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燃烧仿真.燃烧化学动力学：点火与熄火：燃烧化学反应网

络构建

1燃烧仿真基础

1.1燃烧过程简介

燃烧是一种复杂的化学反应过程，涉及到燃料与氧化剂（通常是空气中的

氧气）的快速氧化反应，产生热能和光能。在燃烧过程中，燃料分子被氧化剂

分子氧化，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

分为几个阶段：预热阶段、点火阶段、燃烧阶段和熄火阶段。其中，点火阶段

是燃烧过程的关键，它涉及到燃料与氧化剂混合物达到点火温度，引发化学反

应；熄火阶段则是燃烧过程的终止，通常由于燃料耗尽或温度降低到无法维持

燃烧的水平。

1.1.1点火与熄火的化学动力学

点火与熄火的化学动力学研究是燃烧科学的核心。点火过程涉及燃料与氧

化剂的初始混合，以及随后的化学反应速率，这些速率受温度、压力和反应物

浓度的影响。熄火则研究在何种条件下燃烧反应会停止，这同样受到温度、压

力和反应物浓度的影响，但还可能包括物理因素，如热损失和扩散效应。

1.2燃烧仿真软件介绍

燃烧仿真软件是基于化学动力学和流体力学原理，用于模拟燃烧过程的工

具。这些软件能够预测燃烧反应的速率、火焰的传播、燃烧产物的生成以及燃

烧过程中的能量释放。常见的燃烧仿真软件包括：

Cantera：一个开源的化学反应工程软件，用于模拟化学动力学和

热力学过程。

CHEMKIN：一个商业软件，用于解决化学动力学和能量平衡问题。

OpenFOAM：一个开源的计算流体动力学（CFD）软件，可以模拟

包括燃烧在内的多种流体动力学现象。

1.2.1Cantera示例：构建燃烧化学反应网络

#导入Cantera库

importcanteraasct

#创建气体对象，使用GRI-Mech3.0机制

gas=ct.Solution(gri30.xml)

1

#设置初始条件

gas.TPX=300,ct.one_atm,CH4:1,O2:2,N2:7.56

#创建反应器对象

r=ct.IdealGasReactor(gas)

#创建反应器网络

sim=ct.ReactorNet([r])

#设置时间步长和模拟时间

time_step=1e-6

end_time=0.001

#进行时间推进

fortinrange(0,int(end_time/time_step)):

sim.advance(t*time_step)

print(t*time_step,r.T,r.thermo.P,r.thermo.X)

上述代码示例展示了如何使用Cantera库构建一个简单的燃烧化学反应网

络。首先，我们导入Cantera库并创建一个气体对象，使用GRI-Mech3.0机制，

这是一种广泛用于模拟甲烷燃烧的化学反应机制。然后，我们设置气体的初始

温度、压力和组成，创建一个理想气体反应器对象，并将其添加到反应器网络

中。最后，我们通过时间推进来模拟燃烧过程，记录每个时间点的温度、压力

和组分变化。

1.3网格划分与边界条件设置

在燃烧仿真中，网格划分和边界条件设置是关键步骤。网格划分决定了模

拟区域的几何形状和大小，以及计算的精度。边界条件则定义了模拟区域与外

部环境的交互，如温度、压力和流体速度的设定。

1.3.1网格划分

网格划分通常使用专门的网格生成软件，如Gmsh、TetGen或ANSYSICEM。

网格可以是结构化的（如矩形网格）或非结构化的（如三角形或四面体网格）。

在燃烧仿真中，网格需要足够精细以捕捉火焰前缘的细节，但同时也要考虑到

计算效率。

1.3.2边界条件设置

边界条件可以是：

Dirichlet边界条件：指定边界上的温度或压力值。

Neumann边界条件：指定边界上的热流或压力梯度。

混合边界条件：结合Dirichlet和Neumann边界条件。

2

周期性边界条件：在边界之间建立周期性关系，适用于模拟无限

长的燃烧过程。

1.3.3OpenFOAM示例：设置边界条件