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燃烧仿真.燃烧数值模拟方法：喷雾燃烧模型：喷雾燃烧导

论

1喷雾燃烧基础理论

1.1喷雾燃烧的物理化学过程

喷雾燃烧是一种复杂的多相燃烧过程，涉及到液滴的蒸发、液滴与气体的

相互作用、化学反应以及热量和质量的传递。这一过程可以分为以下几个阶段：

1.液滴破碎：喷雾开始时，液体燃料被喷嘴雾化成细小的液滴，这

些液滴在高速喷射过程中可能进一步破碎成更小的液滴。

2.液滴蒸发：液滴在与周围热气体接触时开始蒸发，蒸发速率取决

于液滴的大小、燃料的性质、周围气体的温度和压力。

3.混合与扩散：蒸发的燃料与空气混合，形成可燃混合物。这一阶

段涉及到燃料蒸汽与空气的扩散和混合，是燃烧效率的关键。

4.化学反应：当可燃混合物达到一定条件时，化学反应开始，燃料

与氧气反应生成二氧化碳、水蒸气等产物，同时释放大量热量。

5.火焰传播：化学反应产生的热量进一步促进周围混合物的燃烧，

形成火焰传播过程。

6.燃烧产物的冷却与排放：燃烧后的产物通过冷却和排放，完成整

个燃烧循环。

1.2喷雾燃烧模型的发展历史

喷雾燃烧模型的发展可以追溯到20世纪初，随着内燃机和喷气发动机的广

泛应用，对喷雾燃烧过程的理解和模拟变得日益重要。早期的模型主要关注液

滴的蒸发和燃烧，如：

Ranz-Marshall模型：这是最早用于描述液滴蒸发的模型之一，基

于对流传热理论，考虑了液滴表面的温度和周围气体的温度差。

KIVA模型：KIVA（KernelofIntegratedVehicleandEngine）模型是

美国LosAlamos国家实验室开发的一系列多相燃烧模型，它能够模拟液

滴的破碎、蒸发和燃烧过程，是目前应用最广泛的喷雾燃烧模型之一。

随着计算流体力学(CFD)的发展，喷雾燃烧模型也经历了从一维、二维到三

维的演变，模型的复杂性和准确性不断提高。例如，欧拉-拉格朗日模型将液滴

视为离散的拉格朗日粒子，而气体相则用欧拉方法描述，这种模型能够更准确

地模拟多相流的相互作用。

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1.2.1示例：使用OpenFOAM进行喷雾燃烧模拟

#下载并安装OpenFOAM

wget/download/openfoam-7.tgz

tar-xzfopenfoam-7.tgz

cdopenfoam-7

./Allwmake

#创建喷雾燃烧案例

cd$FOAM_RUN/tutorials/multiphaseInterFoam

cp-rsprayEvaporation/*sprayEvaporationTutorial

#配置案例参数

cdsprayEvaporationTutorial

visystem/fvSolution

viconstant/thermophysicalProperties

#运行模拟

multiphaseInterFoam

#查看结果

paraFoam

在上述示例中，我们使用OpenFOAM这一流行的CFD软件包来设置和运行

一个喷雾燃烧的模拟案例。首先，下载并安装OpenFOAM，然后复制一个预设

的喷雾燃烧案例，并对其进行配置。最后，运行模拟并使用ParaView查看结果。

1.2.2数据样例

在喷雾燃烧模型中，液滴的大小分布是一个关键参数。以下是一个液滴大

小分布的数据样例：

Diameter(μm),NumberofDroplets

10,100

20,200

30,300

40,250

50,150

这个数据样例展示了不同直径的液滴数量，对于模拟液滴的破碎和蒸发过

程至关重要。在实际的模型中，这些数据会被用于初始化液滴的大小分布，从

而影响燃烧的速率和效率。

以上内容详细介绍了喷雾燃烧的基础理论，包括其物理化学过程和模型的

发展历史，并通过一个使用OpenFOAM进行喷雾燃烧模拟的示例，展示了如何

在实际中应用这些理论。此外，还提供了一个液滴大小分布的数据样例，以说

明在模型中如何处理此类参数。