甲烷/空气燃烧简化机理及其应用

为了找到适合活塞式发动机甲烷燃烧的化学反应动力学简化机理,从甲烷燃烧详细化学动力学机理出发,利用敏感性分析法,分析了包括多个不同组分的22步、39步、51步和58步基元反应的4种不同简化机理,并根据活塞式发动机的燃烧特点,将这4种简化机理应用于均匀搅拌反应器模型内甲烷/空气预混燃烧过程的计算中。研究结果表明:与详细反应机理的计算结果相比,当采用较少步数的22步基元反应的简化机理时,计算得到的燃烧温度结果误差较大,且出现明显的峰值后移现象,计算误差最大可达到12.5%。但随着采用基元反应简化机理的步数增加,这些误差明显减小。当采用58步基元反应的简化机理时,计算得到的出口温度和主要组分物质的量浓度随当量比变化的结果,与详细反应机理计算得到的结果基本吻合,最大误差不超过1%。这说明58步的基元反应简化机理包括了主要的反应式,计算结果具有足够的精度,可以很好地预测甲烷/空气预混燃烧现象。     

适用于HCCI的正庚烷-二甲醚混合燃料简化机理的构建及不同混和比对燃料影响的研究

在正庚烷和二甲醚单独燃烧的详细机理基础上,提出分别适用于正庚烷和二甲醚的简化机理,其中,二甲醚的简化机理包括24个组分、28个反应,正庚烷的简化机理包括41个组分、48个反应.验证后发现,2个简化机理与详细机理较吻合.将2个简化机理耦合,尝试提出适用于均质压燃发动机的正庚烷-二甲醚混合燃料燃烧的简化机理模型.混合燃料的简化机理模型包括51个组分、64个反应.保持简化过程中的工况,将实验所得的数据与简化机理对比,验证该简化机理的有效性.结果表明,简化机理在一定程度上能有效反应缸内压力和温度的变化情况.为进一步验证简化机理的有效性,在不同工况下进行简化机理计算和实验研究,并将实验结果与计算结果进行对比.结果显示,简化机理在一定范围内可反映缸内压强、温度的变化情况,且在着火延迟时间以及主要物质的变化趋势方面,简化机理的计算结果和实验的结果基本一致.在分析混合燃料燃烧简化机理模型的基础上,对比不同掺合质量比对混合燃料体系缸内压强、温度和着火延迟时间的影响.研究结果显示,少量二甲醚掺入混合燃料可有效提高上述参数.     

二甲醚燃烧机理的简化及其均质压燃燃烧验证

摘要： 基于积分计算奇异摄动法简化了二甲醚骨架机理,构建了包含24种物质和20个反应的二甲醚简化机理,并采用发动机单区模型进行验证.结果表明：所提出的二甲醚简化机理具有Curran等提出的详细机理的低温反应、负温度系数区、甲酸生成与消耗过程、高温反应等特征,而且与Curran等提出的详细机理的计算结果较吻合,表明其适用于二甲醚均质压燃过程的模拟计算;利用重要性因子进一步“修剪”后的二甲醚简化机理的适用性较差,表明原二甲醚简化机理的简洁度较高.     

柴油/甲醇高温富燃动力学机理的简化

采用直接关系图(DRG)法和敏感性分析(SA)法对包含261种组分、1,338个反应的柴油/甲醇高温氧化机理进行了简化.开发了适用于层流火焰模型的DRG简化程序,取阈值0.01得到包含65种组分、409个反应的初步简化机理,将该机理与详细机理的模拟结果进行了对比分析;在初步简化结果的基础上,采用SA方法进一步得到包含61种组分、151个反应的简化机理.简化机理对参比燃料中甲苯和产物中苯的模拟结果与层流火焰的试验值吻合较好,能反映碳烟前驱体的演化过程;氧化剂、主要产物以及其他参比燃料的预测值与试验值接近,可以描绘层流预混火焰结构;简化机理与预测双燃料着火的23步反应机理结合后,应用到缸内燃烧的三维模拟中,可以较为准确地预测缸内压力和放热率的变化.     

高炉煤气燃烧反应的敏感度分析

对详细化学反应机理的简化是高炉煤气燃烧模拟的一个重要步骤.使用CHEMKIN软件,针对一维稳态层流预混燃烧模型,通过分析高炉煤气内主要组分在各个基元反应中对燃烧速率的影响,将详细化学反应机理简化为高炉煤气燃烧的基干机理.将化学反应简化机理与详细机理的计算结果进行对比验证,用详细反应机理计算高炉煤气燃烧反应的时间为18s,而使用简化反应机理的计算时间则不到1s.组分摩尔分数差值不超过0.4%,验证了简化机理的可靠性.     

高压环境下高炉煤气化学反应机理敏感性分析及机理简化

为了解决数值研究过程中缺乏适用于高压条件下高炉煤气简化机理的问题,利用敏感性分析方法、借助一维层流预混反应器模型,分析了各基元反应对燃烧速率的影响程度。通过选取敏感性较大的反应并修正其在高压条件下的反应动力学参数,将详细反应机理简化为一套适用于常压至3 MPa燃烧环境下的18步简化机理。采用简化机理、GRI3.0机理和Davis机理分别对层流火焰速度、点火延迟和组分摩尔浓度等参数进行了计算并与实验数据进行了对比。结果表明,在常压及高压条件下18步简化机理获得的计算结果与实验结果吻合较好,其为高压条件下高炉煤气等低热值气体燃烧特性的数值研究奠定了基础。     

甲醇空气预混层流燃烧的简化化学反应动力学机理

基于甲醇氧化的详细反应历程,利用敏感性分析的方法,提出了一个用于描述甲醇空气预混层流燃烧速度的包含18种组分、28步基元反应的简化化学反应动力学机理.研究发现,在甲醇的氧化过程中,甲醇的分解反应及H、OH等自由基的链锁反应具有十分高的敏感性,其中HCO+M和H+O2分别是产生H、OH自由基的主要反应.计算结果与实验结果对比表明,该简化机理可以较合理地模拟当量比为0.6～1.2以及不同初始温度下的层流燃烧速度和火焰结构.与详细机理相比,该机理更适合与CFD三维数值模拟软件耦合.     

基于组分浓度的LNG-柴油燃料反应机理简化

以甲烷-正庚烷-异辛烷-环己烷-甲苯混合物作为LNG(液化天然气)-柴油模型燃料,构建了包含1 425种组分和5 597个基元反应的LNG-柴油模型燃料详细燃烧反应机理.以重要组分摩尔分数为目标参数,通过基于误差传递直接关系图法对该详细机理进行了简化,分析了简化阈值与机理规模的关系,结合反应路径研究了机理简化的规律.结果表明:随着简化阈值增大,机理规模逐渐减小,但减小的速度逐渐降低,当阈值增大至0.8时,简化机理规模基本恒定.结合简化阈值与误差,确定合理的简化机理包含208种组分和1 087个基元反应,该机理可准确预测模型燃料的着火延时与层流燃烧速度.简化机理保留了H2/CO/C1子机理、C2-C3半详细机理和C4-C8骨架机理,去除了约85%冗余组分和81%的基元反应.     

RP-3航空煤油替代燃料简化-优化反应动力学建模

针对传统化学反应机理简化方法无法兼顾精度和计算量的问题,提出了耦合化学反应机理简化和优化方法(CROM).应用CROM成功实现了对RP-3航空煤油3组分替代燃料详细化学反应机理的简化和优化,得到包含47组分、94反应的优化机理.采用优化机理,数值模拟了RP-3航空煤油在激波管和对冲火焰装置中的燃烧过程,并将模拟结果与文献实验值和文献计算值进行对比验证.结果表明,该优化机理能够准确预测RP-3航空煤油的点火延迟时间和火焰传播速度,且比文献的化学反应机理规模更小、计算效率更高,具有较高的工程应用价值.     

汽油PRF简化化学反应动力学模型的构建研究

利用反应路径分析和敏感性分析方法对异辛烷和正庚烷的详细化学反应动力学模型进行简化,根据“半解耦”思想,以C0~C1的小分子机理作为汽油基础参考燃料（PRF）的“内核”,构建了包含41种组分和131个反应的PRF简化化学反应动力学模型,并通过了基础反应器包括激波管（ST）、一维层流火焰速度（LFS）和射流搅拌器（JSR）...     

基于CSP理论修正的准稳态假设

论文在处理刚性问题的计算奇异摄动方法的理论基础上,提出了一种封闭简化燃烧化学反应机理方程的新模型－－修正的准稳态假设。通过一个简单的算例,比较了论文中方法和传统准稳态假设方法对计算的影响,并分析了其特点。     

Numerical study on combustion of diluted methanol-air premixed mixtures

The effect of nitrogen dilution on the premixed combustion characteristics and flame structure of laminar premixed methanol-air-nitrogen mixtures are analyzed numerically based on an extended methanol oxidation mechanism. The laminar burning velocities, the mass burning fluxes, the adiabatic flame temperature, the global activation temperature, the Zeldovich number, the effective Lewis number and the laminar flame structure of the methanol-air-nitrogen mixtures are obtained under different nitrogen dilution ratios. Comparison between experiments and numerical simulations show that the extended methanol oxidation mechanism can well reproduce the laminar burning velocities for lean and near stoichiometric methanol-air-nitrogen mixtures. The laminar burning velocities and the mass burning fluxes decrease with the increase of nitrogen dilution ratio and the effect is more obvious for the lean mixture. The effective Lewis number of the mixture increases with the increase of nitrogen dilution ratio, and the diffusive-thermal instability of the flame front is decreased by the nitrogen addition. Nitrogen addition can suppress the hydrodynamic instability of methanol-air-nitrogen flames. The decrease of the mole fraction of OH and H is mainly responsible for the suppressed effect of nitrogen diluent on the chemical reaction in the methanol-air-nitrogen laminar premixed flames, and the NOx and formaldehyde emissions are decreased by the nitrogen addition.     

稀释气体对甲烷层流预混火焰燃烧速度的影响

基于GRI-Mech 3.0详细化学反应机理,利用预混燃烧模型(PREMIX Code)研究了甲烷-空气-稀释气层流预混火焰燃烧特性及火焰结构.重点探讨了不同化学当量比(0.5～1.5)、初始压力(0.05～0.40 MPa)、稀释气体种类(N2,CO2及H2O)和稀释摩尔比(0～0.35)对甲烷-空气-稀释气混合气层...     

甲烷一维层流预混火焰的详细和单步反应机理模拟

为了解单步反应机理的不足及其不同速率表达式之间的差异,分别采用详细和单步化学反应机理数值模拟了甲烷一维层流预混火焰。详细机理预报的火焰速度在整个可燃范围都与实验结果吻合,而单步机理只在贫燃条件下才能给出定量相符的结果,在富燃条件下定性和定量预报结果均不合理。同时,单步机理预报的温度和浓度分布也存在较大偏差,特别是在富燃区。进一步研究表明,用有些常见单步反应速率表达式获得的预报值在整个可燃范围都是不合理的。这些结果对选取反应模型和获得可信预报结果有参考意义。     

火焰拉伸率对层流燃烧速度的影响

将层流火焰消耗速度的概念与反应进程变量(progress variable)的定义相结合,给出了积分层流燃烧速度的广义定义.在准一维稳态系统中,分析了积分层流燃烧速度与未燃气体位移速度和已燃气体位移速度之间的关系.对甲烷空气和丙烷空气拉伸层流预混火焰在常温常压下进行了数值计算,研究不同当量比时,火焰拉伸率对层流燃烧速度的影响.通过火焰前锋放热率的积分层流燃烧速度和燃料消耗率的积分层流燃烧速度进行比较,结果表明,低拉伸火焰的马克斯坦数(Markstein number)与渐进分析一致,也与球形火焰获得的实验数据吻合.     

拉伸对甲烷/空气层流预混火焰影响的数值研究

对甲烷/空气对撞拉伸层流预混火焰进行了数值求解,所采用的化学反应机理为GRI_Mech3．0(包含53种物质和325个基元反应),讨论分析了火焰面的拉伸对层流火焰的结构、温度和组分分布的影响．结果显示,火焰面的拉伸降低了火焰的厚度和化学反应速率,高温区域的减小,是一些自由基如N0,0,H等的生成量减少的主要原因;0,H等活性自由基的减少会导致熄火．     

CH4/O2/CO2层流预混火焰传播速度实验研究

采用本生灯法,测量了CH4/O2/CO2混合气在不同工况下的层流预混火焰传播速度.采用基于火焰图像的全面积法计算本生灯火焰的传播速度.主要研究了化学当量比(08~12)、氧气体积分数(25%~35%)和稀释剂种类(N2,CO2)对火焰传播速度的影响规律.结果表明:当化学当量比为1时火焰传播的速度达到最大值,在其两侧火焰传播速度逐渐下降;火焰传播速度随着氧气体积分数的增加而增加,且火焰传播速度与氧气体积分数呈二次函数关系;与N2相比,高浓度CO2降低了火焰传播速度,CH4在O2/CO2气氛下的火焰传播速度约为O2/N2气氛下的五分之一.     

基于DRGEP和CSP方法的正癸烷骨架机理简化

采用基于误差的直接关系图法(DRGEP)和基于计算奇异摄动法(CSP)的重要性指标方法对由119个组分、373个反应构成的正癸烷详细动力学机理进行简化,得到了一个由32个物种、73个反应组成的骨架机理.通过将骨架机理点火延迟时间、主要物种浓度及熄火等的模拟结果与详细机理进行对比发现,骨架机理能较好地再现详细机理的特点和燃烧特性.为进一步提高流动方程组与化学反应动力学模型耦合求解的计算效率,提供了一个较好的机理模型;也为先进发动机燃烧室的性能评估和设计定型提供了坚实的理论基础.     

高温下掺氢天然气层流预混火焰传播特性

利用本生灯-纹影系统及CHEMKIN-PRO对高温下掺氢天然气层流预混火焰传播速度进行实验及数值模拟研究,并从热力学及化学动力学效应方面讨论了初始温度对掺氢天然气层流预混火焰传播特性的影响.结果表明:GRI-3.0机理能较准确地预测293~500K条件下的掺氢天然气层流预混火焰传播速度;在相同初始温度下,混合物层流预混火焰传播速度在高掺氢比时增幅更显著;在相同当量比下,混合物层流预混火焰传播速度及绝热火焰温度随初始温度的升高呈近线性增加;高温下,H自由基浓度的增大进一步增强了H+O₂=O+OH对整体燃烧反应的促进作用,使混合物层流预混火焰传播速度显著加快.     

微细通道中甲烷预混火焰传播的实验

对微细通道中甲烷/氧气(空气)预混火焰传播现象进行了实验研究。确定了火焰能够在细管中稳定传播的当量比极限,以及在不同甲烷百分比下火焰的传播速度。结果表明:在室温条件下,甲烷和氧气预混火焰可以在细管中稳定地停留在一点燃烧,并且可以很好地控制其移动;相反,对于甲烷和空气的预混气体,即便环境温度在1 100K以上,也不能在微细通道中得到稳定的火焰。在同一甲烷流量下存在着两个当量比极限。在这两个当量比之间,火焰可以进入细管传播。在较小气体流量下,当氧气过量时微细通道中甲烷和氧气预混火焰的传播速度与宏观尺度下火焰的传播速度基本相当,随着流量的增加火焰传播速度很明显地增加。