基于三代路径通量分析方法的甲烷燃烧机理简化

基于路径通量分析,以预选组分为基础,通过计算预选组分直接参与,及第二代、第三代间接参与的所有生成反应与消耗反应中其他组分相对于预选组分的路径通量之和,建立了一种新型化学机理简化方法。用该三代路径通量分析简化法对甲烷燃烧机理进行了简化,计算结果与详细化学机理、二代路径通量分析简化法简化机理进行了对比,证明了三代路径通量分析简化法具有更高的简化精度。对特定工况下三代路径通量分析法与二代路径通量分析法简化精度的对比,证明在着火延迟时间较小时三代路径通量分析法简化精度更高。     

耦合路径通量分析与敏感性分析方法的燃烧机理简化

针对采用单一燃烧机理简化方法的缺陷,本文提出了耦合路径通量分析与敏感性分析的一种新的机理简化方法,并用于甲烷与正庚烷详细燃烧机理的简化。将采用该方法所得到的简化机理与采用路径通量分析方法得到的简化机理分别用于燃烧过程模拟,并与直接采用详细机理的模拟结果进行对比分析,结果表明耦合路径通量分析与敏感性分析机理简化方法可以在保持计算精度的情况下进一步减少机理组分数和基元反应数目。路径通量分析与敏感性分析简化方法的耦合为化学反应流模拟中的大型详细化学机理的简化提供了新的解决方案。     

SiCl_4/H_2/O_2反应动力学及其化学加速计算

本文提出了一个SiCl_4/H_2/O_2反应动力学模型,并采用H_2/N_2/SiCl_4-N_2/O_2层流对冲扩散火焰实验验证提出的详细机理的准确性,结果表明提出的详细机理获得的结果与测量结果较吻合。该详细机理被应用于熔石英玻璃合成仿真,与四步总包机理相比该详细机理获得了更低且更准确的温度及二氧化硅质量分数。为了在仿真中加快化学计算,本文研究了自适应建表与动态自适应化学的组合化学加速算法TDAC,得出采用TDAC算法能够获得加速因子为2.0的加速效果,且除了SiO_2含量预测有小的偏差外,温度和OH含量预测均较准确。TDAC引起的误差可以通过自适应建表的容差值及DAC的简化阈值进行有效控制。另外,TDAC中初始搜索组分选择对机理简化结果有重要影响,最终产物SiO_2是影响简化结果的关键组分之一,应该被包含在初始搜索组分中。     

奇异摄动法简化化学反应机理

本文简单介绍了奇异摄动方法简化化学反应机理的原理,通过对反应过程中不同反应模态的特征时间来区分反应过程中的快慢模态,并由此确定简化机理的组分数,对氢气/空气、甲烷/空气的燃烧机理分别用CSP方法做简化,对GRI-2.11的简化机理论与详细机理对点火延迟时间和火焰传播速度进行了较宽压力和当量比下的验证,结果证明了该方法的有效性和准确性。同时也讨论了不同反应快模态数的选择对结果会产生的影响,为得到能模拟点火过程的简化机理提供一种参考方法。     

超低浓度甲烷流态化催化燃烧特性与模型验证

采用实验研究和理论分析相结合的方法研究了体积分数为0.15~3%超低浓度甲烷在0.5%Pd/Al_2O_3(质量分数)催化颗粒鼓泡流态化状态下的催化燃烧特性,根据其在密相区和稀相区的流动及反应特点,建立了低浓度甲烷催化燃烧反应模型,并在不同温度、进气甲烷浓度、床层高度等工况下进行了模型预测及与实验数据的对比分析。研究结果表明:考虑了稀相区中催化颗粒飞溅,模型计算数据与实验数据吻合较好,误差在5%以内;反应器出口无量纲甲烷浓度随着床层温度的升高、进气甲烷浓度的降低以及床层高度的升高而降低;通过与活塞流,全混流反应模型的对比分析,进一步验证了所建立的数学模型能够较好地反映超低浓度甲烷在鼓泡流态化状态下的催化燃烧特性。     

丙酸甲酯的自着火特性与模型研究

本文通过利用激波管实验装置,测量了丙酸甲酯(MP)在温度1020~1720 K、压力0.12~1.0 MPa、燃料浓度0.5%~2.0%以及当量比0.5~2.0范围内的着火延迟,并将实验结果与两个化学反应动力学机理(Princeton机理和Westbrook机理)的模拟结果进行了对比。由于两个机理都不能够很好地预测MP的着火延迟,通过对现有机理的优化,得到了一个改进的模型,该模型能够很好地预测本实验中MP的着火。     

分时窄带CARS光谱技术在测量烯烃浓度方面的应用

基于相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱技术机理,针对甲醇制烯烃(MTO)产物中多种组分烃类的探测需求,搭建了一套扫描式窄带CARS光谱实验装置。采用该装置对甲烷,乙烷,乙烯,丙烯分别进行CARS光谱扫描,获得了各分子的特征拉曼谱;并在相同实验条件下进行比对试验,得到不同分子特征峰处的CARS信号强度与目标气体浓度及其他背景气体之间的关系。通过建立简化模型对不同分子的CARS信号特征峰强度信息进行解析,提出了一种分时窄带CARS光谱探测多种拉曼活性气体浓度的方法,用于快速在线分析催化化工等领域中各类流体的组分。利用这种方法探测了甲烷,乙烯,丙烯的浓度,将实验误差控制在9%以内。     

一种基于MMC和REDIM技术的燃烧模型

基于近年发展的多维条件映射(MMC)小尺度混合模型及化学反应-扩散流形(REDIM)化学反应机理简化技术,提出一新型燃烧模型,将REDIM技术提供的"多维"流形与MMC技术所采用的"多维"条件映射概念有机结合,并将此燃烧模型应用到有限体积-拉格朗日粒子联合算法中。为了对新模型的性能进行初步验证,对一维的预混合层流火焰进行了数值计算,获得了该火焰的传播速度、厚度及组分的分布情况,并与基准的直接数值计算结果进行了对比研究,两者吻合良好。     

基于有限反应速率的扩散燃烧大涡模拟

本文发展了一种基于有限反应速率的湍流燃烧大涡模拟方法。基于此方法,对常压下,甲烷/空气平板射流扩散燃烧进行了大涡模拟.甲烷/氧气反应采用包含七种组分的四步反应简化反应机理,考虑了基于Arrienius定律的有限化学反应速率,瞬态结果和时均结果与DNS结果都符合很好。为了解决考虑有限反应速率后计算量急剧增加的问题,本文引入等效化学反应速率模型,在压力泊松方程的求解中采用了求解效率较高的快速傅里叶变换方法,并对整个程序进行基于区域分解的MPI并行编程处理。     

以NH_3为还原剂的SNCR反应机理简化

通过敏感性分析、准稳态假设的方法,对含有60个组分、371个基元反应的SNCR详细机理—(?)A机理,进行了系统的简化,得到了包含28个组分、97个基元反应的骨架机理,以及进一步的包含12个主要组分,8步总包反应的简化机理模型。用Chemkin软件中柱塞流反应器(Plug Flow Reactor,PFR)模型对详细机理和简化机理模型分别进行计算,结果表明简化机理相比详细机理计算量大大减小,并在较广的反应温度(800～1300℃)、氨氮摩尔比(0.5～2)、停留时间(0.01～1 s)等范围内可以准确反映详细机理对SNCR化学动力学特性的预测。与普遍使用的Fluent软件中的SNCR两步总包反应模型相比,本文所发展的简化机理模型在适用范围及准确性方面都有显著的改进。本文发展的简化机理模型可以为后续SNCR反应流的数值模拟提供参考。     

低压实验对高压条件下燃烧动力学模型预测的约束

实际发动机燃烧室的一般处于几十个大气压,但是实验室中的燃烧实验条件难以达到实际应用的压力范围。很多燃烧反应动力学实验需要在常压下进行来保证实验数据的准确性。针对这个问题,本文提出利用相对准确的低压实验数据来约束高压下燃烧反应动力学模型预测的思路,并引入模型相似性分析方法和全局灵敏性分析方法,讨论了氢气和甲烷着火延迟时间,质量燃烧率和层流预混火焰组分摩尔分数在不同压力下的化学动力学关联,进一步计算了不同类型低压实验数据对高压下燃烧反应动力学模型预测的约束能力。计算结果表明,低压和高压下燃烧反应动力学模型预测有着密切的关联,相对准确的低压下的实验数据能够有效的减小高压下燃烧反应动力学模型预测误差。     

中红外波段超快强激光场驱动的原子单电离

利用波长可调谐的强飞秒激光脉冲,在中红外波段系统地测量了氙原子的单电离离子产率随光强的变化关系。基于PPT模型和ADK模型进行了理论计算,并将理论计算结果与实验结果进行了对比,发现在整个测量区域,基于PPT模型的计算结果均与实验结果相符,而在较长波长、较高光强时基于ADK模型的计算结果与实验结果吻合较好。两种理论模型在深隧穿电离区域的一致性及其描述原子单电离行为的有效性在实验中得到了直接验证,可以利用这两种模型准确地标定长波长激光脉冲的绝对光强。     

甲烷气体在泡沫陶瓷中预混燃烧的数值模拟和实验研究

本文对甲烷气体在泡沫陶瓷内燃烧进行了数值模拟和实验研究.根据预混燃烧理论,建立了基于气固两相局部非热平衡模型,采用 26 种组分,77 步详细化学反应机理来模拟反应过程.边界上的辐射换热采用双通量法求解,为减少计算时间,计算区域内部利用扩散近似法求解.为减少边界条件对模拟结果精度的影响,提出了采用能量平衡方法,建立边界上的对流,导热和辐射的整个换热过程,模拟表明这种边界条件具有二阶离散精度.     

湍流扩散火焰局部熄火和再燃现象的PDF模拟

对一个值班湍流CH4／O2／N2射流扩散火焰(Sandia Flame D)进行了数值模拟研究．所采用的数学物理模型包括双尺度的k—ε湍流模型，标量联合的概率密度函数(PDF)输运方程方法，甲烷氧化的ARM简化化学反应机理(包含16种组分，12步总包反应)和欧几里德最小生成树(EMST)小尺度混合模型．将计算结果和实验数据进行了比较，不仅对于平均量，对于标量的散点分布和条件概率密度分布也是如此．计算结果表明文中采用的模型不仅能够预测宏观的火焰结构，而且预测了湍流燃烧中复杂的局部熄火和再燃过程．     

适用于HCCI燃烧的PRF化学动力学骨架机理

本文构建了一个适用于HCCI燃烧的PRF化学反应动力学骨架机理。该机理包含40种组分和65个反应。通过与激波管、喷射搅拌反应器、流动反应器和HCCI发动机的实验数据对比表明,新机理适用于多种反应器,可以较准确地计算着火点及关键组分的演变规律,并且在不同的温度、压力和当量比下具有较好的性能。在HCCI发动机的单区模型计算中,对于燃料PRF 91.8和PRF 70,骨架机理计算结果与Curran等人的详细机理计算结果基本相同。     

甲烷-空气预混火焰中OH∗,CH∗发光的定量测量及模拟

基于燃烧化学自发光的诊断技术对发动机诊断、监控有重要意义.针对碳氢燃料燃烧中OH*，CH*激发态物质的生成机理，及其与释热率、当量比的关系进行了实验与模拟探究.首先，利用提出的辐射标定手段对当量比0.7~1.33范围内甲烷-空气预混火焰进行了化学发光量化测量，通过波长分辨的光学收集系统，同时获得各发光组分的浓度，具有很强的便利性.然后采用一维燃烧反应模拟，对与实验工况相同条件下的发光辐射进行定量计算，并对比了释热分布与激发态物质（OH*，CH*，C₂*，CO₂*）的相互关系，计算结果表明，在甲烷-空气层流火焰中，OH*，CH*最合适标识释热率，C₂*次之，CO₂*与释热率分布几乎无相关性.通过实验与计算的对比结果，分析了现有OH*，CH*的各反应通道和常数的准确度，并评估了两自发光组分的主要生成反应路径.      

旋流燃烧NO生成的USM湍流反应模型

用统一二阶矩(USM)湍流反应模型对不同旋流数下甲烷-空气旋流燃烧NO生成进行了数值模拟,并和EBU-Arrhenius(E-A)燃烧模型对燃烧的模拟结果和简化PDF湍流反应模型对NO生成的模拟结果以及相应的实验结果进行对比。结果表明,USM模型显著地优于E-A模型和简化PDF模型。E-A模型不能合理地模拟有限反应动力学,而简化PDF模型用两个单变量PDF的乘积代替联合PDF,大大地低估了NO湍流反应率。USM模型预报结果和实验结果符合最好。     

描述家具VOCs释放特性的简化模型研究

家具中释放的挥发性有机物(VOCs)是造成室内空气质量低劣的主要原因之一,严重影响人们的舒适、健康和工作效率.为准确预测其释放特性,需建立相应的传质模型对其进行描述.现有的描述材料VOCs内部扩散、界面分配及表面对流过程的传质模型一般形式较为复杂,需要数值求解或者无穷级数求和,计算量较大,不便于工程应用。本文对现有传质模型及其解析解进行了深入研究,提出了一种新的简化双指数模型来预测家具VOCs的释放特性,可明显降低计算复杂度.基于文献中测定的释放关键参数,本文用简化双指数模型对环境舱及实际环境中的气相VOCs浓度进行了计算分析,所得结果与文献中的实验数据吻合较好,表明该简化模型具有较高的精度.     

基于格子Boltzmann方法的纤维增强气凝胶复合材料等效热导率求解

对于纤维增强SiO2气凝胶复合隔热材料的等效热导率,以往主要通过提出简化结构之后利用等效电路方法进行理论求解。本文提出一种纤维结构的计算机随机生成方法,生成了不同的纤维气凝胶复合材料等效结构单元;采用三维格子Boltzmann模型求解该等效结构的温度场,并计算了复合材料常温下的等效热导率。本文数值预测结果与理论计算结果及相关实验结果吻合良好,表明本文模型能够有效地预测纤维-气凝胶复合材料的等效热导率。     

紫外光谱法水体COD测量的线性-指数分段数学模型

利用紫外光谱法分析水体COD时,当样品达到一定浓度之后(仍处于朗伯-比尔定律通常被适用的浓度范围内),其溶液紫外吸光度与溶液COD数值会明显偏离线性关系,此现象在许多学者发表的紫外光谱论文中都曾有所提及。对此,选用海洋光学公司的S2000微型光纤光谱仪作为光谱测量仪器,选用PX-2脉冲氙灯作为激发光源,在温度为20℃(±0.5℃)及湿度为35%(±5%)的暗室中进行光谱实验,测量了COD值为40～680 mg·L~(-1)的34组邻苯二甲酸氢钾溶液样品的紫外吸收光谱,并基于样品紫外吸收特性进行了分析建模。采用相关系数法选取优势波段,通过对比样品紫外吸收光谱的第二特征峰和水质COD分析中常用波长处的COD-吸光度关系曲线动态特性,选定优势波长为275 nm。采用逐点延伸的方式,在较低浓度段利用鲁棒线性回归、较高浓度段利用非线性最小二乘回归,反复拟合线性或指数方程,滑动预测下一个数据点,根据均方根误差和相对误差判断预设低浓度临界点和较高浓度临界点,确定了低浓度段和较高浓度段COD-吸光度关系模型的分段点分别为300和560 mg·L~(-1),得到低浓度段模型和较高浓度段模型。通过在优势波长处进行低浓度段、较高浓度段和全浓度范围的鲁棒线性回归和非线性最小二乘法回归等不同模型的拟合精度比较,表明40～300和300～560 mg·L~(-1)范围内COD-吸光度关系的线性-指数分段数学模型,不仅拟合精度最高,而且预测效果好,低浓度段的预测均方根误差为4.944 9,较高浓度段的预测均方根误差为6.768 9,整体预测均方根误差为5.664 7。研究结果对紫外光谱应用于较高COD的水质测量和分析具有一定的参考价值。