1. 燃烧与传热仿真工程概述

燃烧与传热是能源动力、航空航天、冶金化工、汽车发动机、锅炉与工业炉等领域的核心物理过程。燃烧本质上是燃料与氧化剂在高温下发生剧烈放热化学反应，同时伴随组分生成与消耗、密度变化、流动加速和辐射换热；传热则包含导热、对流与辐射三种基本机制，在燃烧系统中三者往往同时存在、相互耦合。理解这两类过程的物理本质，是使用 Fluent 开展仿真工作的前提。

1.1 燃烧与传热的基本概念

燃烧过程可用三个关键要素描述：燃料、氧化剂与点火能量。工程上常以当量比 φ 表征混合状态，φ=1 表示化学恰当比，φ<1 为贫燃，φ>1 为富燃。以甲烷为例，其完全燃烧反应为 CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O，每千克甲烷理论需氧约 4 kg，对应空气约 17.2 kg。实际燃烧中还会生成 CO、NOx、未燃碳氢等中间产物，因此仿真不仅要预测温度，还要预测组分浓度场。

传热方面，导热由傅里叶定律描述，对流由牛顿冷却定律描述，辐射则遵循斯特藩-玻尔兹曼定律，热流密度与温度四次方成正比。在高温燃烧设备中，辐射常占总换热量的 40%～80%，因此不能忽略。燃烧与传热的耦合体现在：反应放热改变温度场，温度场又通过密度、黏度和辐射影响流动与换热，形成强非线性耦合系统。

1.2 Fluent 在燃烧传热仿真中的定位

Ansys Fluent 是基于有限体积法的通用 CFD 软件，在燃烧传热仿真中承担“数值实验平台”的角色。它能够求解质量、动量、能量和组分守恒方程，并提供多种燃烧模型：组分输运模型、非预混 PDF 模型、部分预混模型、预混燃烧模型以及详细化学反应模型。传热方面支持共轭传热、离散坐标辐射模型、表面辐射模型等。

Fluent 的定位不是替代实验，而是通过合理简化与网格离散，在可接受的计算成本内给出温度、速度、组分和热流分布，用于方案筛选、参数优化和故障诊断。其典型工作流包括几何处理、网格划分、物理模型选择、边界条件设定、求解控制、收敛判断和后处理。

1.3 典型工业应用场景

燃烧传热仿真在工业中应用广泛。在锅炉与工业炉中，重点分析炉膛温度分布、火焰形状、壁面热流与 NOx 生成；在燃气轮机燃烧室中，关注回火、吹熄、出口温度不均匀度和热声振荡；在汽车发动机中，研究缸内喷雾燃烧、壁面传热与排放；在冶金与玻璃熔窑中，则侧重高温辐射换热与物料加热均匀性。

这些场景的共同特点是：几何复杂、温度跨度大、化学反应与湍流强耦合、辐射不可忽略。因此，仿真中需要根据对象特点选择合适模型。例如，锅炉炉膛常采用非预混 PDF 模型配合离散坐标辐射模型；发动机缸内燃烧则可能采用详细化学反应与喷雾模型。

1.4 课程项目介绍

本课程以一个典型工业燃烧器为贯穿项目，逐步完成从几何处理到结果分析的完整流程。项目对象为轴对称燃气燃烧器，燃料为甲烷，空气为氧化剂，当量比设定为 0.8，入口空气温度 300 K，燃料温度 300 K，炉膛壁面温度 800 K，操作压力 1 atm。几何包含燃料喷嘴、空气旋流器和圆柱形炉膛，炉膛直径 0.5 m，长度 1.2 m。

项目将依次完成：几何创建与网格划分、湍流模型选择、燃烧模型设置、辐射模型设置、边界条件设定、求解初始化与收敛控制、温度与组分场后处理、NOx 预测与结果验证。通过该项目，学员能够掌握 Fluent 燃烧传热仿真的核心操作与判断依据。