关键词：CHEMKIN；燃烧产物；火焰温度；层流燃烧速度；沙特LPG；数值仿真
一、研究背景
在燃气轮机、内燃机等燃烧设备的设计优化中，燃烧产物组分、火焰温度和层流燃烧速度是三个核心参数。传统方法依赖实验测定，周期长、成本高，且难以覆盖宽范围的工况条件。本文基于Energies期刊2023年发表的数值方法研究，介绍如何利用MATLAB编程与CHEMKIN仿真相结合，快速准确预测沙特LPG的燃烧特性，为燃烧系统设计提供理论指导。
图1 层流燃烧速度随当量比变化曲线
二、仿真方法
研究采用两种数值方法并行验证：一是基于Olikara和Borman经典理论编写的MATLAB应用程序，二是ANSYS CHEMKIN R2 2022商业软件仿真。MATLAB程序核心采用牛顿-拉夫森迭代、泰勒级数展开和高斯消元法求解包含12种燃烧产物（H、O、N、H2、OH、CO、NO、O2、H2O、CO2、N2、Ar）的非线性方程组。CHEMKIN仿真选用了San Diego和RedSD两种化学反应机理，覆盖了完整的化学反应动力学过程。两种方法均设置初始温度、压力和当量比为关键变量，通过对比验证结果的准确性。
图2 火焰温度随当量比变化曲线
数值求解的关键步骤包括：首先建立包含5个元素守恒方程（C、H、O、N、Ar）和摩尔分数归一方程的基础方程组；其次引入7个关键化学反应的平衡常数方程；然后通过泰勒级数将非线性方程线性化，用高斯消元法迭代求解四种主要组分（H2、CO、O2、N2）的摩尔分数；最后利用反应物与产物焓值平衡条件，通过牛顿-拉夫森迭代确定绝热火焰温度。
图3 主要燃烧产物摩尔分数分布
三、关键结果
对比MATLAB数值计算与CHEMKIN仿真结果发现：（1）层流燃烧速度在当量比0.6-1.2范围内与实验值吻合良好，MATLAB计算的最大值为40.35 cm/s，高于文献报道的35±0.91 cm/s；（2）火焰温度预测在两种方法间偏差小于5%，峰值出现在当量比1.05附近；（3）12种燃烧产物中，CO2和H2O为主要产物，NO和N的预测存在差异，MATLAB程序未考虑部分低温反应路径；（4）两种化学机理（San Diego vs RedSD）在富燃区（当量比>1.3）的预测分歧增大。这些结果对燃烧系统设计有直接参考价值：当量比控制在1.0-1.2可获得最佳燃烧效率，同时需关注NO排放控制。
图4 MATLAB应用界面
图5 NO与N产物对比
图6 CO与CO2产物对比
四、我们提供的服务
基于CHEMKIN燃烧仿真技术，我们可提供以下工程服务：①燃料特性快速评估：针对各类气体/液体燃料，快速计算燃烧产物分布、火焰温度、层流燃烧速度等关键参数；②燃烧室设计优化：结合数值仿真与实验验证，优化燃烧室结构参数，提升燃烧效率并降低污染物排放；③反应机理验证：对比不同化学反应机理的预测精度，为特定燃料选择最合适的机理模型；④工况参数敏感性分析：系统研究温度、压力、当量比等参数对燃烧特性的影响规律；⑤技术转让与培训：提供MATLAB数值计算程序源码及CHEMKIN仿真模板，配套技术培训与咨询服务。
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