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燃烧仿真.燃烧仿真前沿:燃烧污染物控制新技术:低NOx
燃烧技术仿真研究
1燃烧仿真基础
1.1燃烧理论与化学反应机理
1.1.1原理
燃烧是一种化学反应过程,其中燃料与氧气反应,产生热能和光能。在燃
烧过程中,化学反应机理起着核心作用,它描述了燃料分子如何分解、与氧气
结合,以及生成各种燃烧产物的详细步骤。化学反应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和活化能。
1.1.2内容
在燃烧仿真中,理解化学反应机理至关重要,因为它直接影响燃烧效率和
污染物生成。例如,NOx(氮氧化物)的生成主要通过热力NOx和燃料NOx两
种途径。热力NOx在高温下由空气中的氮和氧形成,而燃料NOx则直接来源于
燃料中的氮化合物。
1.1.2.1示例
考虑一个简单的燃烧反应机理,如甲烷(CH4)与氧气(O2)的燃烧:
1.CH4+2O2→CO2+2H2O
2.N2+O2→2NO(生成NOx的反应)
在仿真软件中,这些反应通常以反应速率方程的形式输入,例如:
#定义反应速率方程
defreaction_rate(T,P,species_concentration):
计算给定温度、压力和物种浓度下的反应速率。
参数:
T(float):温度,单位为K。
P(float):压力,单位为Pa。
species_concentration(dict):物种浓度字典,键为物种名称,值为浓度。
返回:
float:反应速率。
1
#甲烷与氧气的反应速率
A=1.4e13#频率因子
Ea=62.6#活化能,单位为kJ/mol
R=8.314#气体常数,单位为J/(mol*K)
k=A*np.exp(-Ea/(R*T))*species_concentration[CH4]*species_concentration[O2]**2
#NOx生成反应速率
A_NOx=1.5e10
Ea_NOx=90.0
k_NOx=A_NOx*np.exp(-Ea_NOx/(R*T))*species_concentration[N2]*species_concentra
tion[O2]
returnk,k_NOx
1.2燃烧仿真软件介绍与选择
1.2.1内容
选择燃烧仿真软件时,应考虑软件的适用范围、计算精度、用户友好性以
及是否支持特定的燃烧模型和化学反应机理。常见的燃烧仿真软件包括:
OpenFOAM:一个开源的CFD(计算流体动力学)软件包,支持
复杂的燃烧模型和化学反应机理。
STAR-CCM+:商业软件,用户界面友好,适用于工业燃烧应用。
Cantera:专注于化学反应动力学和燃烧的开源软件,适用于详细
化学机理的仿真。
1.2.1.1示例
使用OpenFOAM进行燃烧仿真时,需要定义燃烧模型和化学反应机理。以
下是一个简单的OpenFOAM燃烧仿真设置示例:
#在OpenFOAM中设置燃烧模型和化学反应机理
#1.选择燃烧模型
#在system/fvSolution中设置
#燃烧模型可以是:simpleCombustion,thermoCombustion,或turbulentCombustion
#2.定义化学反应机理
#在constant/chemistryProperties中设置
#例如,使用GRI-Mech3.0机理
#3.配置边界条件
#在constant/polyMesh/boundary中设置
#例如,设置入口边界为velocityInlet,出口边界为pressureOutlet
2
#4.运行仿真
#在终端中输入以下命令
#foamJobsimpleFoam
1.3网格划分与边界条件设置
1.3.1原理
网格划分是将仿真区域划分为多个小单元,以便进行数值计算。边界条件
则定义了仿真区域边缘的物理状态,如温度、压力或流速。正
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