แบบจำลองการเผาไหม้สำหรับ CFDหมายถึงแบบจำลองการเผาไหม้สำหรับพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณการเผาไหม้ถูกนิยามว่าเป็นปฏิกิริยาเคมีที่เชื้อเพลิงทำปฏิกิริยากับสารออกซิไดซ์เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ พร้อมกับการปล่อยพลังงานในรูปของความร้อน การเผาไหม้เป็นส่วนสำคัญของงานวิศวกรรมต่างๆ เช่นเครื่องยนต์สันดาปภายในเครื่องยนต์อากาศยานเครื่องยนต์จรวดเตาเผาและห้องเผาไหม้ของโรงไฟฟ้าการเผาไหม้จึงปรากฏให้เห็นในขอบเขตที่กว้างขวางในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ การวิเคราะห์ และลักษณะการทำงานของงานต่างๆ ที่กล่าวมาข้างต้น^{[ 1 ]}ด้วยความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของจลนศาสตร์ทางเคมีและการสร้างสภาพแวดล้อมของส่วนผสมการไหลที่ทำปฏิกิริยา จำเป็นต้องรวมฟิสิกส์แบบจำลองที่เหมาะสมในระหว่าง การจำลอง พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD)ของการเผาไหม้ ดังนั้นการอภิปรายต่อไปนี้จึงนำเสนอโครงร่างทั่วไปของแบบจำลองต่างๆ ที่เหมาะสมซึ่งรวมอยู่ในรหัสพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณเพื่อจำลองกระบวนการเผาไหม้^{[ 2 ]}

การสร้างแบบจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณของการเผาไหม้จำเป็นต้องมีการเลือกและการนำแบบจำลองที่เหมาะสมมาใช้เพื่อแสดงปรากฏการณ์ทางกายภาพและเคมีที่ซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการเผาไหม้อย่างถูกต้อง แบบจำลองควรมีความสามารถเพียงพอที่จะให้ข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับความเข้มข้นของสปีชีส์ อัตราการสร้างหรือการทำลายปริมาตร และการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์ของระบบ เช่นเอนทาลปีอุณหภูมิ และความหนาแน่นของส่วนผสม แบบจำลองควรสามารถแก้สมการการขนส่งทั่วไปสำหรับการไหลของของไหลและการถ่ายเทความร้อน รวมถึงสมการเพิ่มเติมของเคมีการเผาไหม้และจลนศาสตร์ทางเคมีที่รวมเข้าไว้ด้วยตามสภาพแวดล้อมการจำลองที่ต้องการ^{[ 1 ]}

การพิจารณาหลักในกระบวนการเผาไหม้ทั่วไปใดๆ นั้นรวมถึงช่วงเวลาการผสมและช่วงเวลาการเกิดปฏิกิริยาที่ผ่านไปในกระบวนการ ประเภทของเปลวไฟและประเภทของการผสมของกระแสการไหลของส่วนประกอบต่างๆ ก็ต้องนำมาพิจารณาด้วยเช่นกัน นอกจากนั้น ในส่วนของความซับซ้อนทางจลนศาสตร์ของปฏิกิริยา ปฏิกิริยาจะดำเนินไปหลายขั้นตอน และสิ่งที่ปรากฏเป็นปฏิกิริยาเส้นเดียวที่เรียบง่ายนั้น แท้จริงแล้วจะเสร็จสมบูรณ์หลังจากปฏิกิริยาหลายขั้นตอน^{[ 1 ] [ 2 ]}นอกจากนี้ยังต้องแก้สมการการขนส่งสำหรับเศษส่วนมวลของทุกชนิด รวมถึงเอนทาลปีที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาด้วย ดังนั้น แม้แต่ปฏิกิริยาการเผาไหม้ที่ง่ายที่สุดก็เกี่ยวข้องกับการคำนวณที่ยุ่งยากและเข้มงวดมาก หากต้องพิจารณาขั้นตอนกลางทั้งหมดของกระบวนการเผาไหม้ สมการการขนส่งทั้งหมด และสมการการไหลทั้งหมดพร้อมกัน ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้จะมีผลอย่างมากต่อความเร็วและเวลาในการคำนวณของการจำลอง แต่ด้วยสมมติฐานการลดความซับซ้อนที่เหมาะสม การสร้างแบบจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณของปฏิกิริยาการเผาไหม้สามารถทำได้โดยไม่กระทบต่อความแม่นยำและการบรรจบกันของคำตอบอย่างมีนัยสำคัญ^{[ 2 ]}แบบจำลองพื้นฐานที่ใช้สำหรับเรื่องนี้จะกล่าวถึงในย่อหน้าต่อไปนี้

แบบจำลองนี้พิจารณาเฉพาะความเข้มข้นสุดท้ายของสปีชีส์และพิจารณาเฉพาะลักษณะโดยรวมของกระบวนการเผาไหม้ซึ่งปฏิกิริยาดำเนินไปอย่างรวดเร็วอย่างไม่มีที่สิ้นสุดเป็นกระบวนการขั้นตอนเดียวโดยไม่ต้องเน้นรายละเอียดจลนศาสตร์มากนัก^{[ 1 ]}

สันนิษฐานว่าสารตั้งต้นจะทำปฏิกิริยากันใน สัดส่วน ทางเคมีเชิงปริมาณ แบบจำลองยังอนุมานความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างเศษส่วนมวลของเชื้อเพลิง ตัวออกซิแดนต์ และเศษส่วนส่วนผสมตัวแปรไร้มิติ^{[ 2 ]}แบบจำลองยังคำนึงถึงสมมติฐานเพิ่มเติมที่ว่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายมวลของทุกชนิดเท่ากัน^{[ 3 ]}เนื่องจากสมมติฐานเพิ่มเติมนี้ แบบจำลองจึงแก้สมการเชิงอนุพันธ์ย่อย เพิ่มเติมเพียงสมการเดียว สำหรับเศษส่วนส่วนผสม และหลังจากแก้สมการการขนส่งสำหรับเศษส่วนส่วนผสมแล้ว จะคำนวณเศษส่วนมวลที่สอดคล้องกันสำหรับเชื้อเพลิงและตัวออกซิแดนต์

แบบจำลองนี้สามารถนำไปใช้กับสภาพแวดล้อมการเผาไหม้ที่ผลกระทบของการแพร่กระจายแบบลามินาร์มีบทบาทสำคัญ และการเผาไหม้ดำเนินไปโดยที่เชื้อเพลิงและสารออกซิแดนต์ที่ไม่ได้ผสมล่วงหน้าแพร่กระจายเข้าหากัน ทำให้เกิดเปลวไฟแบบลามินาร์^{[ 1 ]}

แบบจำลองนี้ใช้เมื่อต้องพิจารณาการผสมแบบปั่นป่วน ของส่วนประกอบต่างๆ มาตราส่วนเวลาปั่นป่วน k/Ɛ ใช้ในการคำนวณ อัตราการเกิดปฏิกิริยามีการเปรียบเทียบอัตราการกระจายตัวแบบปั่นป่วนของเชื้อเพลิง ออกซิแดนต์ และผลิตภัณฑ์ และเลือกค่าต่ำสุดในบรรดาค่าทั้งหมดเป็นอัตราการเกิดปฏิกิริยา สมการการขนส่งสำหรับเศษส่วนมวลของส่วนประกอบต่างๆ จะถูกแก้โดยใช้อัตราการเกิดปฏิกิริยานี้^{[ 1 ]}นอกจากนี้ยังมีการแก้สมการเอนทาลปีเฉลี่ย และคำนวณอุณหภูมิ ความหนาแน่น และความหนืดตามลำดับ แบบจำลองนี้ยังสามารถนำไปใช้ได้เมื่อต้องการจำลองปฏิกิริยาที่ควบคุมด้วยจลนศาสตร์ในอัตราจำกัด ในสถานการณ์เช่นนี้ ในขณะที่ตัดสินอัตราการเกิดปฏิกิริยา จะต้องพิจารณาการแสดงออกของอัตราจลนศาสตร์ของ Arrhenius ด้วย และเลือกอัตราการเกิดปฏิกิริยาเป็นค่าต่ำสุดในบรรดาอัตราการกระจายตัวแบบปั่นป่วนของส่วนประกอบทั้งหมดและการแสดงออกของอัตราจลนศาสตร์ของ Arrhenius ^{[ 2 ]}เนื่องจากการผสมแบบปั่นป่วนควบคุมลักษณะของแบบจำลองนี้ จึงมีข้อจำกัดในคุณภาพของการจำลองการเผาไหม้ขึ้นอยู่กับประเภทของแบบจำลองปั่นป่วนที่นำมาใช้เพื่อแสดงการไหล แบบจำลองยังสามารถปรับเปลี่ยนเพื่อพิจารณาการผสมของโครงสร้างละเอียดในระหว่างปฏิกิริยาปั่นป่วน การปรับเปลี่ยนแบบจำลองนี้ส่งผลให้เกิดแบบจำลองการกระจายตัวของกระแสน้ำวนซึ่งพิจารณาเศษส่วนมวลของโครงสร้างละเอียดในการคำนวณ^{[ 1 ]}

แบบจำลองนี้ประมาณเปลวไฟปั่นป่วนเป็นชุดของบริเวณเปลวไฟแบบลามินาร์ที่กระจุกตัวอยู่รอบ ๆ พื้นผิวสัดส่วนทางเคมีของส่วนผสมที่ทำปฏิกิริยา^{[ 1 ]}แบบจำลองนี้ใช้ประโยชน์จากข้อมูลการทดลองเพื่อกำหนดความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรที่พิจารณา เช่น เศษส่วนมวล อุณหภูมิ เป็นต้น ลักษณะและประเภทของการพึ่งพาของตัวแปรจะถูกทำนายผ่านข้อมูลการทดลองที่ได้รับระหว่าง การทดลอง เปลวไฟแบบแพร่กระจาย ลามินาร์ และความสัมพันธ์ของเปลวไฟแบบลามินาร์จะถูกอนุมานขึ้นจากข้อมูลดังกล่าว จากนั้นความสัมพันธ์เหล่านี้จะถูกนำมาใช้เพื่อแก้สมการการขนส่งสำหรับเศษส่วนมวลของชนิดและองค์ประกอบของส่วนผสม^{[ 2 ]}แบบจำลองนี้สามารถนำไปใช้ได้เป็นอย่างดีในสถานการณ์ที่ต้องคำนวณความเข้มข้นของชนิดย่อยในการเผาไหม้ เช่น การหาปริมาณการเกิดมลพิษ^{[ 1 ]}การปรับปรุงแบบจำลองอย่างง่ายส่งผลให้เกิดแบบจำลองมาตราส่วนเวลาของเปลวไฟ ซึ่งคำนึงถึงผลกระทบของจลนศาสตร์อัตราจำกัด แบบจำลองมาตราส่วนเวลาของเปลวไฟจะสร้างโซลูชันเปลวไฟแบบลามินาร์ที่คงที่เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปอย่างรวดเร็วมาก และจะจับผลกระทบของอัตราจำกัดเมื่อเคมีของปฏิกิริยามีบทบาทสำคัญ^{[ 4 ]}

แบบจำลองนี้คำนึงถึงวิธีการทางสถิติในการคำนวณตัวแปรต่างๆ เช่น เศษส่วนมวลของชนิด อุณหภูมิ และความหนาแน่น ในขณะที่องค์ประกอบของส่วนผสมจะถูกคำนวณที่กริด^{[ 2 ]}จากนั้นตัวแปรทั้งหมดเหล่านี้จะถูกคำนวณเป็นฟังก์ชันของเศษส่วนของส่วนผสมรอบฟังก์ชันการกระจายความน่า จะเป็นที่คาดการณ์ไว้ ^{[ 1 ] [ 5 ]}แบบจำลองนี้สามารถสร้างผลลัพธ์ที่น่าพอใจสำหรับการไหลแบบปั่นป่วนที่มีปฏิกิริยา โดยที่ผลกระทบของการพาความร้อนเนื่องจากส่วนประกอบความเร็วเฉลี่ยและผันผวนนั้นเด่นชัด^{[ 6 ]}แบบจำลองนี้สามารถขยายได้สำหรับเงื่อนไขอะเดียแบติกและไม่ใช่อะเดียแบติก

การปิดโมเมนต์แบบมีเงื่อนไข (CMC) เป็นแบบจำลองการเผาไหม้ขั้นสูง แนวคิดพื้นฐานคือการจำลองแหล่งกำเนิดทางเคมีโดยอาศัยค่าเฉลี่ยแบบมีเงื่อนไข แบบจำลองนี้ได้รับการแนะนำครั้งแรกสำหรับการไหลแบบไม่ผสมล่วงหน้า ดังนั้นเงื่อนไขจึงทำในเศษส่วนของส่วนผสม^{[ 7 ]}

ต่อไปนี้เป็นแบบจำลองอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องซึ่งใช้สำหรับการสร้างแบบจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณของการเผาไหม้

• แบบจำลองสมดุลทางเคมี
• โมเดลท่อร่วมที่สร้างขึ้นโดย Flamelet
• แบบจำลองความหนาแน่นพื้นผิวเปลวไฟ
• แบบจำลองการจำลองกระแสน้ำวนขนาดใหญ่

แบบจำลองสมดุลทางเคมีพิจารณาผลกระทบของปฏิกิริยาขั้นกลางระหว่างการเผาไหม้แบบปั่นป่วน^{[ 1 ]}ความเข้มข้นของสปีชีส์จะถูกคำนวณเมื่อปฏิกิริยาการเผาไหม้ถึงสภาวะสมดุล ความเข้มข้นของสปีชีส์จะถูกคำนวณเป็นฟังก์ชันของเศษส่วนของส่วนผสมโดยใช้โปรแกรมคำนวณสมดุลบางโปรแกรมที่มีอยู่เพื่อจุดประสงค์นี้ แบบจำลองการปิดแบบมีเงื่อนไขแก้สมการการขนส่งสำหรับส่วนประกอบเฉลี่ยของคุณสมบัติการไหลโดยไม่พิจารณาองค์ประกอบที่ผันผวนของส่วนผสมปฏิกิริยา^{[ 6 ]}

• รายชื่อซอฟต์แวร์พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ