燃烧仿真.燃烧仿真前沿：燃烧污染物控制新技术：燃烧仿真的基础理论与应用.pdfVIP

燃烧仿真.燃烧仿真前沿：燃烧污染物控制新技术：燃烧仿

真的基础理论与应用

1燃烧仿真基础理论

1.1燃烧化学反应机理

1.1.1原理

燃烧化学反应机理是燃烧仿真中的核心部分，它描述了燃料与氧化剂在高

温下反应生成产物的详细过程。这些机理通常包括一系列基元反应，每个反应

都有其特定的反应速率常数和活化能。机理的准确性和复杂性直接影响燃烧模

拟的精度和计算效率。

1.1.2内容

燃烧化学反应机理可以分为几个主要部分：燃料的裂解、氧化反应、中间

产物的生成和消耗、以及最终产物的形成。例如，对于甲烷（CH4）的燃烧，

其主要反应机理包括：

1.甲烷裂解：CH4→C+2H2

2.氧化反应：C+O2→CO2，H2+O2→H2O

3.中间产物反应：CO+O2→CO2，H+O2→OH

4.最终产物形成：CO2，H2O

1.1.3示例

在实际的燃烧仿真中，使用化学反应机理需要通过数值方法求解反应速率

方程。以下是一个使用Python和Cantera库来模拟甲烷燃烧的简单示例：

importcanteraasct

#设置气体状态

gas=ct.Solution(gri30.xml)#gri30.xml是包含GRI3.0机理的文件

gas.TPX=1300,101325,CH4:1,O2:2,N2:7.56

#创建反应器对象

r=ct.IdealGasReactor(gas)

#创建模拟器

sim=ct.ReactorNet([r])

1

#模拟时间步长和结果存储

times=[]

temperatures=[]

foriinrange(100):

sim.advance(i*0.001)

times.append(sim.time)

temperatures.append(r.T)

#输出结果

print(Time(s),Temperature(K))

fort,Tinzip(times,temperatures):

print(f{t:.3f},{T:.1f})

此代码使用Cantera库加载了GRI3.0机理，这是一个描述甲烷燃烧的详细

化学反应机理。然后，它设置了一个理想气体反应器，模拟了甲烷在氧气和氮

气混合物中的燃烧过程，并记录了反应器的温度随时间的变化。

1.2燃烧动力学模型

1.2.1原理

燃烧动力学模型用于描述燃烧过程中化学反应速率与温度、压力和反应物

浓度之间的关系。这些模型可以是经验的，基于实验数据拟合；也可以是理论

的，基于化学反应机理和动力学理论。

1.2.2内容

常见的燃烧动力学模型包括Arrhenius定律、三体碰撞模型和链式反应模型。

Arrhenius定律是最基本的模型，它假设反应速率与反应物浓度的幂次方和温度

的指数函数成正比。

1.2.3示例

使用Arrhenius定律来描述一个简单的燃烧反应，如H2和O2生成水的反

应：

importnumpyasnp

#Arrhenius参数

A=1.9e6#频率因子

Ea=41.84e3#活化能，单位J/mol

R=8.314#气体常数，单位J/(mol*K)

#温度范围

T=np.linspace(500,2000,100)

2

#计算反应速率常数

k=A*np.exp(-Ea/(R*T))

#输出结果

print(Temperature(K),ReactionRateConstant(1/s))

fort,ktinzip(T,k):

print(f{t:.1f},{kt:.3e})

此代码示例展示了如何使用Arrhenius定律计算不同温度下的反应速率常数。

通过改变温度范围和Arrhenius参数，可以模拟不同的燃烧反应。

1.3燃烧流体力学基础

1.3.1原理

燃烧流体力学基础涉及燃烧过程中气体流动的描述，包括速度场、压力场

和温度场的演变。流体力学方程，如Navier-Stokes方程和能量方程，是模拟燃