Cantera:断熱火炎温度の計算

Canteraでメタンの断熱火炎温度を計算してみる。

ソースファイル(GitHub)

temp = 300
p = ct.one_atm
phi = 1.0

温度300K、圧力1atm、当量比1.0で計算する。

gas = ct.Solution('gri30.cti')
gas.TP = temp, p
gas.set_equivalence_ratio(phi, 'CH4', 'O2:1.0, N2:3.76')
gas.equilibrate('HP')
t1 = gas.T
print(gas.report())

反応メカニズムは、GRI-Mech3.0を使う。温度、圧力、当量比をセットして、エンタルピー、圧力一定で平衡計算する(gas.equilibrate('HP'))。火炎温度は、gas.Tで取得する。最後にgas.report()で結果を出力している。

  gri30:

       temperature         2225.52  K
          pressure          101325  Pa
           density        0.150193  kg/m^3
  mean mol. weight         27.4283  amu

                          1 kg            1 kmol
                       -----------      ------------
          enthalpy     -2.5459e+05       -6.983e+06     J
   internal energy     -9.2922e+05       -2.549e+07     J
           entropy          9876.6        2.709e+05     J/K
    Gibbs function     -2.2235e+07       -6.099e+08     J
 heat capacity c_p          1514.3        4.154e+04     J/K
 heat capacity c_v          1211.2        3.322e+04     J/K

                           X                 Y          Chem. Pot. / RT
                     -------------     ------------     ------------
                H2     0.00360453      0.000264919           -25.45
                 H    0.000390347      1.43445e-05          -12.725
                 O    0.000215659      0.000125797          -17.264
                O2     0.00462224       0.00539245         -34.5281
                OH     0.00287541       0.00178294         -29.9891
               H2O       0.183467         0.120503         -42.7141
               HO2    4.98923e-07      6.00395e-07         -47.2531
              H2O2    4.57325e-08      5.67142e-08         -59.9781
                CO     0.00898794       0.00917867         -38.7592
               CO2      0.0853642          0.13697         -56.0232
               HCO    7.94976e-10      8.41061e-10         -51.4842
              CH2O     1.3195e-11      1.44448e-11         -64.2092
                 N    1.42454e-08      7.27465e-09         -13.8209
                NH    2.35973e-09      1.29175e-09         -26.5459
               NH2    9.40915e-10      5.49648e-10         -39.2709
               NH3    2.68651e-09      1.66808e-09          -51.996
               NNH    7.55585e-10       7.9947e-10         -40.3668
                NO     0.00188821       0.00206567         -31.0849
               NO2    3.46282e-07      5.80819e-07          -48.349
               N2O    1.00187e-07      1.60766e-07         -44.9058
               HNO    3.36635e-08      3.80644e-08           -43.81
                CN    6.77401e-14      6.42564e-14          -35.316
               HCN    1.93065e-11      1.90231e-11          -48.041
              HOCN    1.13116e-12      1.77437e-12         -65.3051
              HNCO    3.86462e-10      6.06219e-10         -65.3051
               NCO    1.54384e-11      2.36499e-11           -52.58
                N2       0.708584           0.7237         -27.6418
     [  +26 minor]    2.81445e-16       2.8569e-16

次に、完全燃焼反応での理論断熱火炎温度を計算する。

species = {S.name: S for S in ct.Species.listFromFile('gri30.cti')}
complete_species = [species[S] for S in ('CH4','O2','N2','CO2','H2O')]
gas2 = ct.Solution(thermo='IdealGas', species=complete_species)
gas2.TP = temp, p
gas2.set_equivalence_ratio(phi, 'CH4', 'O2:1.0, N2:3.76')
gas2.equilibrate('HP')
t2 = gas2.T
print(gas2.report())

gri30.ctiからCH4、O2、N2、CO2、H2Oのみを指定して計算している。同様にgas2.Tで火炎温度を取得する。

       temperature          2326.9  K
          pressure          101325  Pa
           density        0.144722  kg/m^3
  mean mol. weight         27.6332  amu

                          1 kg            1 kmol
                       -----------      ------------
          enthalpy     -2.5459e+05       -7.035e+06     J
   internal energy     -9.5472e+05       -2.638e+07     J
           entropy            9868        2.727e+05     J/K
    Gibbs function     -2.3217e+07       -6.415e+08     J
 heat capacity c_p          1524.1        4.212e+04     J/K
 heat capacity c_v          1223.2         3.38e+04     J/K

                           X                 Y          Chem. Pot. / RT
                     -------------     ------------     ------------
               CH4    1.09678e-07      6.36745e-08         -50.5786
                O2    2.19356e-07       2.5401e-07         -44.6479
                N2       0.714829         0.724665         -27.7887
               CO2      0.0950569         0.151391         -55.2438
               H2O       0.190114         0.123943         -42.3153

当量比に対して断熱火炎温度を計算したグラフを載せておく。

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