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。     

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.     

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.     

碳酸二甲酯层流火焰特性的实验和数值研究

在定容燃烧弹上,利用高速纹影摄像系统对碳酸二甲酯(DMC)的预混层流燃烧特性进行了研究,获得了不同温度、压力和当量比下的层流燃烧速度、马克斯坦长度和胞状结构的临界半径,同时对火焰不稳定性进行了理论分析。研究表明:层流燃烧速度随当量比的增加先提高后下降,在当量比为1.1时达到峰值;层流燃烧速度随初始温度的升高而提高,随初始压力的增加而降低;马克斯坦长度、临界火焰半径随当量比和压力的增加而减小,表明火焰不稳定性随初始压力和当量比的增加而增强;临界贝克来数Pe随当量比的增加而减小。利用Chemkin软件对预混层流燃烧速度进行了数值模拟,结果显示,Glaude机理对DMC层流燃烧速度的模拟值与实验测量值有较大偏差,表明该机理不能很好地预测DMC的层流燃烧速度。     

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。     

不同初始条件下页岩气层流燃烧火焰结构分析

应用Chemkin4.5中预混层流火焰速度模型,调节燃烧初始条件,针对页岩气层流燃烧的火焰结构开展了研究.探讨了页岩气层流燃烧时,初始温度、初始压力和氮气稀释度对页岩气反应物、生成物和自由基摩尔分数的影响,分析了H+OH基摩尔分数峰值和绝热火焰温度的变化规律.结果表明:当燃烧初始温度升高时,燃烧反应速度加快,H+OH基摩尔分数峰值提高,页岩气预混层流燃烧速度加快;燃烧反应速度随初始压力的增大而加快,自由基摩尔分数下降,由于反应速度的增加小于密度的增加,火焰传播速度下降;由于反应物裂解作用减弱,初始压力增大时,绝热火焰温度提高;氮气稀释度升高,空燃比提高,反应物、生成物和自由基摩尔分数下降,绝热火焰温度降低,燃烧速度下降.     

四组分汽油替代燃料的化学动力学模型

该文通过反应路径分析和灵敏度分析,发展了甲苯氧化子机理,进而构建四组分(异辛烷、正庚烷、甲苯、乙醇)汽油替代燃料的化学动力学模型。该模型包含75个组分和305个基元反应。验证结果表明:该模型不仅能够准确计算单组分燃料的着火延迟时间、火焰传播速度和火焰结构,而且在一定的压强和温度范围内,能够较准确地计算多组分汽油替代燃料的着火延迟时间,反映不同辛烷值汽油的自燃特性。该文提出的四组分汽油替代燃料动力学模型包含较少的组分数与基元反应数,更有利于在汽油燃烧的多维计算流体动力学(CFD)模拟中得到应用。     

正丁醇预混层流燃烧试验

基于定容燃烧弹,利用高速纹影摄影和球形火焰扩展法,分析了不同燃空当量比(0.7~1.6)、初始温度(400,430,460 K)、初始压力(0.1,0.2,0.3 MPa)对正丁醇-空气预混层流燃烧的影响.研究了正丁醇-空气层流燃烧速度、火焰传播速度和拉伸率等关键层流燃烧特性参数的变化规律.结果表明:随着燃空当量比的增加,火焰前峰面稳定性变差,火焰传播速度和无拉伸火焰层流燃烧速度均呈现先增加后减小的趋势;随着初始温度的增加,火焰传播速度和无拉伸层流燃烧速度均增加,火焰前峰面稳定性下降;随着初始压力的增加,无拉伸层流燃烧速度和火焰传播速度均减小,火焰前峰面稳定性变差;火焰前峰面拉伸率随拉伸火焰传播速度的增加而逐渐减小.     

4类碳氢燃料的高温燃烧反应简化建模

以正辛烷(n-C₈H₁₈)、异辛烷(i-C₈H₁₈)、甲基环己烷(CH₃cyC₆)和正丁基苯(A1C₄H₉)4类大分子碳氢燃料为对象,探究了简化建模方法对含不同官能团的碳氢化合物燃烧反应动力学的适用性。建立了上述4类碳氢燃料的简化反应动力学模型,包含124个化学组分和854个基元反应;采用热解反应和氧化反应过程的主要中间产物分布、点火延时时间、层流燃烧速率等基础燃烧数据对该模型进行验证;分析了4类燃料中间产物的碳分布及对宏观燃烧特性的影响;以n-C₈H₁₈为例,采用误差传播直接关系图谱法对所建简化模型进行进一步简化,简化后的模型包含56个化学组分和387个基元反应。结果表明:本简化建模方法不仅对直链烷烃和支链烷烃有较好描述,同时适用于环烷烃和烷基芳香烃的燃烧化学;不同官能团的大分子碳氢燃料裂解中间产物的不同决定了其宏观燃烧特性;该建模方法通过进一步简化,可有效与先进计算...     

航空煤油火焰蔓延脉动过程数值模拟研究

建立了航空煤油火焰脉动模型,并进行了数值模拟.根据航空煤油的活化能计算平均反应速率,参照火焰温度的实验测量结果,确定以最大燃烧化学反应速率0.077kg·m-3·s-1为航空煤油着火判据.通过对燃料蒸气浓度分布、速度矢量分布、反应速率分布和温度分布数值模拟结果的分析,将航空煤油火焰蔓延脉动过程划分为发展阶段和衰退阶段,并证明主火焰的着火方式主要包括扩散燃烧和预混燃烧,闪燃火焰为预混燃烧.建立了航空煤油火蔓延脉动频率预测模型.证明燃料初温低于闪点时,火焰脉动频率随T00.58正比增长;当燃料初温高于闪点时,脉动频率随T0正比增长.     

高压直流电场作用下的甲烷-氧气层流扩散火焰稳定性

设计开发了直流电场作用下层流火焰实验系统，通过对甲烷-氧气非预混层流火焰施加直流电场，改变电极间距及燃烧当量比（氧气与甲烷实际物质的量之比与氧气和甲烷完全燃烧时物质的量之比的比值），对高速相机下火焰脉动幅度受电场影响的变化规律进行分析，探究了直流电场对火焰稳定性的作用及电场约束火焰的可行性。结果表明：对于存在脉动的层流扩散火焰，当对其施加高压直流电场时，火焰受到离子风的作用，其脉动幅度会逐渐减弱直至趋于稳定状态，且火焰稳定时所对应的电场强度与其初始的脉动幅度有关，初始振幅越大则火焰稳定所需的电压越高。同时，电极间距的改变也会影响火焰稳定时所需的电场强度，当电极间距改变较大时，对同一当量比的火焰，间距越大则所需的稳定电压就越高。     

高辛烷值燃料-空气预混层流燃烧特性研究

在定容燃烧弹中采用高速纹影摄像方法研究了不同当量比(φ=0.8～1.4)和初始温度(373K,423 K,473 K)下高辛烷值燃料-空气预混合气的层流燃烧特性,分析了当量比和初始温度对燃烧的影响.结果表明:拉伸火焰传播速率、无拉伸火焰传播速率、拉伸层流燃烧速率和无拉伸层流燃烧速率随着初始温度的增加而增加,无拉伸层流燃烧速率在φ=1.0～1.1附近有最大值;马克斯坦长度随初始温度的增加而增加,随当量比的增加而减小;燃烧压力峰值与混合气质量的比值在φ=1.1时出现最大值,初始温度增加,该比值相应增加.     

汽油层流燃烧速度的测量及其替代物模型研究

针对实际汽油组分复杂导致数值模拟研究困难的问题,采用球形火焰法,在定容燃烧弹上测量了初始温度分别为358、403、448 K,初始压力分别为0.1、0.2、0.5 MPa,当量比为0.8～1.5工况下,实际汽油、正庚烷、异辛烷、甲苯、异辛烷/正庚烷混合燃料(PRF)、甲苯/异辛烷/正庚烷混合燃料(TRF)的层流燃烧速度,分析了初始温度、压力以及当量比对汽油的层流燃烧速度的影响规律,对比了不同替代物模型对实际汽油的层流燃烧速度的预测结果。基于实验结果,构建了适合我国汽油的双组分和三组分汽油替代物模型,对比结果表明,在本研究的实验工况范围内,三组分汽油替代物模型比双组分汽油替代物模型能够更好预测实际汽油层流燃烧速度。应用Chemkin软件和KAUST清洁燃烧研究中心近期发展的汽油替代物机理,对本研究实验数据进行了数值仿真,该机理对实验数据给出了合理预测。利用本研究提出的汽油替代物模型,可对实际汽油的层流燃烧速度进行合理的预测。     

甲醇微小尺度燃烧反应动力学模型的简化和优化

采用基于误差传播的直接关系图法（directed relation graph with error propagation,DRGEP）、全物种敏感性分析法（full species sensitivity analysis,FSSA）和基于反应路径法的直接关系图法（directed relation graph with path flux analysis,DRGPFA）对甲醇燃烧详细机理进行了简化,利用敏感性分析法筛选出关键基元反应,通过指前因子扰动法进行粗扰动和细扰动分析,并对甲醇简化机理进行了优化和验证。结果表明,FSSA简化机理含有16种组分、65个基元反应,能较准确的预测点火延迟时间和层流火焰速度;V6–3–4优化机理的预测精度较详细机理更接近试验值。     

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.     

航空煤油反应动力学模型的发展现状和挑战

航空发动机数值仿真有助于加速发动机的研发进程，但需要准确可靠的航空煤油燃烧反应动力学模型。该文总结了近20年国内外航空煤油(Jet A和RP-3)及其模型燃料的研究进展，包括航空煤油的主要成分及理化性质测定、航空煤油及其模型燃料的基础燃烧实验、模型燃料构建方法及配方组成，以及模型燃料反应动力学模型的发展与验证等方面。航空煤油燃烧数值模拟的关键在于模型燃料的建立及其详细、简化燃烧反应动力学机理的发展，在高保真刻画燃烧反应动力学特性的前提下，航空煤油简化机理最终用于航空发动机燃烧室的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真。该文将航空煤油反应动力学模型研究分为航空煤油的实验研究、模型燃料构建及其反应动力学模型研究3个部分，并着重讨论了此部分的发展现状与挑战。     

高温高压条件下甲醇-空气-稀释气层流燃烧速度测定

利用高速纹影摄像法在定容燃烧弹内研究了不同初始压力、初始温度、气体稀释度和燃空当量比下甲醇一空气混合气预混层流燃烧速度和Markstein长度,分析了火焰拉伸对火焰传播速度的影响．基于火焰纹影照片,分析了火焰前锋面形态随混合气初始状态的变化规律．结果表明：甲醇-空气混合气层流燃烧速度随初始压力的增加而降低,随初始温度的增加而增加．氮气作为稀释气添加后,混合气的燃烧速度随稀释度增加而减小．Markstein长度值随初始压力增加而减小,随初始温度增加而减小,随气体稀释度增加而增大．随初始压力增加,火焰前锋面不稳定性增加,皱褶火焰前锋面出现的时刻提前．     

H2/RP-3航空煤油混合燃料着火特性研究

实现碳氢燃料的快速点火与稳定燃烧是超燃冲压发动机研制过程中必须解决的关键问题。在航空煤油中添加乙醇燃料,利用乙醇热分解得到氢气等可燃小分子气体来改善燃烧过程是达到促进航空煤油着火与燃烧稳定的有效手段。选取正癸烷、甲苯、丙基环己烷三组份混合燃料作为RP-3航空煤油的模拟替代燃料,构建了其燃烧反应机理;并对该机理进行了验证。为揭示氢气对RP-3航空煤油着火特性的影响,构建了RP-3航空煤油/氢气混合燃料的燃烧反应机理;并对该机理进行了验证。同时,采用该燃烧反应机理分析了多工况下掺氢比对RP-3航空煤油着火特性的影响。结果表明,采用正癸烷、甲苯、丙基环己烷三组份混合燃料的燃烧反应机理计算得到的着火延迟时间与相应工况下RP-3航空煤油着火延迟时间的试验数据吻合良好;多工况下氢气添加能够提升RP-3航空煤油/氢气混合气活性,缩短着火延迟时间,促进燃料着火;同时,随着混合气中掺氢比的升高,混合气的着火延迟时间逐渐缩短。     

正丁醇/正庚烷预混层流燃烧特性的试验研究

利用向外传播的球形火焰,试验研究了初始温度为393 K和初始压力为0.1 MPa时,当量比和正丁醇的掺混量对正丁醇/正庚烷掺混燃料的层流燃烧速度和火焰不稳定性的影响.试验结果表明:混合物的层流燃烧速度随当量比的增大先增大后减小,随正丁醇掺混量的增加逐渐增大;火焰不稳定性随当量比的增大而增加,低当量比时随正丁醇掺混量的增加逐渐增加,高当量比时随掺混量的增加逐渐减小,当量比1.1时火焰不稳定性受掺混量的影响不大.     

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。