热源附近设置为给定的温度值。

浓度：在燃料或氧化剂的入口设置为给定的浓度值。

1.3.2.1示例：使用OpenFOAM设置边界条件

在OpenFOAM中，边界条件通常在0目录下的相应