燃烧仿真技术教程：内燃机燃烧应用案例与基础理论.pdf

燃烧仿真技术教程：内燃机燃烧应用案例与基础理论

1燃烧基础理论

1.1热力学与燃烧学基本概念

热力学是研究能量转换和物质状态变化的科学，而燃烧学则是热力学的一

个重要应用领域，专注于研究燃料与氧化剂在一定条件下反应释放能量的过程。

在内燃机燃烧中，热力学与燃烧学的基本概念包括：

熵（Entropy）:衡量系统无序度的物理量，燃烧过程中熵的增加

体现了能量的不可逆转换。

焓（Enthalpy）:系统的内能与压力体积乘积的总和，焓变是评估

燃烧反应能量释放的关键指标。

吉布斯自由能（GibbsFreeEnergy）:描述系统在恒温恒压条件下

进行化学反应的可用能量，其减少是化学反应自发进行的标志。

化学平衡（ChemicalEquilibrium）:燃烧反应达到平衡状态时，正

向反应速率等于逆向反应速率，此时系统处于稳定状态。

1.2燃烧反应机理

燃烧反应机理描述了燃料与氧化剂反应的详细步骤，包括初级反应、中间

反应和最终产物的形成。以甲烷（CH4）燃烧为例，其主要反应机理如下：

1.初级反应:甲烷与氧气的直接反应生成中间产物，如自由基。

CH4+2O2-CO2+2H2O

2.中间反应:自由基参与的链式反应，促进燃烧的持续进行。

CH3+O2-CH3O+O

CH3O+O2-CH2O+OH

3.最终产物形成:燃烧完全后，生成二氧化碳和水。

CO+0.5O2-CO2

H+0.5O2-H2O

1.3燃烧热力学分析

燃烧热力学分析是通过热力学原理来评估燃烧反应的热效应和化学平衡状

态。例如，计算甲烷燃烧的焓变（ΔH）和熵变（ΔS）：

importcanteraasct

#创建甲烷和氧气的混合物

gas=ct.Solution(gri30.xml)

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

1

#计算反应前后的焓变和熵变

initial_enthalpy=gas.enthalpy_mass

initial_entropy=gas.entropy_mass

#设置反应器并进行燃烧

r=ct.IdealGasConstPressureReactor(gas)

sim=ct.ReactorNet([r])

time=0.0

states=ct.SolutionArray(gas,extra=[t])

whiletime0.001:

sim.advance(time)

states.append(r.thermo.state,t=time)

time+=1e-6

final_enthalpy=states.enthalpy_mass[-1]

final_entropy=states.entropy_mass[-1]

#计算焓变和熵变

delta_H=final_enthalpy-initial_enthalpy

delta_S=final_entropy-initial_entropy

print(f焓变（ΔH）:{delta_H}J/kg)

print(f熵变（ΔS）:{delta_S}J/kg·K)

上述代码使用Cantera库模拟了甲烷燃烧过程，并计算了焓变和熵变，展

示了燃烧热力学分析的计算方法。

1.4燃烧动力学模型

燃烧动力学模型用于描述燃烧反应速率和过程，是内燃机仿真中的核心部

分。动力学模型通常包括反应速率常数、活化能和反应级数等参数。例如，

Arrhenius方程是描述化学反应速率的经典模型：

=xp−