低浓度甲烷均相燃烧动力学反应机理简化与分析

本文利用组分浓度敏感性分析法结合生成速率分析法,对甲烷动力学反应机理进行了简化,构建出一套含有18种组分、34步基元反应的简化机理。利用该简化机理与完整机理分别在瞬态及稳态零维均质模型中对低浓度甲烷反应过程进行了计算,并将计算结果进行了对比分析,结果表明在大尺度贫燃料区范围内简化机理与完整机理的计算结果吻合度较高,简化机理具有较高的精度。同时利用该简化机理在柱塞流模型中对低浓度甲烷均相反应程进行了预测,并与定温反应器中的实验结果进行了对比研究,实验结果证实简化机理对低浓度甲烷反应过程预测效果较好,该简化机理适用于计算低浓度甲烷均相反应过程。     

介质阻挡放电等离子体的化学动力学效应研究

为了进一步揭示等离子体强化甲烷点火过程的化学动力学机理,设计和搭建了介质阻挡放电等离子体激励空气的实验系统,实验测量了在空气中介质阻挡放电等离子体激励器产生的发射光谱,利用光谱技术分析了等离子体激励空气产生的若干活性粒子,给出了零维均质点火模型以及敏感性分析和化学路径分析的计算方法,模拟了不同初始温度下NO和O₃对甲烷点火延迟时间的影响,并分析了活性粒子NO和O₃强化甲烷点火的化学动力学过程。研究表明：介质阻挡放电等离子体激励空气主要产生N₂和O₂的若干激发态粒子,并最终转化成存活时间较长的活性粒子NO_x和O₃,等离子体对甲烷点火过程的影响可以简化成活性粒子NO_x和O₃对甲烷点火过程的影响;CH₃的氧化速率决定了甲烷点火过程的快慢,在自点火过程中CH₃的氧化路径是反应式R155和R156,初始温度较低时R155和R156的反应速率慢,所以甲烷的点火延迟时间长;NO缩短点火延迟时间是由于CH₃的氧化路径由自点火过程中的反应式R155和R156改为反应式R327 CH₃O₂+NO=CH₃O+NO₂和R328 CH₃+NO₂=CH₃O+NO;O₃强化甲烷点火过程同样是由于O₃改变CH₃的氧化路径,从化学动力学上缩短点火延迟时间。     

CH4/空气简化动力学机理数值验证

选择绕圆柱预混燃烧算例，验证CH₄/空气三种简化动力学机理（16s41r、15s19r和53s325r）.考虑均匀来流，忽略湍流和湍流与燃烧相互作用以及燃料扩散效应，假设层流有限反应速率，采用保自由流5阶WENO格式求解多组分Euler方程组，得到CH₄/空气预混燃烧流场温度等值线、沿驻点线压力和温度及其CH₄、CO和CO₂质量百分数分布.结果表明：三种简化动力学机理给出的流场均出现弓形激波和火焰面，弓形激波和火焰驻点距离及其形状、诱导区宽度和简化动力学机理相关.当圆柱直径增大，弓形激波和火焰向圆柱上游移动，对应的驻点距离均增大，诱导区宽度变短，点火延时变小，但火焰和弓形激波位置次序未变化.53s325r模型要比16s41r模型和15s19r模型精度要高，点火延时覆盖的压力和温度范围也较宽，所有简化机理均未完全反应，在较大圆柱直径下游达到化学平衡.     

正庚烷低温燃烧机理构建

基于课题组自主研发的高碳烃燃烧机理自动生成程序ReaxGen,构建了正庚烷低温燃烧详细机理(642个物种,2220步反应)。分别采用物质产率分析和反应路径流量分析方法简化该详细机理,得到半详细机理(510个物种,1472步反应)和骨架机理(20g个物种,770步反应)。对正庚烷的点火延时,层流火焰速度以及主要物种浓度曲线的模拟结果表明这些机理的模拟精度较高。在工程计算流体力学仿真设计中具有良好的应用前景。分析了正庚烷点火延时敏感度,考查了机理中关键反应。     

H2/Air/CO2点火过程中的热辐射和化学反应效应

本文采用基于详细化学反应机理的化学反应流自适应数值模拟技术,研究了添加二氧化碳对氢气/空气预混气体点火的影响,获得了不同当量比下最小点火能随稀释率的变化情况。本文引入最小点火能的热辐射敏感度与化学反应敏感度,重点分析了CO₂的热辐射效应和化学反应效应对最小点火能的影响。研究结果表明二氧化碳的热辐射效应和化学反应效应只有在接近极限稀释率时才会导致最小点火能有显著升高。     

纳米铝对硝基甲烷快速反应的催化研究

在入射激波作用下,利用瞬态光谱测试系统研究了纳米铝对硝基甲烷快速反应的影响,对快速反应过程中产生的NO2、CO、CO2、CH2O、H2O、AlO等主要产物的出现时间和辐射强度进行了测量。研究发现：添加纳米铝(1g)后,硝基甲烷(1ml)点火延迟时间提前了60%;其它产物的出现时间缩短了46%～60%,辐射强度增强了30%～100%;激波速度和反应温度分别提高了1.4和2.2倍。结果表明纳米铝明显加速了硝基甲烷快速反应过程,并使其爆炸效率大大提高。由实验观察到的结果,结合热力学和动力学方面的分析,对纳米铝催化硝基甲烷快速反应的机理进行了探索性的分析。此研究将有助于深入了解新型燃料空气炸药(FAE)反应的微观机理。     

纳米铝对硝基甲烷快速反应的催化研究

在入射激波作用下,利用瞬态光谱测试系统研究了纳米铝对硝基甲烷快速反应的影响,对快速反应过程中产生的NO2、CO、CO2、CH2O、H2O、AlO等主要产物的出现时间和辐射强度进行了测量。研究发现：添加纳米铝(1g)后,硝基甲烷(1ml)点火延迟时间提前了60%;其它产物的出现时间缩短了46%～60%,辐射强度增强了30%～100%;激波速度和反应温度分别提高了1.4和2.2倍。结果表明纳米铝明显加速了硝基甲烷快速反应过程,并使其爆炸效率大大提高。由实验观察到的结果,结合热力学和动力学方面的分析,对纳米铝催化硝基甲烷快速反应的机理进行了探索性的分析。此研究将有助于深入了解新型燃料空气炸药(FAE)反应的微观机理。     

基于自适应方法的Sn/O/H/N/C/Cl反应机理简化

计算包含详细反应机理的复杂反应流问题仍然是十分费时的,已有的反应流计算方法通常采用简化的化学反应机理．传统的机理简化方法大多基于反应条件的稳态假设,如主量组分分析法等．近年来,一种基于自适应化学理论的机理简化的新方法被提出．该方法根据设定的化学精度要求,可实现详细反应机理的最优简化．对Sn/O/H/N/C/Cl详细反应机理的简化结果表明Sn CO_2=SnO CO和Sn O_2=SnO O为机理中影响Sn氧化最重要的两个基元反应．     

基于自适应方法的Sn／O／H／N／C／Cl反应机理简化

计算包含详细反应机理的复杂反应流问题仍然是十分费时的,已有的反应流计算方法通常采用简化的化学反应机理.传统的机理简化方法大多基于反应条件的稳态假设,如主量组分分析法等.近年来,一种基于自适应化学理论的机理简化的新方法被提出.该方法根据设定的化学精度要求,可实现详细反应机理的最优简化.对Sn/O/H/N/C/Cl详细反应机理的简化结果表明Sn CO2=SnO CO和Sn O2=SnO O为机理中影响Sn氧化最重要的两个基元反应.     

等离子体中活性粒子分析及化学动力学机理

利用发射光谱测量技术分析了介质阻挡放电等离子体激励空气产生的主要活性粒子,利用零维等离子体动力学模型模拟了甲烷/空气中放电阶段主要活性粒子的演化规律,并通过敏感性与化学路径分析研究了O原子影响甲烷点火过程的化学动力学机理。研究表明:空气中介质阻挡放电等离子体主要产生N2和O2的激发态粒子,激发态粒子的数密度随着电压的增加而增大;激发态粒子经过一系列物理化学反应最终转化成若干自由基,其中O原子的摩尔分数最大;O原子缩短甲烷点火延迟时间一个量级,原因在于添加O原子后甲基(CH3)的氧化途径由自点火过程中的经O2直接氧化为CH3O和CH2O转变为经HO2和O原子氧化为CH3O和CH2O,由于后者的基元反应速率快,因而明显缩短了点火延迟时间。     

乙醇燃烧着火延迟时间和CO2演化过程测量

本文利用激波管测量了高温条件下乙醇/氧气/氩气混合气的着火延迟时间,并结合激光吸收光谱技术测量了乙醇燃烧过程中CO2的演化过程.本文对比了测量的着火延迟时间和3种动力学机理的预测结果,其中AramcoMech 3.0机理的预测结果和实验数据吻合较好.敏感性分析结果表明:3种机理中,促进乙醇着火的基元反应类似,但敏感性系...     

大功率电弧加热器起弧过程流场特性研究

电弧等离子体是通过电极之间击穿放电,产生热电弧,实现对冷态介质加热,目前大功率的电弧等离子体发生器在航空航天领域有重要的应用,是国内外开展飞行器防热材料筛选和考核研究最重要的地面模拟试验设备.本研究基于发展的高焓气流非接触式光谱诊断方法,开展对10 MW量级大功率长分段电弧加热器起弧过程流场特性的定量、定性研究,在线测量等离子气流的辐射光谱,并获得了等离子体气流电子温度和电极烧蚀铜原子摩尔组分浓度的测量结果.研究结果表明:起弧开始阶段,纯氩气通入,等离子体辐射光谱以分立的氩原子谱线为主;过渡阶段,随着空气的通入出现了N₂和N₂+的连续分子谱和Ar、N、O原子谱,等离子体电子温度随之降低;正式运行阶段,纯空气介质运行,辐射光谱以N₂和N₂+连续分子谱和N、O原子谱为主.整个电弧加热器起弧过程伴随持续的电极烧蚀,等离子体辐射光谱中铜原子谱线一直存在.氩气起弧时,等离子体气流电子温度稳定在11 000 K±300 K,显示出电弧加热器稳定的起弧特性.同时,电弧等离子体气流中铜原子摩尔组分浓度在（1~25）×10-6之间周期性变化,显示弧根旋转过程中不规则的电极烧蚀变化.发展的发射光谱诊断方法为研究电弧加热器真空氩气起弧特性提供量化手段,可以为真空-常压氩气起弧试验技术的发展和电极优化提供直接量化依据,为大功率常压叠片电弧加热试验平台发展奠定基础.      

H2/air autoignition: The nature and interaction of the developing explosive modes

Appropriate algorithmic tools are employed for the analysis of the explosive modes developing during the autoignition of homogeneous mixtures. The ability of these tools to provide significant physical understanding is demonstrated in the case of the homogeneous ignition of a stoichiometric H₂/air mixture, modelled by two different chemical kinetics mechanisms. It is shown that the ignition process evolves in two stages. The first stage is characterised by the development of two explosive timescales (one fast and one slow), that lead the system away from equilibrium. As the end of the first stage is approached, the two explosive timescales converge, they merge and then they disappear. In the second stage only dissipative timescales develop, which drive the system all the way to equilibrium. It is shown that throughout the first stage the fast explosive timescale is generated by chain reactions. The slow explosive timescale is initially generated by an initiation reaction that produces the radicals required for the start-up of the fast mode, while later on it is generated by reactions that are responsible for the heat released. These findings are validated with sensitivity analysis results for the ignition delay time and are employed in order to clarify the discrepancies in the solution provided by the two different chemical kinetics mechanisms considered.     

CH4掺混对高压H2泄漏自燃的抑制机制研究

本文采用高阶离散格式和详细动力学模型模拟了高压CH₄/H₂泄漏自燃过程。结果表明高压H₂泄漏自燃具有以下特性:H₂/空气间高压差会产生稀疏波、激波和燃料/空气接触断面等流动特征;高压H₂射流前端的空气温度在0.5μs内可升至1000 K以上;泄漏着火起始于贫燃区;着火后,H₂/空气扩散层内部存在多个火焰区域。对比不同混合水平下CH₄/H₂的泄漏自燃过程则发现,CH₄的加入极大地提升了高压储氢安全性。CH₄掺混抑制泄漏自燃的机制体现在三个方面:致使压缩空气的温升下降;降低燃料整体活性,尤其是H自由基的积累速率减缓;降低火焰锋面处的达姆科勒数,加剧自由基运输损失。本研究表明,向高压H₂中掺混高摩尔质量、低化学活性的其他气体是降低自燃风险的一种有效手段。     

电感耦合等离子体串联质谱测定婴幼儿谷类辅助食品中的重金属镉

婴幼儿谷类辅助食品是婴幼儿营养的重要能量来源,其主要原料为大米,而水稻极易从其生长的土壤和水中吸收重金属Cd积累到谷粒中,导致大米中Cd的残留浓度相对较高,从而对婴幼儿谷类辅助食品构成潜在威胁。提出了电感耦合等离子体串联质谱（ICP-MS/MS）测定婴幼儿谷类辅助食品中重金属Cd的新策略。样品经微波消解处理后,采用ICP-MS/MS进行测定。婴幼儿谷类辅助食品中Cd的测定所面临的质谱干扰主要来源于高浓度Mo所形成的Mo基多原子干扰离子（MoO+,MoN+,MoC+）以及Sn所形成的同量异位素（112Sn+,114Sn+,116Sn+）。针对这些干扰,在MS/MS模式下,分别采用H₂,NH₃/He和O₂为反应气,考察不同Cd同位素的质谱干扰消除效果和分析灵敏度。结果表明,在H₂和NH₃/He反应模式下,H₂和NH₃均能与Mo基干扰离子发生质量转移反应,而不与Sn+反应,可选择110Cd+,111Cd+和113Cd+进行测定,但H₂与Mo基干扰离子反应速度较慢,难以彻底消除高浓度Mo基质中对Cd的质谱干扰;在O₂反应模式下,所有干扰离子均能与O₂发生质量转移反应,虽然获得的分析灵敏度略低于NH₃/He反应模式,但背景等效浓度（BEC）明显比NH₃/He反应模式低。确定了以O₂为反应气消除干扰测定Cd的最优分析方案。利用标准参考物质评价了方法的准确性,采用国标法（GB5009.268—2016）进行对比分析验证了方法的可靠性。结果表明,Cd的LOD为2.03～13.4 ng·L-1,标准参考物质的测定值与认定值基本一致,在95%的置信水平,对比分析结果之间无显著性差异。方法的灵敏度高,结果准确可靠,适用于大批量婴幼儿谷类辅助食品中重金属Cd的高通量测定。     

Skeletal mechanism generation with CSP and validation for premixed n-heptane flames

An automated procedure has been previously developed to generate simplified skeletal reaction mechanisms for the combustion of n-heptane/air mixtures at equivalence ratios between 0.5 and 2.0 and different pressures. The algorithm is based on a Computational Singular Perturbation (CSP)-generated database of importance indices computed from homogeneous n-heptane/air ignition solutions. In this paper, we examine the accuracy of these simplified mechanisms when they are used for modeling laminar n-heptane/air premixed flames. The objective is to evaluate the accuracy of the simplified models when transport processes lead to local mixture compositions that are not necessarily part of the comprehensive homogeneous ignition databases. The detailed mechanism was developed by Curran et al. and involves 560 species and 2538 reactions. The smallest skeletal mechanism considered consists of 66 species and 326 reactions. We show that these skeletal mechanisms yield good agreement with the detailed model for premixed n-heptane flames, over a wide range of equivalence ratios and pressures, for global flame properties. They also exhibit good accuracy in predicting certain elements of internal flame structure, especially the profiles of temperature and major chemical species. On the other hand, we find larger errors in the concentrations of many minor/radical species, particularly in the region where low-temperature chemistry plays a significant role. We also observe that the low-temperature chemistry of n-heptane can play an important role at very lean or very rich mixtures, reaching these limits first at high pressure. This has implications to numerical simulations of non-premixed flames where these lean and rich regions occur naturally.     

Experimental investigation of current modulation in a planar Cs-Batacitron

The Cs-Ba tacitron is being considered as a switch, or as an inverter consisting of two switches operating in a push-pull mode, for power conditioning of low voltage/high current dc power sources operating in high radiation/high temperature environment, beyond the limits of semiconductor switches. This paper presents new experimental results delineating the effect of the various operating parameters on the grid potential needed for ignition, V_g⁺, and extinguishing, V_g^-, during stable current modulation of a planar Cs-Ba tacitron. Parameters investigated are Cs pressure, emitter temperature, T_E, discharge current, I_C , and modulation frequency, f_g. The value of V_g ⁺, which is independent of T_E, decreases as Cs pressure increases, but increases as either I_C or f_g increases. Increasing the emitter temperature from 1100-1200°C only slightly decreases the forward voltage drop in the device by ~0.2 V. The value of |V_g^-| increases with Cs pressure, decreases with increased T_E, and is sensitive to changes in fg. At I_C=5 A, the value of |V_g ^-| for stable modulation shows a maximum between 8 kHz and 10 kHz. The Cs pressure, I_C, fg, and V_g⁺ all affect the ignition delay time; depending on the operating conditions, it increases from 5-30 μs to an equilibrium value of 10-45 μs during the first 2 ms in the pulse train     

过模波导器件的迭代设计方法

从模式保留和转换的角度, 过模波导器件可分为模式转换器、模式保留器和模式综合器. 传统方法只解决其中一种器件的设计或者对器件的某个指标进行改进. 本文在深入分析耦合波理论之后, 提出了过模波导器件的迭代设计方法, 从原理上解决了过模波导器件的设计问题. 该方法能够统一设计三类过模波导器件, 通过添加不同的结构控制方法, 可得到转换效率更高、带宽更宽、结构更紧凑、满足不同工程需求的器件, 而且还能有效设计一些新型器件. 给出了两个设计实例: 双频TM₀₁–TE₁₁模式变换器和光壁馈源喇叭. 双频TM₀₁–TE₁₁模式变换器的两个工作频点为8.75 GHz和10.3 GHz, 波导半径为16 mm, 在两个频点转换效率为99%以上. 光壁馈源喇叭实现TE₁₁模式向高斯束的转换. CST仿真结果验证了这两个器件设计的正确性和有效性. 关键词： 耦合波理论 模式转换器 模式过渡器 迭代法