燃烧仿真技术教程：燃烧与可再生能源在工业设计中的应用.pdf

燃烧仿真技术教程：燃烧与可再生能源在工业设计中的应

用

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，其中燃料与氧气反应，产生热能和光能。在工

业设计中，理解燃烧的物理和化学原理对于优化燃烧设备、减少排放和提高能

源效率至关重要。燃烧理论涵盖了燃烧的类型（如扩散燃烧、预混燃烧）、燃烧

的条件（如温度、压力、氧气浓度）、以及燃烧过程中的化学动力学和流体力学。

1.1.1燃烧类型

扩散燃烧：燃料和氧气在燃烧前是分开的，燃烧发生在它们混合

的界面。

预混燃烧：燃料和氧气在燃烧前已经混合，燃烧速度由化学反应

速率决定。

1.1.2燃烧条件

温度：提高温度可以加速燃烧反应。

压力：高压环境可以促进燃烧的完全性。

氧气浓度：氧气是燃烧的氧化剂，其浓度直接影响燃烧效率。

1.1.3化学动力学

燃烧过程中的化学反应速率受反应物浓度、温度和催化剂的影响。化学动

力学模型用于描述这些反应速率，是燃烧仿真中的关键部分。

1.1.4流体力学

燃烧通常伴随着气体流动，流体力学分析帮助理解燃烧过程中的混合和扩

散，以及燃烧产物的分布。

1.2燃烧仿真软件介绍

燃烧仿真软件是基于计算机的工具，用于模拟和预测燃烧过程。这些软件

通常集成了化学动力学、流体力学和热力学模型，能够处理复杂的燃烧场景。

常见的燃烧仿真软件包括：

ANSYSFluent

1

STAR-CCM+

OpenFOAM

这些软件提供了用户友好的界面，允许用户定义燃烧条件、选择燃料类型、

设置网格和边界条件，以及运行仿真和分析结果。

1.3燃烧仿真基本流程

燃烧仿真的基本流程包括以下几个步骤：

1.定义燃烧场景：包括燃料类型、燃烧器设计、环境条件等。

2.建立几何模型：使用CAD软件创建燃烧设备的三维模型。

3.网格划分：将几何模型划分为小的计算单元，以便进行数值计算。

4.设置边界条件：定义入口、出口、壁面等的条件，如速度、温度、

压力和燃料浓度。

5.选择模型和方程：根据燃烧类型选择合适的化学反应模型和流体

动力学方程。

6.运行仿真：使用燃烧仿真软件进行计算，得到燃烧过程的动态和

静态结果。

7.后处理和分析：可视化仿真结果，分析燃烧效率、排放和热分布

等关键指标。

1.3.1示例：使用OpenFOAM进行燃烧仿真

#1.定义燃烧场景

#假设我们正在模拟一个预混燃烧过程，使用氢气作为燃料。

#2.建立几何模型

#使用OpenFOAM自带的blockMesh工具生成网格。

$blockMesh-caseyour_case_directory

#3.网格划分

#blockMeshDict文件定义了网格的大小和形状。

#4.设置边界条件

#在constant/polyMesh文件夹中，编辑boundary文件以设置边界条件。

#5.选择模型和方程

#在constant文件夹中，编辑thermophysicalProperties文件以选择燃烧模型。

thermophysicalProperties

{

thermodynamics

{

thermoType

{

typehePsiThermo;

2

mixturemixture;

transportconst;

thermohConst;

equationOfStateperfectGas;

speciespecie;

energysensibleInternalEnergy;

}

mixture

{

ty