用Fortran程序分析甲烷的燃烧问题

根据甲烷燃烧过程的热力学性质，用Fortran程序研究了在绝热反应器中甲烷燃烧过程中的有关问题.分析了在绝热反应器中甲烷用量恒定时，不同量的空气对燃烧温度、化学组成、流动能及热传递能的影响.实验表明，燃烧过程中使用过量的空气且没有离解反应发生时，其中有2种状态具有相同的组成，同时xN     

甲烷煤尘爆轰参数计算及实验研究

为研究甲烷煤尘爆轰过程中气固两相耦合效应及量化关系.采用理论分析和实验的方法,计算了不同体积分数的甲烷、不同质量浓度的煤尘及甲烷煤尘混合物在燃烧、爆轰过程中爆压和爆速等重要参数.理论分析揭示了燃烧波、爆轰波的传播特征,爆炸实验验证了燃烧波和爆轰波传播规律.研究结果表明:甲烷的燃烧加速煤的热解,煤粉挥发份析出较快;初始阶段甲烷气体的反应速度快,压力上升速率快;煤在高温下快速热解出可燃气体,并发生闪燃;因此,甲烷煤尘混合物爆轰比单一的气相、固相爆轰的分析和测试困难的多.该研究成果对于煤矿安全生产防治抑爆技术等应用具有参考价值.     

超细水雾对甲烷-煤尘爆炸过程抑制机理研究

为了研究超细水雾对甲烷-煤尘混合爆炸过程的作用规律，在20 L长方体爆炸装置中进行了抑爆实验.同时基于甲烷气体、雾滴颗粒、煤尘颗粒在受限空间内的蒸发、脱挥发、燃烧过程，建立了超细水雾抑制甲烷-煤尘混合爆炸的数学模型.同实验进行对比可知，数值模拟得到的爆炸压力可准确反映实际爆炸过程.结果表明，超细水雾的加入改变了爆炸的传播规律.与无抑制的甲烷-煤尘混合爆炸相比，加入超细水雾降低了已燃区的气相温度及煤尘颗粒温度，并推迟了火焰阵面沿轴向的传播过程.煤尘颗粒温度分布表明，超细水雾在推迟煤尘颗粒升温过程的同时，反应区煤尘颗粒的中位温度也明显降低.随着超细水雾浓度的不断增加，其对甲烷-煤尘混合爆炸的气相燃烧过程和颗粒脱挥发及燃烧过程的抑制效果也不断增强.研究可为工业生产中甲烷-煤尘爆炸强度预测和水雾抑制提供参考.     

催化壁面对微型燃烧腔内甲烷燃烧影响的数值模拟

为研究不同催化壁面对燃烧的影响,采用甲烷和空气预混催化燃烧方式,运用连续介质层流有限速率模型和二阶离散方法对微型燃烧腔内不同催化壁面对甲烷催化燃烧的影响进行了三维数值模拟.结果表明,壁面温度、甲烷与氧气摩尔比和甲烷质量流量变化时,下催化壁面对甲烷催化燃烧效率影响最大,侧面次之,上催化壁面最小.下催化壁面单位面积催化燃烧效率约是上催化壁面的3倍,其催化剂利用率也最高.涂敷催化剂时,下底面应适当多涂,侧面适量,上底面尽量少涂.得到了不同催化壁面对甲烷催化燃烧的影响规律和贡献率,提出了涂覆催化剂的优化策略,降低催化燃烧成本.     

微型动力装置内掺氢甲烷燃烧特性

针对微型动力装置存在的燃烧不稳定问题,研究了甲烷掺氢在圆柱型微燃烧室内的燃烧特性。确定了甲烷掺氢燃烧的空间气相化学反应机理,建立了自由活塞动力装置三维立体模型。在试验基础上,基于Fluent软件,数值模拟了甲烷掺混氢气和空气的燃烧过程,研究了掺氢比对微压燃着火界限、着火时刻、着火燃烧过程以及临界压燃初动能等的影响,分析了不同掺氢比条件下混合燃料的燃烧特性。研究结果表明:当物质的量比为0. 5时,掺入氢气可拓宽压燃气体着火界限,提高着火燃烧可靠性,使着火时刻提前。因氢气热值远低于甲烷热值,随掺氢比增大,活塞做功能力减小。当掺氢比为10%～20%时,装置具有稳定的燃烧性能和高做功能力。     

缸径和压缩比对微型内燃机微燃烧性能的影响

为了考察缸径和压缩比对微型内燃机微燃烧特性的影响规律和机理,采用层流有限速率模型耦合甲醇-硝基甲烷燃烧化学反应机理,对其燃烧过程进行了多维仿真.深入分析了缸径和压缩比对微燃烧特性的影响.仿真结果与实验结果比较一致,缸径对甲醇-硝基甲烷微型内燃机微燃烧特性影响显著.当缸径从9.00mm减小到3.38mm时,在压力上升阶段,缸内压力和温度增大;最高压力值先增大后减小,最终最高压力值下降约6×105 Pa,到达最高压力值所需时间缩短约30℃A;燃气燃烧速率也增大,完全燃烧时刻提前约40℃A.进一步分析揭示了缸径影响燃烧特性的本质机理,缸径对缸内燃烧特性的影响取决于缸内未燃燃气总量、散热损失占燃烧释放总热量比值、燃料完全燃烧时刻这3个因素.在给定参数下,实现完全燃烧临界缸径约为3.38mm.随压缩比提高,缸内压力和温度增大且最高压力值和温度值也增大.     

环形微细腔内甲烷催化转化效率的数值模拟

甲烷在微燃烧器内存在燃烧效率不高、燃烧不稳定等问题。为了研究微尺度下甲烷持续稳定燃烧的性能,采用催化燃烧方式对环形微细腔内甲烷与空气混合物在铂催化表面上的催化燃烧进行了数值模拟,研究了甲烷当量比、壁面温度对微通道内甲烷与空气混合物催化燃烧的甲烷转化效率的影响。结果表明,甲烷当量比、壁面温度对甲烷转化率有重要影响,通过催化可以促进甲烷在环形微细腔内的稳定燃烧。为了获得较高的甲烷转化效率,微燃烧器入口的甲烷当量比在0.8~1.0范围内较为合理,温度是影响环形微细腔内甲烷催化燃烧的主要因素,尤其在甲烷当量比较低时,温度的提高对甲烷的催化转化有更好的促进作用。甲烷的质量流量为6.5 g/h时,甲烷催化转化效率可达77%。     

管道内甲烷-空气预混火焰传播特性的实验与数值模拟研究

采用高速纹影摄像系统、压力传感器等对小型水平封闭管道内甲烷-空气预混燃烧火焰的传播过程进行了实验研究,得到了火焰锋面结构、传播速度和压力随时间的变化关系.研究结果表明,管道内预混火焰传播过程中,火焰结构会发生明显变化,即从向未燃气体凸出的球形层流火焰转变成向已燃气体凹陷的V形湍流火焰,同时伴有火焰传播速度的减小、压力的不断增大.另外运用标准k-ε模型,对非定常时的甲烷预混燃烧火焰进行数值模拟,得到了与实验结果类似的火焰传播特性和火焰结构的变化规律.     

微型动力装置内掺氢甲烷燃烧特性

针对微型动力装置存在的燃烧不稳定问题,研究了甲烷掺氢在圆柱型微燃烧室内的燃烧特性。确定了甲烷掺氢燃烧的空间气相化学反应机理,建立了自由活塞动力装置三维立体模型。在试验基础上,基于Fluent软件,数值模拟了甲烷掺混氢气和空气的燃烧过程,研究了掺氢比对微压燃着火界限、着火时刻、着火燃烧过程以及临界压燃初动能等的影响,分析了不同掺氢比条件下混合燃料的燃烧特性。研究结果表明:当物质的量比为0.5时,掺入氢气可拓宽压燃气体着火界限,提高着火燃烧可靠性,使着火时刻提前。因氢气热值远低于甲烷热值,随掺氢比增大,活塞做功能力减小。当掺氢比为10%~20%时,装置具有稳定的燃烧性能和高做功能力。     

微型动力装置内掺氢甲烷燃烧特性

针对微型动力装置存在的燃烧不稳定问题,研究了甲烷掺氢在圆柱型微燃烧室内的燃烧特性。确定了甲烷掺氢燃烧的空间气相化学反应机理,建立了自由活塞动力装置三维立体模型。在试验基础上,基于Fluent软件,数值模拟了甲烷掺混氢气和空气的燃烧过程,研究了掺氢比对微压燃着火界限、着火时刻、着火燃烧过程以及临界压燃初动能等的影响,分析了不同掺氢比条件下混合燃料的燃烧特性。研究结果表明:当物质的量比为0.5时,掺入氢气可拓宽压燃气体着火界限,提高着火燃烧可靠性,使着火时刻提前。因氢气热值远低于甲烷热值,随掺氢比增大,活塞做功能力减小。当掺氢比为10%~20%时,装置具有稳定的燃烧性能和高做功能力。     

N_2/CO_2/H_2O抑制甲烷燃烧数值分析

建立了CH4-O2预混气体等容绝热燃烧、爆炸的零维数学模型,并以此为基础对惰性气体抑制CH4点火、燃烧和爆炸的微观化学动力学过程进行数值模拟.数值计算结果表明,N2,CO2和H2O的加入,大大延长了CH4-O2预混气体的点火延迟时间,同时降低了燃烧反应系统温度.N2,CO2和H2O能有效抑制CH4点火、燃烧和爆炸,一方面源于CH4和O2在混合气体中的摩尔浓度被降低,致使离解出的H,O,OH和CH3自由基减少;另一方面则源于N2,CO2和H2O作为第三体稳定分子参与三元碰撞反应,使高活性的自由基转变成了低活性的稳定分子.相同条件下,CO2和H2O除了重点参与三元碰撞反应外,还不同程度地参与其他链式反应,而N2则是完全不参与其他链式反应.这就导致N2,CO2和H2O的抑燃、抑爆的能力和效果存在差异.     

不同加湿模式下甲烷湍流燃烧特性数值模拟

为研究水蒸气对甲烷燃烧的影响,基于简化的24步甲烷气相反应动力学机理,通过数值模拟的方法研究了在助燃空气和燃料中分别添加同体积的水蒸气对甲烷同轴湍流扩散火焰流场、组分浓度分布及污染物生成的影响,重点分析了中间产物OH基团对燃烧温度、污染物生成的影响.结果 表明:添加水蒸气后,两种加湿方式下整体燃烧室温度均降低,燃料预混水蒸气燃烧方式下降低幅度较大;该模式下对控制污染物排放效果优于空气预混水蒸气,最后基于燃烧稳定性和控制污染物排放确定了一种最优的蒸汽燃料预混比例为71.4％ CH4/28.6％ H2O.     

直喷式柴油机二甲醚喷雾燃烧的多维模型研究

使用KIVA程序模拟了小型直喷式柴油机燃用二甲基醚(DME)的喷雾燃烧过程,其中的喷雾模型包括喷嘴空穴流动、射流雾化、液滴破碎和喷雾碰壁等子模型．对燃烧过程,采用了一个简化的化学反应机理和新型的湍流模型——部分搅拌反应器(PaSR)模型,考虑了湍流混合作用对燃烧速率的影响、由计算所得的缸内压力和放热率曲线与试验值符合较好,并分析了缸内瞬态温度场和喷雾粒子轨迹的变化历程．结果表明,柴油机燃用DME时,其燃烧系统需要进行必要的优化．     

CuO/Al2O3作为载氧剂的流化床化学链燃烧数值模拟

以欧拉-欧拉双流体模型和气固非均相化学反应动力学为基础,嵌入了气固化学反应速率方程和反应内热源项的UDF(自定义函数)程序,对化学链燃烧燃料反应器——鼓泡流化床内气固两相流动及化学反应过程进行了数值模拟,并分析了甲烷进气速度对床内气固两相流动、传热及化学反应速率的影响.结果表明:随着甲烷进气速度增加,床内气固混合更加剧烈,气泡的产生、碰撞和破碎使得气固分布不均,流化质量下降,导致反应器内化学反应速率以及温度分布不均,床内局部存在的高温区域将使颗粒温度过高而烧结,降低了甲烷燃烧效率.     

全氧燃烧对喷火焰空间气流场和温度场的数值模拟

选用 k-ε 湍流模型、涡-耗散化学反应模型与 DO 辐射传热模型,以甲烷为燃烧气体,在全氧燃烧条件下,改变助燃气体氧气体积分数,模拟对喷火焰空间的气流场和温度场分布。研究表明：在对喷火焰空间中,气流发生对撞,形成温度较高的环流区域;随着氧气体积分数增大,甲烷喷入火焰空间的速度方向趋于发散,火焰温度增高,甲烷燃烧空间减小,火焰变得细长,高温区与玻璃液面的距离变大;抬高碹顶、错排喷枪、降低喷枪与玻璃液面距离和调节喷入燃料量可以改进对喷火焰空间温度场分布。     

基于化学平衡的等离子体助燃计算与分析

研究了非平衡等离子体助燃的机理,并用最小Gibbs自由能理论对注入粒子后甲烷的燃烧进行了计算。对注入不同量粒子后燃烧温度和燃烧产物的分析证明,等离子体所具有的化学动力学特性可以加快反应的进行,增加燃烧温度和降低燃烧污染物的排出,从而验证了等离子体在航空发动机燃烧室中助燃的可行性。     

大湿度旋流扩散燃烧的变工况特性

采用湍流雷诺应力微分模型和层流小火焰模型，对湿空气透平(HAT)带旋流器的燃烧室内甲烷扩散燃烧过程进行了数值模拟．对比了在加湿[200g／kg(DA)]和不加湿情况下，不同入口条件时[(304kPa，430K)，(507kPa，510K)，(709kPa，565K)，(912kPa，612K)]的燃烧室内部温度、速度以及NO组分分布的情况，分析了不同入口条件及湿度对HAT循环燃烧室扩散燃烧特性的影响．研究表明，随着入口空气压力的提高，回流区减小，回流中心位置前移，燃烧区最高温度增加，NO浓度增大；随着入口湿度增大，回流区减小，回流中心位置前移，燃烧区最高温度明显下降，NO浓度明显下降．结果表明，加湿燃烧可以降低污染物的排放，有利于燃烧室轴线尺寸的缩小．     

瓦斯爆炸火焰与压力波伴生关系的数值研究

从三维非定常守恒方程出发,采用58步化学反应模型,对瓦斯爆炸过程中火焰与压力波的伴生关系进行了数值模拟.在此基础上,模拟了氢氧燃烧驱动的破膜过程以及破膜前后压缩波、稀疏波对火焰阵面的影响;同时也详细研究了瓦斯爆炸过程中,压力波、火焰与障碍物的相互作用;通过实验和模拟验证了数学模型和所编程序的可靠性.     

融合注意力机制的煤层气产量动态预测

为了提升煤层气产量的预测精度,提出融合注意力(Attention)机制并结合卷积神经网络（convolutional neural networks,CNN）和长短期记忆神经网络（long short term memory,LSTM)的煤层气产量动态预测模型。利用随机森林变量筛选方法,确定井底流压、动液面高度、套压、冲次为排采过程中影响煤层气产量的主控因素;利用CNN信息提取优势,提取煤层气排采数据的特征向量,并将特征向量作为LSTM网络的输入;再将LSTM隐含层融合注意力机制提取重要信息权重,有效解决信息长期依赖性和信息丢失。实验结果表明：融合注意力机制的CNN-LSTM煤层气产量动态预测模型各方面均表现较优。具体表现为：1. 模型预测性能较好,利用不同模型对比预测,改进后的煤层气产量预测模型精度最高,比标准的LSTM预测精度提升了3%~4%;2. 泛化性能较优,预测同一区块不同生产天数的6口煤层气井产量时,预测60天日产气量的平均相对误差均小于5%,预测200天日产气量的平均相对误差均小于8%。     

Combustion characteristics and kinetics of anthracite with added chlorine

The combustion process of Yangquan anthracite (YQ) with the addition of 0.045wt%, 0.211wt%, 1.026wt%, and 2.982wt% chlorine was investigated using a thermogravimetric method from an ambient temperature to 1173 K in an air atmosphere. Results show that the YQ combustion characteristics are not significantly affected by an increase in chlorine content. Data acquired for combustion conversion are then further processed for kinetic analysis. Average apparent activation energies determined using the model-free method (specifically the KAS method) are 103.025, 110.250, 99.906, and 110.641 kJ/mol, respectively, and the optimal kinetic model for describing the combustion process of chlorine-containing YQ is the nucleation kinetic model, as determined by the z(α) master plot method. The mechanism function of the nucleation kinetic model is then employed to estimate the pre-exponential factor, by making use of the compensation effect. The kinetic models to describe chlorine-containing YQ combustion are thus obtained through advanced determination of the optimal mechanism function, average apparent activation energy, and the pre-exponential factor.