燃烧仿真与实验技术：燃烧噪声测量及高速摄影可视化教程.pdfVIP

燃烧仿真与实验技术：燃烧噪声测量及高速摄影可视化教

程

1燃烧基础理论

1.1燃烧过程简介

燃烧是一种化学反应过程，通常涉及燃料和氧气的快速氧化反应，产生热

能和光能。这一过程在日常生活中常见，如火柴点燃、汽车引擎工作等。燃烧

过程可以分为几个关键阶段：

1.燃料的预热和蒸发：在固体或液体燃料燃烧前，需要先加热至其

蒸发点，形成可燃蒸汽。

2.燃料与氧气的混合：可燃蒸汽与空气中的氧气混合，达到燃烧所

需的浓度范围。

3.点火：当混合物达到一定温度时，通过点火源（如火花）引发燃

烧反应。

4.燃烧反应：燃料与氧气发生化学反应，释放能量，生成二氧化碳、

水蒸气等产物。

5.火焰传播：燃烧反应在燃料和氧气的混合物中传播，形成火焰。

1.2燃烧反应动力学

燃烧反应动力学研究燃烧反应的速率和机制。它涉及化学反应速率方程、

反应路径和中间产物的分析。在燃烧过程中，反应速率受多种因素影响，包括

温度、压力、燃料和氧化剂的浓度以及催化剂的存在。

1.2.1速率方程示例

速率方程是描述化学反应速率与反应物浓度之间关系的数学表达式。对于

一个简单的燃烧反应，如甲烷（CH4）与氧气（O2）的反应，其速率方程可以

表示为：

#假设反应速率与甲烷和氧气的浓度成正比

#r=k*[CH4]*[O2]

其中，是反应速率，是速率常数，和分别是甲烷和氧气的浓度

#rk[CH4][O2]

importnumpyasnp

defreaction_rate(k,CH4_concentration,O2_concentration):

计算燃烧反应速率

1

:paramk:速率常数

:paramCH4_concentration:甲烷浓度

:paramO2_concentration:氧气浓度

:return:反应速率

returnk*CH4_concentration*O2_concentration

#示例数据

k=0.01#假设的速率常数

CH4_concentration=0.1#甲烷浓度，单位为mol/L

O2_concentration=0.2#氧气浓度，单位为mol/L

#计算反应速率

rate=reaction_rate(k,CH4_concentration,O2_concentration)

print(f反应速率为：{rate}mol/L·s)

1.3燃烧噪声产生机理

燃烧噪声是燃烧过程中产生的声音，主要由燃烧的不稳定性引起。这种不

稳定性可以是燃料燃烧速率的波动、火焰位置的变化或燃烧产物的脉动。燃烧

噪声的产生机理复杂，涉及流体动力学、热力学和声学等多个学科。

1.3.1燃烧波动与声学耦合

在燃烧过程中，燃料的不均匀燃烧会导致压力波动，这些波动通过空气传

播，形成声波，即燃烧噪声。这种现象可以通过分析燃烧室内的压力波动与声

学场之间的相互作用来理解。

声学方程示例

声学方程描述了声波在介质中的传播。在燃烧噪声分析中，声学方程可以

用来模拟声波的产生和传播。以下是一个简化的一维声学方程示例：

importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#参数设置

c=343#声速，单位为m/s

rho0=1.225#空气密度，单位为kg/m^3

L=1#燃烧室长度，单位为m

N=1000#网格点数

dx=L/(N-1)#空间步长

dt=dx/c#时间步长

t_max=1#模拟时间，单位为s

T=np.arange(0,t_max,dt)#时间向量

2

#初始化压力和速度

p=np.zeros(N)

u=np.zeros(N)

#边界条件

p[0]=1#燃烧室入口压力为1atm

p[-1]=1#燃烧室出口压力为1atm

#