燃烧仿真技术教程：燃烧化学反应与辐射传热计算.pdf

燃烧仿真技术教程：燃烧化学反应与辐射传热计算

1燃烧基础理论

1.1燃烧化学反应概述

燃烧是一种化学反应，通常涉及燃料和氧气的快速氧化，产生热能和光能。

在燃烧过程中，燃料分子与氧气分子反应，生成二氧化碳、水蒸气和其他产物，

同时释放能量。燃烧反应的速率和效率受到多种因素的影响，包括燃料的类型、

氧气的浓度、温度、压力以及反应物的混合程度。

1.1.1燃烧反应方程式

以甲烷（CH4）燃烧为例，其化学反应方程式为：

CH4+2O2-CO2+2H2O+热能

1.1.2燃烧反应类型

燃烧反应可以分为以下几种类型：-均相燃烧：反应物在相同的相态下进

行反应，如气体燃烧。-非均相燃烧：反应物在不同的相态下进行反应，如固

体燃料在空气中燃烧。

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。它涉及到反应物如何转化为

产物，以及这一转化过程中的速率控制步骤。

1.2.1阿伦尼乌斯方程

阿伦尼乌斯方程是描述化学反应速率与温度关系的基本方程，形式为：

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

其中，k是反应速率常数，A是频率因子，Ea是活化能，R是理想气体常数，

T是绝对温度。

1.2.2详细机理模型

详细机理模型描述了燃烧反应的每一个步骤，包括初级反应、次级反应以

及中间产物的形成和消耗。这些模型通常非常复杂，需要大量的计算资源。

1

1.2.2.1示例：甲烷燃烧的详细机理模型

CH4+O2-CH3+HO2

CH3+O2-CH2O+OH

CH2O+O2-CO2+H2O

...

1.3燃烧过程中的能量转换

燃烧过程中的能量转换主要涉及化学能转化为热能和光能。这一转换过程

是燃烧反应的核心，决定了燃烧的效率和产物的性质。

1.3.1热力学第一定律

热力学第一定律，即能量守恒定律，指出在一个系统中，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。在燃烧过程中，燃料的

化学能转换为系统的热能和周围环境的热能。

1.3.2热力学第二定律

热力学第二定律描述了能量转换的方向和效率，指出在能量转换过程中，

总熵（无序度）会增加。这意味着燃烧反应释放的热能不可能完全转换为有用

的工作，总有一部分会以热的形式散失到环境中。

1.3.3燃烧热

燃烧热是单位质量燃料完全燃烧时释放的热量。它是衡量燃料燃烧效率的

重要指标。例如，甲烷的燃烧热约为890kJ/mol。

1.4燃烧仿真中的能量转换计算

在燃烧仿真中，能量转换的计算是通过求解能量守恒方程和化学反应动力

学方程来实现的。这通常涉及到数值方法，如有限差分法或有限元法。

1.4.1示例：使用Python进行燃烧热计算

假设我们想要计算甲烷在标准条件下（298K，1atm）的燃烧热。我们可以

使用Python的thermo库来实现这一计算。

importthermo

#定义反应物和产物

CH4=thermo.Chemical(methane)

O2=thermo.Chemical(oxygen)

2

CO2=thermo.Chemical(carbondioxide)

H2O=thermo.Chemical(water)

#计算燃烧热

delta_H=(CO2.Hf+2*H2O.Hf)-(CH4.Hf+2*O2.Hf)

print(f甲烷的燃烧热为：{delta_H}kJ/mol)

1.4.2解释

在上述代码中，我们首先导入了thermo库，然后定义了甲烷、氧气、二氧

化碳和水蒸气的化学对象。通过这些对象的热力学属性（如标准生成焓Hf），

我们可以计算出甲烷燃烧的焓变delta_H，即燃烧热。

请注意，实际的燃烧仿真计算会更加复杂，涉及到多组分、多相态的化学

反应网络，以及流体动力学、传热学和传质学的综合模拟。上述示例仅用于说

明基本原理。

1.5结论

燃烧基础理论涵盖了燃烧化学反应的概述、动力学以及能量转换过程。通

过理解和应用这些理论，我们可以更准确地模拟和预测燃烧过程，这对于提高

燃烧效率、减少污染物排放以及开发新型燃烧技术具有重要意义。

2燃烧仿真中的辐射传