燃烧仿真.燃烧器设计与优化：燃烧器数值模拟：燃烧器热力学计算技术教程.pdfVIP

燃烧仿真.燃烧器设计与优化：燃烧器数值模拟：燃烧器热

力学计算技术教程

1燃烧基础理论

1.1热力学第一定律与第二定律

热力学第一定律，也称为能量守恒定律，表明在一个系统中，能量既不能

被创造也不能被消灭，只能从一种形式转换为另一种形式，或者从一个系统转

移到另一个系统。在燃烧过程中，燃料的化学能转换为热能，这一转换过程遵

循能量守恒的原则。

热力学第二定律则描述了能量转换的方向性和效率。它指出，在一个孤立

系统中，熵（一种衡量系统无序度的物理量）总是倾向于增加。在燃烧过程中，

熵的增加意味着能量转换过程中存在不可逆损失，即一部分能量会以热的形式

散失到环境中，无法完全转换为有用的工作。

1.1.1示例：计算燃烧反应的熵变

假设我们有如下燃烧反应：

CH+2O→CO+2HO

4222

我们可以使用热力学数据来计算反应前后的熵变。

#热力学数据（单位：J/(mol·K)）

S_CH4=186.27

S_O2=205.14

S_CO2=213.79

S_H2O=188.83

#反应物和生成物的摩尔数

n_CH4=1

n_O2=2

n_CO2=1

n_H2O=2

#计算熵变

delta_S=(n_CO2*S_CO2+n_H2O*S_H2O)-(n_CH4*S_CH4+n_O2*S_O2)

print(f反应的熵变：{delta_S}J/(mol·K))

1.2燃烧化学反应动力学

燃烧化学反应动力学研究的是化学反应速率以及影响这些速率的因素，如

1

温度、压力和反应物浓度。在燃烧过程中，化学反应速率的快慢直接影响燃烧

效率和产物组成。

1.2.1Arrhenius公式

Arrhenius公式是描述化学反应速率与温度关系的基本公式：

=xp−

其中，是反应速率常数，是指前因子，是活化能，是理想气体常数，

是绝对温度。

1.2.2示例：使用Arrhenius公式计算反应速率常数

假设一个燃烧反应的活化能为100kJ/mol，指前因子为10^13s^-1，在

1000K下计算反应速率常数。

importmath

#Arrhenius公式参数

A=1e13#指前因子，单位：s^-1

Ea=100e3#活化能，单位：J/mol

R=8.314#理想气体常数，单位：J/(mol·K)

T=1000#温度，单位：K

#计算反应速率常数

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

print(f反应速率常数：{k:.2e}s^-1)

1.3燃烧过程中的传热与传质

燃烧过程中的传热和传质是相互关联的。传热描述了热量如何在燃烧系统

中分布，而传质则关注反应物和产物的扩散和混合。在燃烧器设计中，理解这

些过程对于提高燃烧效率和减少污染物排放至关重要。

1.3.1传热方程

传热可以通过导热、对流和辐射三种方式发生。其中，对流传热在燃烧过

程中尤为重要，可以通过牛顿冷却定律来描述：

=ℎ−

∞

ℎ

其中，传热速率，是对流传热系数，是传热面积，是表面温度，