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。     

燃烧反应动力学研究进展与展望

燃烧为当今世界提供了超过4/5的能源供应,在能源、交通、国防、工业等核心领域发挥着不可替代的作用.由于化学反应在燃烧中具有举足轻重的作用,因此燃烧反应动力学研究,特别是燃烧反应动力学模型的发展,可以帮助我们更好地认识燃烧现象、控制燃烧特性、掌握高效清洁燃烧技术.近年来以同步辐射真空紫外光电离质谱技术为代表的先进诊断技术在微观燃烧结构诊断中的应用和理论计算方法的发展极大地提高了燃烧反应动力学模型的精确性和适用性,促进了燃烧反应动力学科的飞速进步.本文综述该学科近期在理论计算、实验探测和模型发展方面的研究进展,并展望未来亟需开展或深入探索的研究方向.     

燃烧化学动力学研究2013年度报告

燃烧为现代社会提供了约80%的能源,在工业、运输、国防等领域均具有不可替代的作用。当前,燃烧学逐步从宏观现象学转向注重亚微尺度的湍流模拟和原分子层次的燃烧化学动力学研究,深入了解燃料组分、分子结构和燃烧条件与燃烧效率及污染物排放等的关系。开展对于航空燃料和新兴生物质燃料的燃烧本质和机理研究,在国家安全和能源战略等方面都具有重要意义。该年度主要针对真空紫外光电离技术在燃烧研究中的应用、航空燃料重要组分和生物质燃料燃烧化学动力学等方面开展了研究工作。在真空紫外光电离技术在燃烧研究中的应用方面,课题组将同步辐射真空紫外光电离质谱技术应用于常压层流预混火焰、煤热解和生物质热解等方面的研究,并在国际权威燃烧学期刊刊登文章,介绍对基于同步辐射的燃烧诊断方法的突破性发展以及在燃烧研究中的开拓性应用。在航空燃料重要组分和生物质燃料燃烧化学动力学研究方面,针对航空燃料重要组分甲基环己烷的热解及燃烧开展了实验和动力学模型研究,针对仲丁醇的热解和燃烧、正丁醇掺混的甲烷同轴扩散火焰和丙酸甲酯的低压热解开展了实验和动力学模型研究,对这些热点生物质燃料的燃烧化学动力学问题开展了深入的探索。     

初始NO_x对甲苯参比燃料燃烧相位影响机理研究

为了更好地理解低温燃烧环境下初始NOx对汽油自燃特性的影响,构建了一个异辛烷、正庚烷、甲苯低温氧化阶段与NOx相关联的反应模型.以甲烷、丁烷、乙烯等燃料与NOx的关联反应为基础,甄选并补充了汽油大分子替代燃料对应初始烃类物质与含氮组分反应以及低温阶段氮氧化物的生成与转化反应.与三种不同成分及配比结构的燃料实验数据对比,验证了此反应模型能用于预测NOx对相应燃料着火延迟及放热规律的影响,并对燃料在不同掺混比例时初始NOx的添加情况进行了分析,获得了初始NOx对不同燃料成分的主要作用途径.结果表明:系统燃烧相位会随初始NOx添加而提前,当燃料中以甲苯为主要成分时提前较多,而当主要成分为烷烃时,变动更为平缓.     

碳氢燃料燃烧热效应的化学平衡算法

基于化学平衡计算方法，提出了计算燃料燃烧热效应的新方法。以甲烷（CH4）为例求解了其在不同空燃比和反应温度条件下的产物组分及浓度。从化学热力学的角度，在较完整反应式的基础上，得到了CH4的反应热与反应温度和计量空气系数的关系，从而揭示了CH4环保、经济的燃烧条件是反应温度低于2400K，且过量空气系数大于1。对压缩天然气的燃烧计算和模拟结果表明：在发动机燃烧计算和模拟中，采用化学平衡分析热效应处理方法比低热值定等处理方法更合理。     

多重射流气相燃烧反应器内三维流场的数值模拟

采用标准的k-ε湍流模型、EDC(涡耗散)燃烧模型和DO(离散坐标)辐射换热模型对多重射流燃烧反应器内的流动及燃烧状况进行了三维全尺寸数值模拟。研究了不同工艺条件下燃烧反应器内温度、速度以及各反应组分的分布状况,考察了燃烧反应器径向温度分布等参数对最终颗粒尺寸、形貌特征的影响规律,并与同工艺条件下实验结果进行了验证,数值模拟与实验结果吻合良好。所建立的数学模型为燃烧反应器结构设计和工艺条件优化提供了依据,同时模拟结果也为纳米颗粒成核生长过程的研究提供理论依据。     

贫油预混燃烧室燃烧稳定性的数值研究

对工业燃气轮机所使用的典型贫油预混燃烧室内的不稳定燃烧特性进行了数值研究．应用非定常N—S方程，基于重整化群的RNG k-ε紊流模型及甲烷与空气的单步反应模型，数值模拟了某典型燃烧装置内2种条件下（空气入口速度分别为30和60m／s）的气流流动和压力振荡特性．在2种情况下分别可观察到稳定燃烧和不稳定燃烧，数值再现了由于当量比的扰动产生的不稳定振荡燃烧，所得结果同实验结果吻合很好．在模拟的2种情况下，燃烧可以是稳定的或非稳定的，取决于燃料喷注位置到火焰前沿的迟滞时间．通过改变燃料喷注位置，可使得振荡情况发生变化．所得结果为振荡燃烧的进一步分析和有效控制提供了研究基础．     

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。     

新型零碳氨燃料的燃烧特性研究进展

介绍了国内外对氨燃烧特性的最新研究成果,分析了氢气、合成气、甲烷等各种燃料掺混对氨火焰在点火延迟时间、层流火焰速度和NO_x排放特性方面的影响,阐述了近年来包含NH3组分的化学反应动力学机理模型的研究现状,并总结了现阶段的氨燃烧的工业化应用探索,为之后的相关研究提供参考．氨作为新型零碳燃料替代传统化石能源燃烧供能是可行的,未来发展纯NH3、NH3与各种气液固燃料的掺混燃烧技术及低NO_x燃烧技术,最终有望在内燃机、燃气轮机、锅炉等动力装置中大规模使用．     

碳化玉米秸秆燃烧过程的动力学

利用未反应核模型、随机孔模型和体积模型,对无烟煤、烟煤和碳化玉米秸秆的燃烧过程进行了动力学分析,研究玉米秸秆碳化后替代无烟煤和烟煤作为高炉喷吹燃料的可行性。结果表明,无烟煤煤粉的燃烧过程更符合未反应核模型的燃烧过程,而烟煤和碳化玉米秸秆更符合随机孔模型的反应规律。碳化玉米秸秆具有相对较低的起始反应温度和燃尽温度,在相同的温度条件下具有更高的燃烧反应速率,因此可作为至少部分替代无烟煤和烟煤燃料在高炉铁水冶炼过程中进行喷吹。     

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...     

氨滑动弧等离子体激励的数值建模

在双碳背景下，氨的使用及其燃烧难题的解决受到国内外学者的重视。针对改善氨燃烧问题，研究了二维流体动力学-零维反应动力学-燃烧动力学思路，分析了滑动弧等离子体条件下氨的裂解和燃烧特性。利用COMSOL计算软件建立了考虑电磁的二维流体计算模型，研究了滑动弧在反应器中的演化；建立了适用于氨的零维滑动弧模型，研究了滑动弧中全电离-转捩-非平衡3个阶段的温度和组分演化规律；利用CHEMKIN计算软件建立了燃烧模型，评估了等离子体对NH₃/air混合气燃烧特性的影响，此外对在混合气中添加CH₄进行了分析。结果表明，等离子体能够促进氨的裂解，降低氨的点火延迟时间，并且提高其层流燃烧速度，但是在混合气中将部分等离子体条件下的NH₃替换为CH₄后，整体燃烧效果有所下降。     

柴油机燃用二甲基醚(DME)应用基础理论研究

针对柴油机燃料能源消耗量大及排放废气污染环境的问题，进行了柴油机燃用二甲基醚应用基础理论研究。从二甲基醚喷雾混合理论、二甲基醚燃烧反应动力学机理等方面介绍了二甲基醚高效清洁燃烧基础理论研究的进展情况及其应用前景。     

基于粒子群算法的微纳米铁粉燃烧实验研究

为减少化石燃料的使用,开发清洁、低碳、可再生的新型能源,对微纳米铁粉燃料开展燃烧实验研究。通过微纳米铁粉的比表面积实验、热重分析实验、X射线衍射实验,得到不同粒径铁粉的比表面积、热重曲线以及X射线衍射图谱。分析粒径对比表面积、热重曲线的影响,研究不同粒径铁粉在40 K/min升温速率下的燃烧特性参数和燃烧动力学参数。并用粒子群算法拟合出微纳米铁粉的燃烧速率微分方程,建立微纳米铁粉的燃烧模型。结果表明：除了50 nm铁粉以外,随着粒径增大,铁粉的着火点温度、最高燃烧速率温度、燃尽温度、活化能、指前因子均增大。50 nm铁粉会在高温下发生熔化并凝结,使得燃尽温度上升,燃尽时间延长,不利于反应正常进行。对于粒径在50 nm～2μm范围内的铁粉,可以通过本文建立的铁粉燃烧速率微分方程近似计算不同粒径微纳米铁粉的燃烧特性参数和燃烧动力学参数,误差在允许的范围内。     

甲醇/F-T柴油预混燃烧的数值模拟

应用CHEMKIN-PRO化学动力学软件,构建甲醇/F-T(Fischer-Tropsch)柴油表征燃料-燃烧简化动力学机理(包含101种组分,692个基元反应).利用反射激波管模型模拟甲醇/F-T柴油在柴油机预混燃烧时的燃烧状况,探讨了在不同初始预混燃烧条件和不同甲醇掺混比下甲醇/F-T柴油的燃烧特性.模拟结果表明:初始温度和初始压力的增加都会加快各燃烧反应速率,但初始压力的增加会促进混合燃料完全燃烧,而初始温度的增加会抑制混合燃料完全燃烧;当量比的增加会抑制氧基生成,同时促进氢基的生成,对混合燃料的燃烧反应起抑制作用;随着甲醇掺混比的增加,F-T柴油的消耗速率和中间自由基的生成速率降低,抑制混合燃料的燃烧,氢基的消耗敏感性降低,而羟基和氧基的生成敏感性降低.     

垃圾衍生燃料的相关燃烧性能研究

采用热重技术对垃圾衍生燃料（R D F）及其中含有的几种典型组分进行了实验研究,探讨了它们的燃烧特性并计算出了对应的动力学参数。研究结果表明RDF的燃烧可分为四个阶段。为了进一步探索RDF的燃烧过程,该文研究了RDF中含有的几种典型组分在燃烧过程中的交互作用,燃烧实验表明RDF中的生物质与生物质混合燃烧不存在交互作用,生物质与非生物质混合燃烧存在交互作用,同时它们之间的交互作用提高了反应活性。     

铜锰负载型堇青石整体催化剂表面低浓度甲烷催化燃烧本征动力学研究

采用等温积分反应器，在常压、600~700℃和甲烷体积分数0.1%~1%的条件下，对国产铜锰负载型堇青石整体催化剂上低浓度甲烷催化燃烧本征动力学特性进行了系统的实验研究。以单纯形法对动力学实验数据进行最优化参数估计，建立了低浓度甲烷催化燃烧双曲型本征动力学模型，数理统计和残差分布检验结果表明，所建模型与实验结果良好相容，是适宜和可信的。     

电场与燃烧耦合研究进展

 为了提高能源转换效率、降低燃烧副产物的排放,利用电场增强燃烧、控制燃烧火焰特性已逐渐引起研究人员的注意.本文从竖向、横向(即径向)和单电极式等不同的电场形式对燃烧场的影响展开论述.不同的电场形式下,通过改变电场参数,对电场中不同燃料的燃烧火焰特性变化规律进行研究,以此考查电场与燃烧耦合时的特性.研究表明,利用竖向电场力来平衡浮力可以粗略模拟微重力下燃烧时的扩散火焰,燃烧速率受电场强度影响,4kV时最小;利用横向电场可以改变火焰形状(如高度降低)及颜色,也可以助燃低热值燃料,实现可靠点火和稳定燃烧;对于单极式电场,观察到3种不同类型的振荡火焰.然后,对利用电场降低燃烧副产物的可行性进行了阐述.最后指出,迄今未见对不同电场形式与燃烧火焰特性的系统研究,缺乏相应的基础数据、电场参与下的燃烧反应动力学模型以及完备的燃烧场耦合机制分析.     

温度对NOx生成影响的数值模拟

煤粉的高效、低污染燃烧一直都是国际社会共同关注的焦点问题。采用非预混燃烧模型,模拟煤粉在炉膛内燃烧过程氮氧化物（NOx）的生成,分析比较了燃烧温度对热力型NOx和燃料型NOx的生成速率、炉内的组分以及煤粉颗粒在炉膛中的停留时间等的影响,并对NOx控制技术研究进行了分析与归纳,并得出结论。随着燃烧温度增高,热力型NOx成指数关系增长,燃料型NOx的生成速率是降低的,还原速率是升高的。     

天津市政污泥热解及燃烧动力学特性的分析

利用热重分析仪,在氮气和空气气氛下分别对天津市政污泥进行热分析实验,并采用热重、微分热重、差示扫描量热等方法分析了市政污泥的热解特性及燃烧特性.实验结果表明城市污泥燃烧热反应可分为4个阶段:水分蒸发析出、污泥有机挥发成分析出燃烧、污泥有机质及固定碳燃烧、燃烧残余物及难分解物的分解.在实验条件下,污泥样品着火温度为277.5,℃,燃尽温度为540,℃.建立了天津市政污泥燃烧动力学模型,采用连续两方程拟合的方式,得到了上述主要阶段的表观活化能Ea和指前因子A.