chemkin模拟稳态一维层流

稳态一维层流燃烧实验

一实验目的

一维层流火焰在预混燃料-氧化剂混合物中传播是最简单的燃烧现象之一。在此火焰中，化学动力学以及能量和组分扩散输运起重要作用。描述一维预混火焰的方程组是：压力为常数的条件下的质量守衡，能量守恒，组分守恒以及理想气体状态方程。虽然守恒方程和状态方程提供了缓燃的未燃气体和已燃状态之间的关系，但不能唯一确定层流火焰速度，其准确解只有通过数值积分才能获得。本实验考察层流火焰的传播速度以及与燃烧参数如燃料类型、化学配比、压力及未燃气体的温度的关系。

二实验方法

采用Chemkin自带的实例flame_speed_freely_pripagating.ckprj（甲烷-空气火焰传播速度）。模拟绝热、大气压力、自由传播、化学当量混合甲烷-空气预混合燃烧火焰的传播速度。模拟计算中不考虑NO x形成，仅采用甲烷-空气骨架燃烧机理。火焰用详细轴向温度分布做定温计算。设置火焰温度（在入口温度到峰值温度间），通过调节反应器内部的计算区域，来获得预热到反应完整过程，保证初始温度变化曲线足够平坦（温度梯度为0），计算报表反馈火焰传播速度。

三实验步骤

✧启动Ckemkin

✧点击Open Project

✧双击samples

✧单击flame_speed_freely_propagating.ckprj

✧单击Select按钮

✧双击左侧浏览器中的Pre-Processing选项

✧在弹出的新窗口中，点击Run Pre-Processon按钮，①View Results...按钮

可用；②左侧浏览器中出现Run Model选项

✧(可选)点击View Results...按钮，可查看甲烷的气相反应机理和气相传递

数据。

✧双击右侧浏览器中的Run Model选项，出现Run

Model(flame_speed_freely_propagating)窗口。

✧点击Create Input File按钮，Run Model按钮可用。

✧点击Run Model按钮，计算甲烷-空气层流燃烧。

四查看和分析实验结果

1）查看实验结果

✧打开工作目录下的flame_speed_freely_propagating.out文件，编辑/查找，在

查找对话框内输入“cm/s”，查找该文件中最后一个速度栏。在该栏下的第一个数值就是层流火焰的传播速度，为41.01cm/s.

✧点击Run Model窗口中的Run Post Processor按钮，弹出Select Results to

Import to Plotting Package窗口。

✧点击Solution Sets选项卡，选择最后一个计算结果：

Solution_variables_vs_distance_for_Soln_No_3

✧点击Species/Variables选项卡，首先点击None按钮，清除所有被选中的选项，

然后选择所需查看的参数，点击OK按钮显示二维曲线图。

①压力pressure-distance曲线

图1 压力-距离曲线

②温度temperature-distance曲线

图2 温度-距离曲线

③净反应速率net_reaction_rate-distance曲线

图3净反应速率-距离曲线④轴向速度Axial_velocity-distance曲线

图4轴向速度-距离曲线

⑤甲烷摩尔分数Mole_franction_CH4-distance曲线

图5甲烷摩尔分数-距离曲线

⑥其它参数随距离变化的曲线

2）改变初始条件，观察层流火焰传播速度

对于自由传播火焰问题，在两个不同面板输入新鲜气体混合物的性质。未然operty Data选项卡中定义，如图7所示。甲烷-空气混合物的组分在R1_IN面板Species-specific Property 选项卡中定义，如图6所示。初始假设的质量流率在Stream Pr

图6 未然混合物组分定义

图7 质量流率定义

温度参数在C1_R1 Flame Speed面板的Reactor Physical Properties选项卡中，如图8所示。在图8的面板中也定义压力参数。

图8 反应器物理性质

①在R1_IN面板Species-specific Property 选项卡中，将反应物组分按表1输入，其它参数不变，重新计算。对应的层流火焰速度=42.03cm/s

②在R1_IN面板Stream Property Data选项卡中改变混合气体的质量流率，计算火焰传播速度。

③在C1_R1 Flame Speed面板的Reactor Physical Properties选项卡中，改变压力，计算火焰传播速度。

④在C1_R1 Flame Speed面板的Reactor Physical Properties选项卡中，改变温度，计算火焰传播速度。

五实验报告内容

1 绘制层流火焰传播速度随混合气当量比的变化曲线。

要求：首先根据当量比(摩尔比)的定义计算出给定当量比下各组分的质量，并填入表1中，然后再用Chemkin软件计算压力为1atm、温度为400K下，不同空燃比的甲烷预混合气的层流火焰传播速度，并将计算结果填入表中，使其完整。最后用Excel绘制横坐标是当量比，纵坐标是火焰传播速度的曲线。

表1 不同当量比甲烷预混合气的层流火焰传播速度

2绘制层流火焰传播速度随混合气初始温度的变化曲线(用Excel绘制曲线)。

火焰传播速度cm/s 43.24 42.03 41.77 41.90 42.52 43.03