乙炔火焰中添加H_2O/CO_2对碳烟颗粒尺寸分布的影响

基于颗粒群平衡理论,构建一维层流预混火焰中碳烟颗粒动力学演化过程的数学模型.该模型包含了颗粒的成核、凝并、表面生长和氧化等过程,采用Monte Carlo随机算法进行求解.结合详细的化学反应机理,搭建了求解碳烟颗粒尺寸分布的计算平台.分析了乙炔层流预混火焰中添加二氧化碳和水两种组分时对碳烟生成的影响,获得了0%、20%和40%3组不同添加比例下的碳烟尺寸分布.结果表明,在当量比为2.5且保持不变的情况下,添加二氧化碳和水能够有效降低碳烟的生成,其中添加40%水时对碳烟的抑制效果更加明显;同时,二氧化碳和水的添加使得大粒径碳烟颗粒数量降低.     

添加氢气对异辛烷燃烧的化学作用机理研究

为了辨析氢气(H_2)的化学作用对异辛烷(iC_8H_(18))燃烧主要产物和中间产物的影响,该文对添加氢气的异辛烷层流预混火焰进行化学反应动力学分析。结果表明,随着H_2添加量的增大,一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO_2)和甲醛(CH_2O)等主要产物,H、O、OH自由基以及甲醛中间产物的摩尔分数减少。H_2的化学作用促进上述产物的生成,而H_2的热作用和稀释作用使这些产物的浓度降低并占主导地位。H_2的化学作用对乙炔(C_2H_2)的抑制作用随着H_2添加量的增大呈非线性变化。     

掺氢对二甲醚预混层流燃烧特性的影响

利用定容燃烧弹试验和化学反应动力学数值模拟相结合的方法,研究了不同氢气掺混比下的二甲醚-氢气-空气预混层流火焰特性,分析了氢气掺混量(掺氢比)对二甲醚预混层流燃烧速度、绝热火焰温度以及火焰中主要活化自由基的影响。试验结果显示:随掺氢比的增大,混合气体的层流燃烧速度、绝热火焰温度逐渐增大,且在掺氢比小于80%时增大幅度较小,在掺氢比大于80%时,增大幅度较大;掺氢比较小时,混合燃料燃烧初期,火焰中会有一定量的氢气生成,说明混合燃料燃烧过程中,二甲醚会被优先氧化分解,在掺氢比较小的混合燃料燃烧过程中二甲醚的氧化分解占主导地位;随掺氢比的增大,火焰中自由基的浓度逐渐增大,大掺氢比时H自由基浓度增大幅度更为明显,H自由基浓度随掺氢比增大的剧增导致层流燃烧速度的剧增。     

水蒸气对合成气层流火焰传播特性的影响

选用Davis-机理模拟研究初始温度400 K时,含有水蒸气的合成气/空气预混层流火焰传播特性.结合敏感性分析,从热力学效应、直接化学反应效应及化学三体反应效应方面详细分析水蒸气稀释作用.研究结果表明:当燃料中氢气的体积分数大于25%时,层流火焰传播速度、绝热火焰温度及重要自由基摩尔分数均随稀释剂比例的增加显著降低;在水蒸气整体稀释作用中,热力学效应起支配作用;随氢气体积分数的增加,当混合物当量比较小时,直接化学反应效应影响从促进作用发展为抑制作用;当稀释剂较少时,化学三体反应效应影响存在显著的抑制—促进—抑制作用的变化过程.     

菲分子作为成核和沉积组分的碳烟生长研究

将菲分子(A3)作为成核和沉积组分,重建了碳烟成核和表面沉积模型,结合详细的化学反应机理,模拟了低压乙炔/氧气/氩气层流预混火焰,获得火焰中主要气相组分摩尔分数和碳烟颗粒体积分数、粒径等相关信息.通过将模拟值与实验值对比分析,结果表明:采用改进的碳烟模型可以较为准确地预测主要气相组分的摩尔分数,该模型对碳烟颗粒的数密度、体积分数和表面积的计算更为准确,验证了模型改进的有效性.     

部分预混层流火焰结构的数值研究

针对部分预混层流火焰,在分析了常见火焰面方程不足的基础上,使用了一套详细考虑了组分不同输运系数的火焰面方程对其进行数值模拟.模拟结果与物理空间求解结果间的比较表明,此套方程能够在保证相容性的同时获得相当好的模拟精确度.此外,在火焰面方程中采用不同的标量耗散率模型对部分预混火焰进行了数值计算,结果显示标量耗散率模型的精确程度对于模拟结果有着重要影响.进一步利用火焰面方程数值研究了部分预混层流火焰结构对于标量耗散率变化的响应,捕捉到其在低标量耗散率下区别于非预混火焰的双火焰结构的存在,并讨论了此现象产生的原因.     

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.     

主碳链长度对脂肪酸甲酯扩散火焰碳烟生成及其演变规律的影响

研究主碳链长度对于脂肪酸甲酯的同轴层流扩散火焰中碳烟的生成及其演变规律的影响.针对丁酸甲酯、辛酸甲酯及癸酸甲酯扩散火焰,采用激光诱导炽光法,结合热泳探针取样后的透射电子显微镜图像,分析火焰中碳烟体积分数的2维分布及碳烟颗粒的形貌特征.实验结果表明:随着主碳链长度的增加,脂肪酸甲酯扩散火焰的碳烟体积分数增大,碳烟的生成与积聚更为提前,表面生长速率更快;通过化学反应动力学模拟3种脂肪酸甲酯的热解氧化反应,验证了激光诱导炽光法的实验结果;随着主碳链长度的增加,脂肪酸甲酯的热解起始温度有所降低,C_2H_2、C_2H_4等中间物质的产生有所增加,多环芳香烃的生成速率更快;通过对苯环生成路径的敏感性分析可知,在丁酸甲酯热解中,第1个苯环的形成主要为C_4+C_2的生成路径,而辛酸甲酯、癸酸甲酯热解中苯的形成有C_4+C_2、C_3+C_3两种生成路径,且C_3+C_3生成路径占主导地位.     

异辛烷掺混乙醇在高温下层流预混燃烧特性的研究

利用高速纹影摄像系统,在定容燃烧弹上对异辛烷掺混乙醇的层流预混燃烧特性进行了研究,获得了两组压力为0.1、0.5MPa,5组乙醇体积掺混比为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0,初始温度为433K下的层流火焰速率。为了去除火焰面拉伸作用的影响,数据处理采用非线性方法进行推导。研究结果表明,在不同当量比条件下,异辛烷/乙醇混合燃料的层流火焰速率均随初始压力的增加而降低,随乙醇体积掺混比的增加而逐渐增大。根据一步总反应假设理论,对该实验规律进行了分析,并且计算了热力学参数、输运特性参数和总体活化能,发现了化学反应动力学因素对层流燃烧速率的变化所起的主导作用。利用Chemkin软件,对预混层流燃烧速率进行了数值模拟,结果表明,Dagaut模型对异辛烷/乙醇混合燃料的预测效果更好。另外,采用Dagaut模型,对总体反应路径和火焰面结构进行了分析,发现乙醇的替代作用是乙醇掺入后对混合燃料层流燃烧速率起促进作用的原因。     

柴油机微粒分形生长数值模拟及其影响因素分析

根据柴油机碳烟颗粒生长过程中的成核、凝聚和枝接等生长特点,基于动态Monte Carlo方法建立了碳烟微粒分形生长过程的物理数学模型,对模型进行了数值求解,模拟了微粒凝聚和枝接的结构形态,并与实际碳烟微粒进行了形态上的对比．结果表明,枝接过程在形成链状排气微粒中起主要作用．对微粒生长过程中的温度和压力等环境因素进行了计算和分析,获得了碳烟微粒的分形维数与这些影响因素之间的关系．     

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．     

不同化学热力学建表参数对火焰面模型精度的影响研究

火焰面模型通过对燃烧过程的降维可以大幅减少求解燃烧场中化学反应所需的计算量.基于一维层流对撞火焰的数值解,构建了层流稳态火焰面模型(SFM)的化学热力学数据表并用于射流火焰的数值模拟.对所得到的火焰面数据表,分别采用基于混合分数和标量耗散率(Z,χZ)以及预混火焰面生成流形(FGM)方法中的混合分数和反应进度变量(Z,Yc)两种参数形式进行查表.通过火焰面坐标变换的方法,分析平面火焰中的流形特征,研究使用不同参数形式查询火焰面数据库对所得到的模拟结果的影响.两种查表方式得到的解与采用计算化学反应源项输运方程的直接数值求解方法(DNS)得到的解的对比结果表明,使用(Z,Yc)查表参数形式得到的解相比直接采用(Z,χZ)查表参数形式得到的解,更接近于DNS方法得到的解.     

典型富氢燃料气预混火焰的熄灭特性

宽燃料适应性是先进燃气轮机的重要设计要求之一,燃用来源广泛的富氢燃料气是燃气轮机未来发展的重要方向,因此富氢燃料气的湍流火焰熄火特性应成为燃气轮机燃烧室设计过程中重点关注的问题。该文通过使用优化的对冲火焰实验方法和数值模拟计算方法,比较了2种典型的富氢燃料气在层流和湍流燃烧状态下的熄灭拉伸率,并分析了贫燃侧2种燃料预混火焰熄灭拉伸率差异的主要原因。结果表明：在该文研究的工况范围内,采用数值模拟方法可较好地预测层流和湍流火焰的熄灭拉伸率。在层流燃烧状态下,火焰锋面内活性自由基H、 O和OH的物质的量浓度相对更高的富氢燃料气,其火焰锋面内部的关键化学反应速率和释放热量的速度更高,因此能抵抗更高程度的火焰拉伸形变。湍流作用加快了火焰锋面内部的反应速率,但同时会使热量更快地从火焰锋面内部向外输运,相比于层流火焰,湍流火焰熄灭拉伸率降低。     

基于辐射光谱的对冲扩散火焰碳烟温度和体积分数的测量实验研究

对冲扩散火焰是研究碳烟生成特性的理想平台，温度是碳烟生成的重要影响因素，碳烟体积分数是衡量碳烟生成率的重要指标，因此对冲火焰中碳烟温度和体积分数的准确测量对于开发减少碳烟排放策略至关重要。文章基于碳烟多光谱辐射(soot spectral emission, SSE)方法同步测量对冲火焰中的碳烟温度和体积分数。考虑到对冲火焰空间尺度小，需要较高测量空间分辨率和位置精度的特点，开发一种用于对冲火焰精准测量定位的方法，有效地提高实验测量的位置精度；同时建立一套基于热电偶的光谱响应函数原位标定系统；最后使用SSE方法对常压环境不同工况下乙烯对冲扩散火焰的碳烟温度和体积分数进行测量。测量结果验证了对冲火焰碳烟温度场和浓度场的准一维性质；通过与消光法实验数据和采用详细化学反应机理的数值计算结果的对比，验证了SSE方法测量对冲火焰中碳烟温度及体积分数分布的可行性。     

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.     

O2对乙烯扩散火焰在轴线上碳烟生成的影响

为探究乙烯扩散火焰在轴线上的碳烟生成特性,在一台层流同轴扩散火焰装置上,将氧气浓度(体积分数)控制为21%,24%,26%,28%和31%,使用碳烟颗粒采样装置对乙烯扩散火焰中不同轴向位置的碳烟进行采样．利用高分辨率透射电子显微镜对不同氧气浓度的碳烟颗粒样本进行观察和分析,结果表明：在相同的氧气浓度下,随火焰高度的增加,火焰轴线位置处的基本碳粒子平均粒径呈现先增大后减小的趋势,分形维数增加,团聚体从条状和链状向团状和簇状发展;在同一火焰高度,随着氧气浓度增大,基本碳粒子平均粒径减小,团聚体的分形维数变大,生成更多致密的网状团聚体,微晶的平均碳层间距和扭曲度都有所增加,碳层从平行排列变成弯曲排列．     

超细水雾作用下CH4层流火焰传播速度数值研究

层流火焰传播速度(LFPS)是研究分析燃烧与爆炸的关键特征参数,层流火焰速度下降率也是评价各种稀释剂对燃烧抑制效果的常用方法。基于CHEMKIN 17.0中的一维层流预混火焰速度计算模型,定量分析了稀释、潜热冷却、化学抑制对CH4-AIR层流火焰传播速度的影响规律;并考虑了化学当量比变化的影响。研究表明稀释和潜热冷都是降低CH4层流火焰传播速度的主要因素。随着稀释剂浓度的增加,稀释作用对火焰传播速度的影响增大,潜热冷却作用对火焰传播速度的影响减小,化学抑制作用的影响基本不变化,范围在8.8%~10.2%。化学当量比小于1.2时,化学抑制作用会降低火焰传播速度,降低比例在8.1%~9.7%之间;当化学当量比大于1.3时,化学抑制不起作用,甚至促使火焰传播速度的增大。     

预混火焰微小尺度燃烧传播机制研究

采用实验与数值模拟相结合的方法对预混气体火焰在平板狭缝中传播进行了研究,利用高速数字摄像系统对传播过程进行抓取。结果表明,当狭缝高度一定时,火焰的熄灭常数与临界火焰速度呈现的是近似直线关系。并对化学反应放热、壁面散热等与预混气体火焰传播与淬熄有关因子之间的内在联系进行分析,总结出预混气体火焰在平板狭缝中的传播与熄灭规律。对判断火焰在狭缝中是否淬熄提供参考,对选用阻火器及设计阻火芯提供一定的理论依据。     

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.     

稀释气对高甲烷含量天然气燃烧特性的影响

针对高甲烷含量天然气在实际发动机中燃烧温度过高、NOx排放过高的问题,利用定容燃烧弹实验和Chemkin软件模拟计算相结合的方法,对其预混层流燃烧特性进行研究,分析了不同稀释比和稀释气种类(N2和CO2)对混合气的层流火焰速度、NOx摩尔分数、燃烧压力和燃烧期等燃烧特性参数的影响。研究表明,层流火焰速度、质量燃烧率和热释放率均随稀释比的增加而减小,稀释气添加导致火焰温度下降,从而降低了NOx摩尔分数。Markstein长度和火焰厚度都随稀释比的增加而增加,火焰流动不稳定性得到抑制。添加稀释气导致燃烧压力峰值和压力升高率降低、燃烧期延长,与N2相比,CO2对混合气燃烧特性的稀释效果更加显著,从而为通过废气再循环技术路径降低高甲烷含量天然气发动机燃烧温度,控制NOx排放提供了理论指导。