cantera里面求解层流火焰速度的方程

实验二-层流火焰传播速度的测定实验实验二层流火焰传播速度的测定实验一、预备知识1、火焰传播和化学反应燃烧发生了一系列化学反应，在这些反应中，燃料在一些自由基例如O、OH、H碰撞下发生反应，产生更多的H或者是分解成更小的碎片。

例如，CH4被连续地转化成CH3，CH2，CH。

最初形成的各种氧化的中间产物与燃料中的碳结合而首先变为CO，并且燃料中的氢基变为H2，所有的中间产物将接着进一步氧化，再一次通过自由基的作用，而变为CO2和H2O。

总热量的一大部分释放都是发生在第二阶段。

这个次序使燃烧具有自持性，且只能够发生在高温下（如1500K以上）。

因为只有在高温下，才能是自由基产生的速率比消耗的速率快，而这对燃料完全变形以及中间产物的氧化是有必要的。

当点燃预混燃料时，局部温度将提高到一个非常高的值，提高了反应速率，从而也引起燃料的燃烧，并且释放出热量。

通过热传导把热量引导到了未燃的相邻区域，相邻区域的温度以及反应率都提高了，因此燃烧就在那里发生了。

我们知道，热量的扩散是火焰传播的原因，燃烧波传播的速度取决于燃烧后的温度以及未燃混合物的热扩散性。

为了把高温区域的自由基传递到与之接触的低温的未燃混合物中，质量扩散也是很重要的；通常质量和热扩散率是相同的。

在本实验中，未燃混合物的压力和温度与环境大气一致。

火焰传播速度只依赖于混合物中的燃料/氧化剂的数量，它们反过来又控制着火焰的温度。

贫油(Φ<1)和富油(Φ>1)的火焰温度比化学恰当比(Φ=1)时更低因为偏离化学恰当比时多余的物质吸收了由可燃燃料燃烧所产生的热量。

实际上，温度最大值出现在当量比比1稍大一些的地方，因为产物的比热容比化学恰当比时稍低。

如果混合物过贫，燃气温度将太低，而不能产生大量的自由基，因此火焰传播变得不可能。

如果混合物过富，大量的燃料将吸收自由基，因此使燃烧第二阶段不能进行。

因此，火焰传播只在某个当量比范围内才有可能，这被称为可燃极限。

三维圆管流动状况的数值模拟分析在工程和生活中，圆管内的流动是最常见也是最简单的一种流动，圆管流动有层流和紊流两种流动状况。

层流，即液体质点作有序的线状运动，彼此互不混掺的流动；紊流，即液体质点流动的轨迹极为紊乱，质点相互掺混、碰撞的流动。

雷诺数是判别流体流动状态的准则数。

本研究用CFD 软件来模拟研究三维圆管的层流和紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。

1 物理模型三维圆管长2000mm l =，直径100mm d =。

流体介质：水，其运动粘度系数62110m /s ν-=⨯。

Inlet ：流速入口，10.005m /s υ=，20.1m /s υ= Outlet ：压强出口Wall ：光滑壁面，无滑移2 在ICEM CFD 中建立模型2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry2.2 做Blocking因为截面为圆形，故需做“O ”型网格。

2.3 划分网格mesh注意检查网格质量。

在未加密的情况下，网格质量不是很好，如下图因管流存在边界层，故需对边界进行加密，网格质量有所提升，如下图2.4 生成非结构化网格，输出fluent.msh等相关文件3 数值模拟原理3.1 层流流动当水流以流速10.005m /s υ=，从Inlet 方向流入圆管，可计算出雷诺数500υdRe ν==，故圆管内流动为层流。

假设水的粘性为常数（运动粘度系数62110m /s ν-=⨯）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下：①质量守恒方程：()()()0u v w t x y zρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂ (1-1)②动量守恒方程：()()()()()()()u uu uv uw u u u pt x y z x x y y z z x ρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-2)()()()()()()()v vu vv vw v v v pt x y z x x y y z z y ρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-3)()()()()()()()w wu wv ww w w w p t x y z x x y y z z zρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-4)式中，ρ为密度，u 、ν、w 是流速矢量在x 、y 和z 方向的分量，p 为流体微元体上的压强。

层流预混火焰传播速度的测定实验成员：徐俊卿 郑仁春 韩超一、实验的理论基础许多工业设备都应用预混气燃烧作为热和能量的生成方式。

如火花点火发动机（汽油机），煤气炉内的燃烧，灾害性的火灾和爆炸都涉及到预混气的燃烧和火焰传播问题。

研究预混气燃烧的最重要参数是层流火焰传播速度。

火焰速度是预混气的基本特性，是研究火焰稳定性以及湍流预混气燃烧的基础。

层流火焰速度定义为给定可燃预混气的一维平面预混火焰在没有热损失时相对于未燃气的移动速度。

用S 0表示。

该定义给出的火焰速度是预混气的单一的固有特性，而与外界流动条件无关，在某些精心设计的实验设备，如相向流火焰设备上，采用激光多普勒速度仪，可以精确测定S 0。

普通的预混火焰设备很难完成满足上述定义中的所有条件。

如采用本生灯测定火焰速度，由于火焰面呈锥形，不是一维火焰，顶端和底部火焰有弯曲。

不可避免地有热损失。

因此测到的是被测点当地的火焰速度或称局部火焰速度，用S 表示。

S 除与可燃预混气的气/油比有关外，还受热损失，火焰拉伸等动力学因素影响。

用其它的实验方法，如平面火焰法，火焰推进法，肥皂泡法，球弹法和圆管法都是只能测定局部火焰速度。

层流火焰理论指出，预混火焰的稳定位置总是位于预混气在火焰面的法向速度分量与火焰速度（总与火焰面垂直）大小相等，方向相反的地方。

当这两个速度不相等时，火焰面就要移动，而扩散火焰总是驻定在燃料与氧化剂为化学计量值的位置上。

在这一位置，燃料与氧化剂混合最均匀，反应率最快。

偏离这一位置，不可能组织起燃烧，扩散火焰没有火焰传播速度的概念，这是预混火焰和扩散火焰最主要的区别之一。

二、实验原理实验采用本生灯测定（局部）火焰传播速度，实验设备与实验二相同。

设计良好的本生灯火焰呈锥形，除顶端和底部火焰弯曲外，中间有较长一段的平直火焰，假定预混气速度沿出口截面分布均匀，火焰前沿各处的气流法向速度相等，把驻定在管口的火焰面简化为正锥形，如图3-1所示。

实验二层流火焰传播速度的测定实验一、预备知识1、火焰传播和化学反应燃烧发生了一系列化学反应，在这些反应中，燃料在一些自由基例如O、OH、H碰撞下发生反应，产生更多的H或者是分解成更小的碎片。

例如，CH4被连续地转化成CH3，CH2，CH。

最初形成的各种氧化的中间产物与燃料中的碳结合而首先变为CO，并且燃料中的氢基变为H2，所有的中间产物将接着进一步氧化，再一次通过自由基的作用，而变为CO2和H2O。

总热量的一大部分释放都是发生在第二阶段。

这个次序使燃烧具有自持性，且只能够发生在高温下（如1500K 以上）。

因为只有在高温下，才能是自由基产生的速率比消耗的速率快，而这对燃料完全变形以及中间产物的氧化是有必要的。

当点燃预混燃料时，局部温度将提高到一个非常高的值，提高了反应速率，从而也引起燃料的燃烧，并且释放出热量。

通过热传导把热量引导到了未燃的相邻区域，相邻区域的温度以及反应率都提高了，因此燃烧就在那里发生了。

我们知道，热量的扩散是火焰传播的原因，燃烧波传播的速度取决于燃烧后的温度以及未燃混合物的热扩散性。

为了把高温区域的自由基传递到与之接触的低温的未燃混合物中，质量扩散也是很重要的；通常质量和热扩散率是相同的。

在本实验中，未燃混合物的压力和温度与环境大气一致。

火焰传播速度只依赖于混合物中的燃料/氧化剂的数量，它们反过来又控制着火焰的温度。

贫油(Φ<1)和富油(Φ>1)的火焰温度比化学恰当比(Φ=1)时更低因为偏离化学恰当比时多余的物质吸收了由可燃燃料燃烧所产生的热量。

实际上，温度最大值出现在当量比比1稍大一些的地方，因为产物的比热容比化学恰当比时稍低。

如果混合物过贫，燃气温度将太低，而不能产生大量的自由基，因此火焰传播变得不可能。

如果混合物过富，大量的燃料将吸收自由基，因此使燃烧第二阶段不能进行。

因此，火焰传播只在某个当量比范围内才有可能，这被称为可燃极限。

对于甲烷—空气混合物，其贫燃极限是Φ=0.53，其富燃极限是Φ=1.6。

碳酸二甲酯层流火焰特性的实验和数值研究于会宾;胡二江;杨柯;黄佐华【摘要】在定容燃烧弹上,利用高速纹影摄像系统对碳酸二甲酯(DMC)的预混层流燃烧特性进行了研究,获得了不同温度、压力和当量比下的层流燃烧速度、马克斯坦长度和胞状结构的临界半径,同时对火焰不稳定性进行了理论分析.研究表明:层流燃烧速度随当量比的增加先提高后下降,在当量比为1.1时达到峰值;层流燃烧速度随初始温度的升高而提高,随初始压力的增加而降低;马克斯坦长度、临界火焰半径随当量比和压力的增加而减小,表明火焰不稳定性随初始压力和当量比的增加而增强;临界贝克来数Pe随当量比的增加而减小.利用Chemkin软件对预混层流燃烧速度进行了数值模拟,结果显示,Glaude机理对DMC层流燃烧速度的模拟值与实验测量值有较大偏差,表明该机理不能很好地预测DMC的层流燃烧速度.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2014(048)011【总页数】7页(P25-31)【关键词】碳酸二甲酯;层流燃烧速度;马克斯坦长度;火焰不稳定性【作者】于会宾;胡二江;杨柯;黄佐华【作者单位】西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TK16全球能源的紧缺、环境污染的加剧和排放法规的日益严格使清洁代用燃料的研究获得了越来越多的关注。

对柴油机而言,NOx和颗粒物是主要的排放污染物,其中颗粒物排放近年来越来越受到重视。

许多学者致力于提高柴油机的性能和降低柴油机的排放,然而同时降低颗粒物和NOx排放是十分困难的。

研究表明,含氧燃料的添加可以显著降低颗粒物排放,同时在一定程度上降低NOx排放[1-3]。

碳酸二甲酯(DMC)具有含氧量较高(占总质量53.3%)、与柴油互溶性好等优点,因此可成为良好的柴油添加剂。

cantera 扩散系数计算
Cantera是一个开源的化学动力学模拟软件包，它可以用于模拟和计算化学反应、燃烧、扩散等。

在Cantera中，可以使用不同的方法来计算扩散系数，其中最常用的方法包括经验公式、分子动力学模拟和基于统计力学的方法。

一种常见的计算扩散系数的方法是使用经验公式，这些公式通常基于实验数据和理论推导，可以根据物质的性质和温度来计算扩散系数。

另一种方法是使用分子动力学模拟，通过模拟分子在介质中的运动来计算扩散系数。

这种方法通常需要大量的计算资源和时间，但可以提供更为准确的结果。

此外，基于统计力学的方法也可以用于计算扩散系数，它基于分子之间的相互作用和运动规律来推导扩散系数的表达式。

在Cantera中，可以使用这些方法中的一种或多种来计算扩散系数，具体取决于所研究系统的性质和所需的精度。

用户可以根据自己的需求选择合适的方法，并利用Cantera提供的丰富功能进行计算和模拟。

总之，Cantera可以通过多种方法来计算扩散系数，包括经验
公式、分子动力学模拟和基于统计力学的方法。

用户可以根据具体情况选择合适的方法进行计算，并利用Cantera提供的功能进行模拟和分析。

School of Aerospace EngineeringLaminar Flame SpeedJerry SeitzmanMethane Flame0.050.10.150.20.10.2Distance (cm)CH4H2OHCO x 1000TemperatureSchool of Aerospace EngineeringLaminar Flame SpeedPreviously demonstrated there are no restrictions regarding the existence of weak deflagrations Goal–determine wave speed for weak deflagrations –called laminar flame speed Requires additional physics beyond control volume analysis of change across wave/flame–physics come from flame structure–flame has finite width, O(mm) for HC, STPSchool of Aerospace EngineeringPlane Laminar Flame StructureExamine structure of 1d laminar flameunburnedp1,T1,ρ1,YY reactantfinite gradientsimportance of diffusionpreheat zone (mm)School of Aerospace EngineeringHistorical Solution ApproachesThermal theories–first (?) theoretical analysis dates toChaltellier(Ann. Mines–flame propagation controlled by heat conductionback to unburned gases–Semenov theory (NACA Tech. Memo No. 12, 1951)•by Zeldovich and Frank-Kamenetskii, ~•included diffusion of species (but not radicals)•approach similar to activation energy asymptoticsSchool of Aerospace EngineeringHistorical Solution ApproachesMass diffusion theories–flame propagation controlled by diffusion of species between reactants and reaction zone–Lewis and von Elbe –Tanford and Pease •assumed diffusion of radicals most important in flame propagationComprehensive theories–inclusion of both thermal and mass diffusion •differential diffusion, –use of complete chemical mechanisms (e.g., Chemkin)School of Aerospace EngineeringConservation Equations1D version of transport/conservation equations–now use differential forms to include diffusion –steadyMass Momentum ()dxu d ρd ()0,⇒≈dx dp dx uu d ρfor M 1<<1laminar flames nearlyconstant pressureSchool of Aerospace EngineeringConservation EquationsPG Eq. State Above equations essentially same as Rayleigh-Hugoniot–now add diffusion effectsSpecies Energydx dY m&′′ =′′p dx d dx dT c m&School of Aerospace EngineeringShvab Energy/Species–for simplicity, use Shvab-Zeldovich formsi Y m dx d &′′ −′′sens h m dx d &School of Aerospace EngineeringSingle For analytic simplicity, further reduce for single-step chemical reaction–species net production rate becomes–heat releaseDimensionless parametersh refii o T i f ,,∆∑ω&i i ii Yννη′−′′≡written in terms of mass,e.g., 2 kg fuel +1 kg School of Aerospace EngineeringShvab -With dimensionless parameters and assumption can combine (1) and (2)–single 2nd order equationBoundary conditions2nd order ODE with 4 boundary conditions–mass flux and flame thickness become eigenvalues()unburnedx ηη=−∞=0=∞−dxd ηmρ=′′&School of Aerospace EngineeringFlame Speed ModelDevelop approximate model for flame speed using simple kinetics, Shvab-Zeldovich (simplification Reaction rate–use Arrhenius form, converted to mass fractions (and in mass units)–problem: exponential dependence on T ⇒no analytic solutionRR =School of Aerospace EngineeringFlame ZonesCan find solution if we divide flame into two distinct regions–similar to thermal theory and (high) activationenergy asymptotics preheat zoneδphT 1diffusion onlySchool of Aerospace EngineeringFlame SpeedApproach–solve energy equation (equiv. to species if each region–assume average, constant –match at interface (pL dx dT c S 1ρSchool of Aerospace EngineeringFlame SpeedPreheat zone–energy equation with –use boundary conds. at –evaluate at interfacec S L ρ1S 1ρdx dT λSchool of Aerospace EngineeringFlame SpeedReaction zone–for high activation energy reaction, –energy eq.becomesdxdTdx T d >>22dT dx dT ∫∞i dx dT λidx dT λ0 gradient at ∞School of Aerospace EngineeringFlame SpeedMatch the 2 solutions at interface()=−11i p L T T c S ρ()−=1111i p L T T c S ρ(112T c h c S p p L ∆=ρρλ()p T T c m 12−=−School of Aerospace EngineeringFlame SpeedCombineFlame speed is modeled by–diffusive transport reaction zone into unburned gases •prepares them to start reacting–chemical kinetics production)•source of energy/species diffusing into unburned gas S L =1RR s ))。

收稿日期:2003-07-14;　修订日期:2003-11-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(59576019)作者简介:董智广(1973-),男,河北隆尧人,河北工程学院硕士.文章编号:1001-2060(2004)03-0274-04大加速度场中层流扩散火焰流场的数值计算董智广1,吴晋湘2,董智慧3,刘志凯2(1.河北工程学院城市建设系,河北　邯郸　056038;21河北工业大学热能动力系,天津　300130;31邯郸市规划设计院,河北　邯郸　056002)摘　要:通过对大加速度场中层流燃烧室流场的数值计算,建立了大加速度场中二维层流燃烧的数学模型,对控制方程组进行离散,采用SI MP LE算法和交错网格设计并调试程序。

在调试成功的程序上对甲烷和空气在大加速度场中的扩散燃烧过程进行了数值模拟。

计算结果表明,沿燃烧室轴线方向的均匀大加速度场会对扩散火焰的速度场和温度场等产生明显影响。

一方面使得燃料与空气的扩散混合过程得到强化,扩散火焰的形状变短变粗,火焰面温度升高,因而能够提高其燃烧速度;另一方面,由于浮力作用驱动高温气流的流动方向与燃料射流的方向相反,将形成一种不稳定的流场结构,并同时诱发燃烧过程的不稳定。

关键词:大加速度场;燃烧;数值模拟中图分类号O643.21 文献标识码:A1　引　言在地面发生的燃烧过程总是处于数值为1g的重力场中,由于燃烧火焰内部的温度梯度,使体积力的作用产生浮力效应,这种效应会对燃烧过程及火焰面形状产生影响。

当前,有关重力和微重力条件下的燃烧过程及机理的研究,已成为研究体积力下的燃烧过程的热点[1～2],而对大于1g的体积力作用下的燃烧过程的研究却很少。

过去的燃烧理论研究中,往往把重力等体积力忽略掉,但在有些实际过程中,大于1g的大加速度场所产生的体积力可能会对燃烧过程产生较大的影响[3～4]。

所以开展大加速度场中燃烧过程的分析,应具有同样重要的意义。

然而,以前对于大加速度场中燃烧过程的研究报道却并不多见。

探索燃烧的奥秘：从化学反应到计算诊断的深度之旅在现代科技的驱动下，燃烧过程的模拟与分析已成为能源转换和推进技术设计中不可或缺的一环。

本文将深入探讨燃烧领域中一个关键的进展——基于OpenFOAM和Cantera的新型反应流求解器的开发与应用。

这一进展不仅在理论上具有创新性，而且在实际应用中展现出了巨大的潜力。

燃烧模拟的革新随着对清洁和高效能源转换技术的不断追求，燃烧过程的高精度模拟变得越来越重要。

这些技术中的燃烧过程涉及复杂的多组分混合物，因此，能够模拟物理和化学过程的稳健反应流求解器变得至关重要。

在这样的背景下，OpenFOAM（OF）和Cantera的结合为燃烧模拟带来了新的生命力。

求解器的构建与优化新型反应流求解器的开发，基于对原有OF化学模型的修正和优化，解决了处理压力依赖反应的缺陷。

通过与Cantera的耦合，求解器能够利用Cantera强大的化学机制读取能力、化学反应速率计算、常微分方程（ODE）求解器以及物种传输属性处理能力。

此外，求解器还实现了两种传输模型，包括混合物平均模型和恒定Lewis数模型，进一步提升了模拟的准确性和效率。

计算诊断方法的引入为了更好地理解和分析燃烧模式和复杂化学反应，本文还引入了两种先进的计算诊断方法：保守的化学爆炸模式分析（CCEMA）和全局路径分析（GPA）。

这些方法的应用，使得从模拟数据中提取火焰结构、燃烧模式和控制全局反应路径成为可能。

实际应用与案例分析通过一系列的自燃测试、完美搅拌反应器、一维非拉伸层流预混火焰、二维逆流层流扩散火焰和三维湍流部分预混火焰（Sandia Flame D）的测试，验证了新求解器的性能。

结果表明，良好的平衡属性对于分裂方案准确捕捉点火和熄火事件至关重要。

此外，CCEMA 和GPA方法的实施，为大规模模拟中燃烧模式和复杂化学反应的理解提供了新的视角。

总结本文的探讨不仅展示了新型反应流求解器的开发和应用，还强调了计算诊断方法在燃烧模拟中的重要性。

O_2/H_2O条件下CO/H_2的层流火焰特性及化学动力学化石燃料的燃烧带来了严重的环境问题,开发高效零排放燃烧技术迫在眉睫,纯氧燃烧技术是目前最具潜力的清洁燃烧技术之一。

为了实现能源的高效低碳转化,本文提出煤基燃料氧水蒸气燃烧零排放发电技术,即原煤经过气化或脱灰处理得到合成气或超净煤,采用纯氧燃烧,在燃烧室中逐级喷入循环水形成高温、高压、高水蒸气浓度和高氧浓度的燃烧环境。

产生的高温高压的CO₂/H₂O混合工质（H₂O约占90%）推动多级先进透平做功,排气冷凝为水和高浓度的CO₂,实现CO₂低成本捕集。

本文基于煤基燃料氧水蒸气燃烧的概念,研究了O₂/H₂O气氛下CO/H₂的层流火焰特性和详细化学反应机理,获得了不同当量比、H₂含量、预热温度、水蒸气含量和压力下的层流火焰速度和火焰结构的基础数据,揭示了不同条件对CO/H₂的燃烧过程和基元反应路径的影响规律,建立了适用于O₂/H₂O气氛下燃烧的详细基元反应机理。

为高水蒸气浓度下煤基燃料的高效清洁燃烧提供理论指导,填补了高H₂O浓度下富氧燃烧基础数据的空白。

本文首先分析了煤基燃料氧水蒸气燃烧零排放发电系统的原理并揭示了其主要优势,即考虑CO₂捕集的发电效率高于50%。