層流燃燒
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2022-06-04
層流燃燒的實例教程
一 軟件介紹
CHEMKIN 是一種非常強大的求解復雜化學反應問題的軟件包，常用于對燃燒過程、催化過程、化學氣相沉積、等離子體及其他化學反應的模擬。CHEMKIN 以氣相動力學、表面動力學、傳遞過程這三個核心軟件包為基礎，提供了對21 種常見化學反應模型及后處理程序
二 培訓方式
本次培訓全程線上授課, 采用一對一或者一對多方式進行, 以視頻方式授課，工程案例講解，答疑，技術交流，
學員需要自行準備電腦。
三 培訓對象
需要使用Chemkin軟件進行科學研究的老師 學生以及其他研究人員.
四、培訓內容
針對Chemkin軟件的常用模塊進行教學，包括不僅限于層流燃燒速度計算模型，均質燃燒模型、預混燃燒模型等，同時介紹Chemkin中的機理簡化及耦合模塊使用功能。具體內容如下：
1、燃燒核心參數的計算
(1) 層流燃燒速度
(2) 點火延遲
(3) 燃燒產物密度
(4) 火焰結構
2、敏感性分析
(1) 重要基團物質敏感性分析
(2) 溫度敏感性分析
(3) 產熱敏感性分析
(4) 化學反應路徑
3、機理簡化
(1) 機理簡化方法介紹
(2) 簡化目標參數選擇
(3) 骨架機理優化
五、相關案例
案例1：層流燃燒速度驗證機理。通過對比參考文獻中的實驗數據，驗真仿真計算的可靠性。
圖1 層流燃燒速度模型
圖2 反應機理驗證
圖3 多工況條件計算
案例2：點火延遲計算。計算不同工況條件下點火延遲時間，分析不同溫度壓力條件對點火延遲的影響
圖4 均勻攪拌燃燒器
圖5 勻質燃燒反應器界面設置
案例3 機理簡化。運用多種簡化方法，得到優化的骨架機理。
圖6 簡化方法選擇
案例4 機理耦合。
展開 關鍵詞：機理簡化；DRGEP簡化，DRG簡化，封閉零維模型，誤差分析
本案例主要介紹通過零維模型計算高碳烷烴的燃燒特性，再對烷烴機理進行簡化。封閉零維模型主要包括了以下幾種：1. Closed Internal Combustion Engine Simulator，模擬封閉的內燃機內的燃燒情況；2. Closed Homogenous Batch Reactor，模擬封閉的全混同性反應器，包括定壓、定容反應器；3. Closed Partially Stirred Reactor(PaSR)，模擬封閉的部分混合的反應器；4. Closed Plasma Reactor，模擬封閉的等離子體反應器。為了節省計算資源的占用，選擇Closed Homogenous Batch Reactor進行計算
主要操作步驟如下，首先建立反應器模型，封閉零維模型不包括進口出口，反應器如下。根據實際工況條件，設置溫度壓力等參數。值得注意的是高碳烷烴的層流燃燒速度較低，反應器的溫度要設置的高一點，才能達到引燃燃料的條件要求。
圖1 反應器模型搭建
為了設置多工況條件，在反應器物性參數設置右邊點擊加號設置，可以設置不同工況條件。
圖2 反應器設置
封閉零維模型通常會計算的比較快，計算結束后打開workbench界面進行簡化計算。
圖3 機理簡化設置
簡化方法選擇DRGEP和DRG簡化，設置好計算誤差后開始簡化
圖4 機理簡化方法和誤差設置
軟件計算出簡化的機理。
圖5機理簡化結果
通過零維模型進行計算，再運用DRGEP和DRG的方法進行簡化，得出了比較理想的計算結果。簡化機理能運用于其他工況的燃燒計算，極大的簡化了計算過程。
展開 煤粉與氨氣混合燃料
減少燃燒產生的溫室氣體排放的有效措施是二氧化碳捕獲和儲存。 該過程涉及將二氧化碳從工業和能源相關來源中分離出來，運輸到儲存地點，與大氣長期隔離。用于煤粉燃料燃燒的所謂氧燃料燃燒技術是促進二氧化碳封存的有前途的方法。在這種方法中，通常使用純度大于 90% 的氧氣和循環煙氣的混合物來燃燒燃料。因此，燃燒過程會產生主要由 CO2 和 H2O 組成的煙道氣，從而可以簡單地在下游去除 CO2。 回收的煙氣代替燃燒空氣中的 N2，用于降低火焰溫度并保持通過鍋爐的氣體量。在煤粉中混合氨氣進行燃燒，是有效降低燃燒溫度，抑制氮氧化物的生成方式。
模型設置
根據PSR模型的設置，搭建入口、反應器、出口的模型布置，如圖一所示。
圖1 模型搭建
根據實際工況條件，設置溫度壓力等參數。值得注意的是氨氣的層流燃燒速度較低，反應器的溫度要設置的高一點，才能達到引燃燃料的條件要求，反應器的體積設置為150立方厘米，保證了不會因為反應體積過大或者過小導致計算發散。
圖2 反應器界面設置
設置反應器入口流量，設置反應物初始溫度，初始溫度越高有助于燃燒反應的發生。
圖3 入口設置
勾選主要氮氧化物的敏感性和反應路徑分析。
圖4 敏感性勾選
主要結果分析
圖5和圖6分別為敏感性分析和NO的后處理結果，圖7為氮氧化物的主要反應路徑。從圖中可以看出，小的活性基團對于氮氧化物的生成起著至關重要的影響。其中H基，OH基等對氮氧化物的生成有抑制作用，而HO2基團有促進作用。氮氧化物的含量隨著當量比單調遞減，這是由于氨氣在稀混合氣的條件下也能良好燃燒。從反應路徑上來看煤粉可以直接生成氮氧化物，氨氣的加入主要是抑制了此條反應路徑的進行。
展開 毒性根據職業接觸限值（OEL）進行分類；可燃性則基于火焰傳播測試、可燃下限（LFL）、燃燒熱（HOC）和最大層流燃燒速度（BV）進行分類（ASHRAE）。
考慮到HVAC-R設備設計通常需要適應制冷劑特性的變化，許多安全標準正在起草、修改或擴展，以指導設計原則。這些標準結合科學研究與技術和行業專業知識，力求為使用具有更高可燃性的新型制冷劑的設備安全設計制定全面的指南。這些標準由國際和地區機構如國際電工委員會（IEC）和美國保險商實驗室（UL）開發，并通過修正案和修訂不斷發展。
雖然A2L制冷劑已被集成到暖通空調制冷設備和國際市場多年，但區域監管環境仍在發展和完善，以允許進一步采用A2L制冷劑。一旦標準達成共識，其具體要求通常會被納入相關當局強制執行的建筑和消防規范中。在美國，A2L已順利納入規范，ICB、IFC和IMC計劃在2024年版中納入對使用A2L的批準。對于英國和歐盟，制冷學會（IOR）已發布了針對歐盟壓力設備（安全）法規和壓力設備指令（PED）的指南。
綜合氣體檢測與人員安全檢測的區別
采用A2L制冷劑的重點是建立旨在減輕可燃性風險的指南。然而，通常仍需保護居住者免受接近毒性限值的大量泄漏的影響。OSHA規定的職業接觸限值（OEL）暴露和毒性水平與科學得出的A2L制冷劑可燃性限值相差幾個數量級。8小時時間加權平均（TWA）暴露限值通常在500-1200 ppm之間，而大多數A2L的可燃下限（LFL）接近 10萬ppm。因此，氣體檢測可以在不同層次上同時應用；傳感器既可以在設備內部集成，也可以安裝在更大范圍的占用空間內的固定點。
為了檢測設備中的潛在泄漏并減輕可燃性問題，國際和地區監管機構通常要求集成氣體傳感器，以便在制冷劑濃度積累達到可燃下限之前創建報警條件。
展開 .--467頁
湍流氣粒兩相流動和燃燒的理論與數值模擬/周力行著；陳 文芳，林文漪譯.--北京：科學，1994.--285頁
湍流兩相流動與燃燒的數值模擬/周力行著.--北京：清華 大學出版社，1991.8.--297頁
大氣數值模擬/程麟生，丑紀范編著.--北京：氣象出版社 ，1991.6.--172頁
中尺度天氣系統的診斷分析和數值模擬/鄭良杰主編.--北 京：氣象出版社，1989.10.--198頁
關于計算燃燒學推薦一本書
《燃燒的數值模擬》
出版社： 科學出版社
作者： 趙堅行
本書是計算燃燒學方面的一本專著，它系統地敘述燃燒過程數值模擬中所涉及的基本理論、數學模型、數值解法以及數值模擬在實際工程裝置中的應用，并著重介紹近年來計算燃燒學科最新的研究成果。
全書共分六章。第一至三章主要闡述燃燒過程數值模擬的基礎理論知識，包括多組分氣相粘性反應流動基本方程以及層流和紊流擴散燃燒，紊流流動的數學模型、大渦模擬及其在紊流燃燒中的應用，氣體紊流燃燒的模擬、以及紊流兩相流動與燃燒模擬。第四至六章著重敘述近代計算燃燒學的新發展。如在第四章的復雜形狀燃燒室計算方法中系統地介紹了貼體網格生成和在任意曲線坐標系統下兩相燃燒流場數值求解方法、以及流場計算中新發展的數值方法;在第五章的燃燒過程污染物生成的模擬中主要介紹污染物生成的數學模型以及計算方法，在第六章的超音速流動與燃燒的模擬中闡述了超音速燒燒流場計算的數學模型與數值解法等內容。
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考慮到HVAC-R設備設計通常需要適應制冷劑特性的變化，許多安全標準正在起草、修改或擴展，以指導設計原則。這些標準結合科學研究與技術和行業專業知識，力求為使用具有更高可燃性的新型制冷劑的設備安全設計制定全面的指南。
值得注意的是高碳烷烴的層流燃燒速度較低，反應器的溫度要設置的高一點，才能達到引燃燃料的條件要求。
圖1 反應器模型搭建
為了設置多工況條件，在反應器物性參數設置右邊點擊加號設置，可以設置不同工況條件。
圖2 反應器設置
封閉零維模型通常會計算的比較快，計算結束后打開workbench界面進行簡化計算。
值得注意的是氨氣的層流燃燒速度較低，反應器的溫度要設置的高一點，才能達到引燃燃料的條件要求，反應器的體積設置為150立方厘米，保證了不會因為反應體積過大或者過小導致計算發散。
圖2 反應器界面設置
設置反應器入口流量，設置反應物初始溫度，初始溫度越高有助于燃燒反應的發生。
圖3 入口設置
勾選主要氮氧化物的敏感性和反應路徑分析。
案例1：層流燃燒速度驗證機理。
在本文的其余部分將討論FGM在層流預混燃燒器穩定火焰中的應用。由于在這些火焰中守恒變量僅有焓h發生擾動，因此將采用具有兩個控制變量的流形：一個過程變量和焓（d = 1，nc = 1）。
在反應流動代碼中實現FGM模型分為兩個部分：首先是火焰面結構數據的計算和儲存，隨后則是FGM模型與多維燃燒計算的耦合。
第一至三章主要闡述燃燒過程數值模擬的基礎理論知識，包括多組分氣相粘性反應流動基本方程以及層流和紊流擴散燃燒，紊流流動的數學模型、大渦模擬及其在紊流燃燒中的應用，氣體紊流燃燒的模擬、以及紊流兩相流動與燃燒模擬。第四至六章著重敘述近代計算燃燒學的新發展。
