1.简介

 

在之前的教程中，我们描述了如何使用PyroSim在火动力学模拟器（FDS）中定义复杂的反应。

在以下情况下，必须使用复杂的化学计量：

• 燃料不仅仅由C，H，N，O组成。
• 使用HVAC过滤器跟踪烟尘沉积或从大气中去掉的情况。
• 有多个连续的气相反应。

我们描述了几个复杂的化学计量示例，但在所有情况下，我们只是遵循已经提供了完整化学计量方程的FDS用户指南示例。

 

 

在这篇文章中，我们将演示如何使用电子表格来计算化学计量系数，然后使用这些计算系数来定义FDS反应。

 

 

2.背景

 

我们需要的一条信息是物种的分子量。FDS用户指南在表14.1中提供了此信息，其中一部分显示在下面的图1中。

 

图1.FDS用户指南中的物质分子量，表14.1：预定义的气体和液体物质。

 

 

我们还需要燃料和产品的成分，这些信息的一个来源是SFPE手册。表36.11给出了一些常见聚合物和反应产物的组成（图2所示）。重要的信息是，我们将使用的燃料包括C、H、O、N。

 

图2.SFPE手册中的燃料成分和产量，表36.11。

 

 

SFPE手册在表62.17和62.18中以略有不同的格式重复了这些数据，其中一小部分如下所示。

 

图3.SFPE手册中燃料测试材料的组成，表62.17。

 

图4.SFPE手册中一些常见聚合物材料的产量，表62.18。

 

 

3.推导

 

我们将在燃料中包含，这给出了FDS用户指南更通用的形式。

 

其中有物种的化学计量数。

我们还假设烟灰具有已知的氢体积分数，因此成分由下式给出：

 

FDS中烟灰氢馏分（SOOT_H_FRACTION）的默认值为0.1，这导致化学计量方程有八个未知的化学计量系数但。我们只有五个独立的方程可以写成C，H，O，N和Cl。我们通过指定的产量来减少未知数的数量。

 

化学计量反应方程是实际燃烧过程的简化，它可以由许多（也许数百个）中间反应组成，而这些反应又取决于燃烧环境的细节。的产量在很大程度上取决于燃烧是否通风良好或燃料丰富，因此使用从实验数据中获得的值而不是试图严格计算它们是合理的。

 

产量以燃料质量的分数给出，我们使用以下公式计算：

 

 

特定物种的质量可以使用产量或化学计量系数来写，从而得到以下关系：

 

 

因此，我们可以立即计算的产量的化学计量数

我们将已知的化学计量系数代入一般反应方程，并在左侧使用未知项和右侧使用已知项重新排列。

 

 

现在我们编写单独的方程来平衡C，H，O，N和Cl。例如，平衡C为我们提供：

 

 

平衡H为我们提供了：

 

 

以矩阵形式排列方程，我们得到：

 

我们现在可以求解未知的化学计量系数。这不只有解决此问题的一种方法，但它是一种简单的方法，始终可以应用于其他情况。

 

4.电子表格实现

 

通过本教程顶部的链接下载实现这些计算的电子表格。

用户输入描述反应的成分包括燃料成分，产品的已知产量，以及烟灰的氢部分。

图5.燃烧计算器的反应输入。

 

 

反应计算中仅使用空气中的氧气，但用户可以指定空气的完整成分。然后，空气种类将包括在产品的计算中。

图6.空气成分-空气可以简化，例如仅包括和

 

 

输出以可用于指定FDS中复杂反应的形式给出。

图7.燃烧计算器输出。

 

我们还提供用烟灰重新配制的输出作为单独的产品种类。如果用户正在计算过滤的烟尘沉积，这将会有用。

虽然与反应平衡无关，但燃烧热也是使用每单位质量消耗的氧气释放的能量来计算的。用户可以指定所需的放热速率，并计算相应的质量燃料流量。

 

 

5.示例

 

5.1.聚氯乙烯（PVC）的燃烧

5.1.1.电子表格计算

此示例演示了PVC的燃烧，在FDS用户指南的第15.2.2节复杂燃料分子中进行了描述。

“例如，氯常见于建筑和家用材料中，并且由于其形成酸性气体的倾向，您可能希望在基本反应方案中考虑它。假设火灾中的主要燃料是聚氯乙烯（PVC）。无论其详细的聚合物结构如何，为了建模的目的，都可以将其视为。 假设燃料中的所有都转化为，您可以适当地推导出单步反应和指定燃料的产量。

FDS用户指南中的化学反应为：

 

 

本教程包含的相应FDS输入文件pvc_combustion.fds是FDS物种验证示例。

 

图8.FDS的pvc_combustion.fds输入文件。

 

 

在此示例中，空气已简化为仅由和组成。另请注意燃烧方程和输入文件中给出的的细微差异。

 

FDS用户指南说明Soot和CO产率为0.172和0.063，但由于我们想精准地复制反应，我们必须使用更有效的数字。我们根据给定的产品化学计量系数计算产量。在此示例中，Soot的氢分数为零，因此Soot的化学计量数为0.9从而得到，而CO的系数为0.14给出

 

电子表格的输入如下所示。

 

图9.用于PVC计算的电子表格输入

 

这是相应的输出。

 

图10.用于PVC计算的电子表格输出

 

 

在电子表格中，我们对空气和产品组件进行了标准化，以便更容易与*.out文件数据进行比较。因此，电子表格结果写为：

 

这相当于来自FDS示例文件的输入，如图8所示。

 

5.1.2.与FDS输出的比较

FDS在*.out文件中提供了物种组成和反应计算的详细信息。我们将展示如何将FDS输出与电子表格计算进行比较。

当我们滚动浏览*.out文件时，我们会看到质量分数转换矩阵，然后是原始物种信息。接下来，我们找到跟踪（集总）物种信息，如下所示。跟踪物种的摩尔分数与图10所示的值直接相当。同样，质量分数可以与燃烧过程表中的表进行比较电子表格（未显示）。

 

图11.FDS物质和反应输出在*.out文件中

 

 

在*.out文件中进一步向下滚动，我们可以找到气相反应信息。摩尔系数对应于图1 中的C2、C3和C10。

图12.*.out文件中的FDS反应系数

 

我们已经验证了电子表格计算是否与FDS反应计算相匹配。用户在执行模拟时应始终查看反应信息。

此示例的PyroSim模型是使用复杂化学计量帖子中描述的步骤制作的，并包含在此处的下载文件中。

 

5.2.聚异氰尿酸酯的燃烧

本例使用产生氰化氢（HCN）的聚异氰尿酸酯。

本教程的下载中包含的相应FDS输入文件FED_CO_HCN.fds是FDS物种验证示例。此示例的PyroSim模型也包含在下载文件中。

 

输入文件中的反应参数为：

 

13.聚异氰尿酸酯的FDS燃烧。

相应的电子表格输入为：

图14.聚异氰脲酸酯燃烧电子表格输入。

 

 

电子表格输出如下所示。我们可以再次与FDS输出进行比较，结果是相同的。

 

图15.聚异氰脲酸酯的燃烧电子表格输出。

 

 

注意：

在撰写本文时，PyroSim版本是2021.2.0610。此版本的PyroSim不支持在“编辑反应”对话框中的HCN_YIELD，因此数据是在“Senior”选项卡上输入的。此版本的PyroSim也使用FDS版本6.7.5，其中不包括对HCN_YIELD的支持。因此，PyroSim用于写入FDS输入文件，然后使用已安装的FDS6.7.6版本运行。PyroSim的下一个版本预计将包括HCN_YIELD和FDS6.7.6。

 

5.3.烟尘沉积

该电子表格还可用于烟尘沉积或HVAC过滤问题，如复杂化学计量帖子中所述。

该示例来自FDS用户指南，15.4.1示例案例：丙烷火焰的烟尘沉积。

本教程的下载中包含的相应FDS输入文件propane_flame_deposition.fds，是FDS气溶胶验证示例。此示例的PyroSim模型也包含在下载文件中。

 

化学计量方程为：

 

电子表格输入如下所示。

 

图16.烟灰沉积。

 

 

输出被重新格式化，使烟灰现在是一个单独的产品，化学计量方程现在由：

 

 

示例PyroSim模型展示了如何定义空气和产品的归一化集总物种。使用默认的烟灰种类，相应的反应系数为常数C2、C3和C4。与FDS示例的比较表明反应是相同的。

 

图17.烟尘计算化学计量方程的沉积。