Materials Studio官方教程：Cantera模块—层流预混火焰

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目的：介绍使用Cantera模拟氧气和氢气预混合层流燃烧的方法。

所用模块：Materials Visualizer、Cantera 
前提条件：连续搅拌釜式反应器Continuous stirred-tank reactor
背景
层流预混火焰是指燃料和氧化剂在到达火焰前缘之前完全混合并形成层流的火焰。研究火焰前缘一维自由传播的情况有重要的意义，例如，该模型可用于描述本生灯或固定式燃气轮机的燃烧过程。它可用于计算未燃烧和燃烧的层流火焰速度以及燃烧温度等特性。
介绍
在本教程中，您将学习如何使用Cantera模块模拟甲烷和空气的层流混合气体的燃烧。
本教程包括如下部分：开始、设置Cantera模块的反应参数、运行和分析层流预混火焰模拟。

注意：为了确保您可以完全按照预期的方式学习本教程，您应该使用“设置管理器（Settings Organizer）”对话框确保项目中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。

1、开始
首先启动Materials Studio并创建一个新项目。
打开New Project对话框，输入flame1D作为项目名，单击OK按钮。
Project Explorer中会显示flame1D的项目名。在本教程中，将使用一种机制来模拟氢火焰。
单击“导入Import”按钮Materials Studio官方教程：Cantera模块—层流预混火焰打开“导入文档Import Document”对话框。导航到Examples/Cantera文件夹并双击MS_gri30.std。
打开的内容是反应机理的数据表。参考标准焓来自NIST Chemistry WebBook，NASA多项式是已经使用Materials Studio计算过的。
2、设置Cantera模块的反应参数
现在，将使用MS_gri30.std中的数据作为Cantera的输入。
单击Modules工具栏上的Cantera按钮Materials Studio官方教程：Cantera模块—层流预混火焰，然后选择Calculation或从菜单栏中选择Modules | Cantera | Calculation。
Cantera Calculation对话框被打开了。
从任务Task下拉列表中选择Flame 1D。
确保在组分Composition部分选择了摩尔分数比Mole fraction单选按钮。使用化合物Species种类下拉列表将AR、N2、O2和CH4添加到对话框中。
设置摩尔分数如下：

  • AR——0.01

  • N2——0.781

  • O2——0.209

  • CH4——0.105

这是空气和甲烷的化学计量混合物。
将温度Temperature设置为380 K，压强Pressure设置为100000 Pa。
点击More…按钮打开Cantera Flame 1D对话框。从火焰类型Flame type下拉列表中选择燃烧器火焰Burner flame。将体系尺寸System length设置为0.1 m，输入流速Input flow rate设置为0.005 kg/m2/s。
Cantera Calculation对话框的参数已经进行了设置。两种可用的火焰类型是：

  • Free flame自由火焰，火焰前缘可在一维均匀混合气体中自由传播

  • Burner flame燃烧器火焰，火焰前缘在空间中的固定点，需要稳定的输入流

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3、运行和分析层流预混火焰模拟
现在我们将运行Flame 1D任务。
打开MS_gri30.std文件并使其为活动文档，单击Cantera Calculation对话框上的Run按钮并关闭对话框。
从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。
计算将在几秒钟内运行结束。o
双击打开MS_gri30 Cantera Flame1D/MS_gri30 Results.std。
选择A z (m)和B u (m/s)列，然后单击“快速绘图Quick Plot”按钮Materials Studio官方教程：Cantera模块—层流预混火焰。将绘制的曲线图重命名为velocity.xcd。
在MS_gri30 Results.std中，选择A z (m)和D T (K)列，然后单击“快速绘图Quick Plot”按钮Materials Studio官方教程：Cantera模块—层流预混火焰。将绘制的曲线图重命名为temperature.xcd。
在MS_gri30 Results.std中，选择A z (m)，和G到K列，然后单击“快速绘图Quick Plot”按钮Materials Studio官方教程：Cantera模块—层流预混火焰。将绘制的曲线图重命名为fractions.xcd。
这将生成如下所示的三个曲线图。火焰蔓延到整个体系，混合物迅速燃烧。计算的未燃烧层流火焰速度约为0.005 m/s，混合物在1700 K左右燃烧。未燃烧层流火焰速度sL, u为燃料混合物接近火焰前缘的速度，取决于混合物的温度、压强、密度和扩散率。燃烧的层流火焰速度是反应产物离开火焰前缘的速度，与未燃烧的火焰速度有关，公式如下：
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式中，ρu为未燃烧混合物密度，ρb为燃烧混合物密度。
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氧化反应物和产物的质量分数曲线图表明，CH4完全耗尽，而少量氧分子残留，主要产物为CO4、H4O和CO。
火焰中的温度高到足以氧化一些氮气分子。可以查看在反应过程中形成的NOX（即NO、NO2），以及反应器尾气中仍然存在的氮气的量。
从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。
本教程到此结束。 
[1] GRI-MECH 3.0
[2] NIST Chemistry WebBook

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