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。
5.1层流火焰传播机理和传播速度
层流火焰介绍
《航空发动机燃烧学》
西北工业大学 航空发动机燃烧学课程组
CONTENTS
- 2 -
1 燃烧分类 2 层流预混火焰 3 一维层流预混火焰的基本机理 4 一维层流预混火焰的结构 5 层流预混火焰的传播速度
1
燃烧分类
预混燃烧
Premixed combustion
- 3 -
气体燃料 和氧化剂 是否预先 混合
mw f ,u ( hR ) mc p (Ti Tu ) w f ,u ( hR ) c p (Ti Tu ) 或 hR c（ p Ti Tu） w f ,u
- 15 -
火焰面控制体
1/ 2
2hR Su DT RR u c p (Ti Tu )
3
一维层流预混火焰的基本机理
层流预混火焰热理论
- 7 -
p r
预热区
一维层流预混火焰 反应区
4
一维层流预混火焰的结构
- 8 -
Le 1
拐点Ti
一维层流预混火焰结构
绝热管，传播速度n 火焰前锋为平面，与管轴线垂直 燃烧过程中，系统压力和物质的量、 混合物的定压比热容和导热系数保 持不变，且路易斯数 。 两个区域——预热区和反应区。在 预热区内忽略化学反应的影响，在 化学反应区忽略混气本身热焓的增 加（即认为着火温度与绝热火焰温 度近似相等）——分区思想。 火焰传播取决于反应区放热及其向 新鲜混气的热传导。
5
层流预混火焰的传播速度
对于一维带化学反应的定常层流流动基本方程为：
连续方程 动量方程 能量方程
- 9 -
uu u Su m
层流火焰传递速度测定
w
Sn
我们认为火焰面上各处Sn都相同，流速w 在断口面上也均匀分布，则经积分运算得：
Sn=V/A
V——可燃混和气体体积流量。 A——锥面内焰面总表面积。
由几何运算求的锥面面积的： Sn=318V/（r*SQRT（r2+h2）)
318——常数，阻尼系数。 r，h——内焰锥面低圆半径和高度。
转子流量计
天然气
湿式流量计
混合气
风机
调节阀 湿式流量计 稳压箱
本生灯 垂高仪
实验步骤与结果记录
1. 启动风机，调节风量，使本生灯出口流量约为 0.6m/s。并读出空气流量。
2. 由以上空气流量粗略估算出空气系数为0.8、0.9、 1.0、1.1、1.2的天然气流量。
3. 开启天然气阀，按上述5种情况调整天然气流量。 4. 待每一工况稳定后，有湿式流量计计测出天燃气、
空气的体积流量（空气5升，天然气1升的时间）， 由垂高仪测出火焰内锥高度。 5. 记录室温，计算Sn。 6. 结果记录，P67。
一根玻璃管内充满燃气空气混合气体，一 端点燃，形成一个焰面，此焰面从一端传 播到另一端。
S Sn 距离L 时间t
火焰传播速度：S=L/t
垂直于焰面的法向速度：Sn=S*Ad/As Ad：玻璃管截面积 As：火焰前沿面面积
火焰高度法测火焰传播速度
Sn=Wn=w·Cosθ=w·dA1/dS Wn：喷嘴出口速度； w：流经微元火焰面ds的可燃混气流速。 dS：锥状内火焰面上任意微元面面积。 dA1：微元火焰面在喷口断面上的投影。
α=燃烧1kg 燃料所实际供给的空气质量/ 完全燃烧1kg 燃料所需的理论空气质量
α＞１,空气过剩；α<1，燃烧不充分。
层流跟紊流的一些方程
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。
燃烧理论_9-层流扩散火焰
2013-8-6
预混火焰和非预混燃烧的区别
预混火焰
m[T ]
T Tb T Tu
hc k dT dT d [ ]dT d 0 0 c p dx cp
mdx
FQ-1Βιβλιοθήκη 非预混火焰The structure of nonpremixed flame consists of three zones, with a reaction zone separating a fuel-rich zone and oxidizer-rich zone.
普林斯顿大学 R. H. Goddard讲座教授
R. H. Goddard
2013-8-6 中国也有这类Scientist——陆家羲！！！
F. A. Williams
C. K. Law
Particle And Combustion Engineering Research Group 4 Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084
• 现在需要确定的就是速度场和燃料质量分 数场的具体分布。
2013-8-6
Particle And Combustion Engineering Research Group 12 Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084
2013-8-6
• 组分守恒: 针对燃料射流
YF YF 1 YF vx vr D (r ). x r r r r
• 由于组分只有燃料和氧化剂两种，所以 两者的质量分数相加应该为1。
层流预混火焰传播速度测定
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
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
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。
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cantera里面求解层流火焰速度的方程
层流火焰速度是指在燃烧过程中火焰传播的速度，它是燃烧动力学研究中的重要参数。
在Cantera中，我们可以使用一些数学模型和求解方法来计算火焰速度。
我们需要定义火焰的组分和温度分布。
Cantera提供了丰富的化学机制和热力学数据，我们可以选择合适的机制来描述我们研究的燃料和氧化剂。
然后，我们可以通过设置适当的初始条件，如温度、压力和组分分布，来模拟火焰的形成和传播过程。
在Cantera中，我们可以使用一些求解器来求解火焰速度。
其中一个常用的方法是使用一维稳态火焰模型，该模型基于质量守恒、能量守恒和动量守恒等方程。
通过求解这些方程，我们可以得到火焰的温度和组分分布，从而计算出火焰速度。
当然，在使用Cantera进行火焰速度求解时，我们也需要考虑一些其他因素，如化学反应速率、传热和传质等。
这些因素都会对火焰速度产生影响，因此需要在模型中进行合理的考虑和处理。
Cantera提供了丰富的工具和方法来求解层流火焰速度。
通过合理选择化学机制、设置适当的初始条件和使用合适的求解器，我们可以得到准确的火焰速度。
这对于燃烧动力学研究和工程应用都具有重要意义，有助于我们更好地理解和控制火焰的传播过程。