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燃烧仿真.燃烧数值模拟方法：大涡模拟（LES）：燃烧数值

模拟方法概论

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。燃烧的基本原理可以分为以下几

个方面：

化学反应：燃烧通常是由燃料与氧气的化学反应引起的，生成二

氧化碳、水蒸气等产物，并释放出大量的热能。例如，甲烷（CH4）与

氧气（O2）的燃烧反应可以表示为：

+2→+2热量

4222

热力学：燃烧过程中，化学能转化为热能，导致温度升高。热力

学定律用于描述这些能量转换的规律。

流体动力学：燃烧通常发生在流动的介质中，如空气或燃料气体。

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

过程中的流体运动。

传热与传质：在燃烧过程中，热量和质量的传递对于火焰的稳定

性和燃烧效率至关重要。传热和传质方程用于描述这些过程。

1.2燃烧模型的分类与选择

燃烧模型是用于数值模拟燃烧过程的数学描述。根据模型的复杂性和应用

范围，燃烧模型可以分为以下几类：

层流燃烧模型：适用于没有湍流影响的燃烧过程，如小尺度燃烧

实验。这类模型通常基于化学反应动力学和热力学原理。

湍流燃烧模型：考虑到湍流对燃烧过程的影响，适用于大多数实

际燃烧情况，如发动机燃烧。湍流燃烧模型可以进一步分为：

o均质湍流燃烧模型：适用于均质混合物的燃烧，如汽油发

动机。

o非均质湍流燃烧模型：适用于非均质混合物的燃烧，如煤

粉燃烧。

大涡模拟（LES）：是一种高级的湍流燃烧模型，它通过直接模拟

大尺度涡流，而将小尺度涡流的影响通过亚网格模型来考虑，适用于高

精度的燃烧仿真。

选择燃烧模型时，需要考虑燃烧系统的特性、仿真精度要求以及计算资源

的限制。

1

1.3燃烧仿真软件介绍与应用

燃烧仿真软件是基于燃烧模型和数值方法的工具，用于预测和分析燃烧过

程。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

了多种燃烧模型和数值方法，适用于各种燃烧仿真。

STAR-CCM+：一个商业CFD软件，具有强大的图形用户界面和多

种燃烧模型，广泛应用于工业燃烧仿真。

ANSYSFluent：另一个商业CFD软件，提供了丰富的燃烧模型和

后处理工具，适用于从层流到湍流的各种燃烧仿真。

1.3.1示例：使用OpenFOAM进行燃烧仿真

1.3.1.1数据样例

假设我们有一个简单的甲烷燃烧仿真案例，需要定义燃料和氧化剂的物理

化学属性。

#燃料属性

fuelProperties

{

speciesCH4;

transportlaminar;

thermodynamicsidealGas;

equationOfStaterhoConst;

energyTypesensibleInternalEnergy;

diffusionModelFickian;

diffusionCoeffs

{

D_CH41.5e-5;

};

thermophysicalData

{

Cp44.4;

Hf74.87e3;

S285.27;

Tref298.15;

Pref101325;

};

}

#氧化剂属性

oxidizerProperties

{

2

species