燃烧仿真.燃烧化学动力学：点火与熄火：燃烧仿真前沿技术与研究.pdfVIP

燃烧仿真.燃烧化学动力学：点火与熄火：燃烧仿真前沿技

术与研究

1燃烧基础理论

1.1燃烧的定义与分类

燃烧是一种化学反应过程，通常涉及燃料与氧气的快速氧化反应，产生热

能和光能。在燃烧过程中，燃料分子与氧气分子反应，生成二氧化碳、水蒸气

等产物，同时释放出大量的能量。燃烧可以分为以下几类：

均相燃烧：燃料和氧化剂在分子水平上完全混合，如气体燃烧。

非均相燃烧：燃料和氧化剂在不同相态下反应，如液体燃料或固

体燃料的燃烧。

扩散燃烧：燃料和氧化剂通过扩散混合，然后燃烧。

预混燃烧：燃料和氧化剂在燃烧前已经完全混合。

1.2燃烧化学反应机理

燃烧化学反应机理描述了燃烧过程中化学反应的详细步骤。这些机理通常

包括燃料的裂解、氧化剂的分解、燃料与氧化剂的反应以及中间产物的进一步

反应。例如，甲烷（CH4）在氧气（O2）中的燃烧可以简化为以下反应：

CH4+2O2-CO2+2H2O

但实际上，这个过程涉及多个步骤，包括自由基的生成和传递。燃烧化学

反应机理的复杂性取决于燃料的类型和燃烧条件。

1.2.1示例：甲烷燃烧机理的简化模型

在燃烧仿真中，可以使用化学反应机理来模拟燃烧过程。下面是一个简化

版的甲烷燃烧机理，使用Cantera库进行模拟：

importcanteraasct

创建甲烷空气混合物

#/

gas=ct.Solution(gri30.yaml)

gas.TPX=300,ct.one_atm,CH4:1,O2:2,N2:7.52

#创建一维燃烧器

flame=ct.FreeFlame(gas)

flame.set_refine_criteria(ratio=3,slope=0.1,curve=0.1)

#求解燃烧器

1

flame.solve(loglevel=1,auto=True)

#输出结果

print(flame)

在这个例子中，我们使用了GRI3.0机理，这是一个包含近50种物种和

300多个反应的详细机理，用于模拟甲烷在空气中的燃烧。

1.3点火与熄火的基本概念

点火和熄火是燃烧过程中的两个关键阶段。点火是指燃烧反应开始的瞬间，

通常需要一定的能量输入，如热源或电火花，以启动化学反应。熄火则是指燃

烧反应停止的瞬间，可能由于温度降低、燃料耗尽或氧化剂不足等原因。

1.3.1点火

点火过程可以分为热点火和化学点火。热点火是通过外部热源将燃料加热

到其自燃点，从而引发燃烧。化学点火则是通过化学反应产生的热量来引发燃

烧，通常发生在预混燃烧中。

1.3.2熄火

熄火可以由多种因素引起，包括温度降低、燃料耗尽、氧化剂不足或物理

障碍（如火焰传播到燃料的边界）。在燃烧仿真中，熄火的模拟通常涉及到反应

速率的降低和温度的下降。

1.3.3示例：点火延迟时间的计算

使用Cantera库，我们可以计算预混气体的点火延迟时间。下面是一个计

算甲烷/空气混合物点火延迟时间的示例：

importcanteraasct

#创建预混气体

gas=ct.Solution(gri30.yaml)

gas.TPX=300,ct.one_atm,CH4:1,O2:2,N2:7.52

#创建反应器

r=ct.IdealGasReactor(gas)

sim=ct.ReactorNet([r])

#计算点火延迟时间

t=0.0

whilegas.T500:

t=sim.step()

ift1.0:

2

break

print(点火延迟时间：,t,秒)

在这个例子中，我们创建了一个预混气体反应器，并使用ReactorNet来模

拟反应器的动态。通过检查气体温度的变化，我们可以确定点火延迟时间，即

气体温度从300K上升到500K所需的时间。

通过以上内容，我们深入了解了燃烧的基础理论，包括燃烧的定义与分类、

燃烧化学反应机理以及点火与熄火的基本概念。这些理论是燃烧仿真和研究的

基石，对于理解和控制燃烧过程至关重要。

2燃烧仿真技术概览