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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

层流预混庚烷火焰中PAHs的形成与机理的简化

本文使用详细的化学反应机理模拟了C7H16／空气层流预混火焰中多环芳烃的生成动力学过程．反应机理包括108种组分的572个基元反应．通过数值计算分析了层流预混火焰的结构和主要反应物、中间物质和反应产物的浓度变化,并对A1-A4组分的反应灵敏度进行了分析。并初步得到可以用于CFD的简化机理．     

层流拉伸非预混火焰影响因素的数值研究

采用简化机理(19个基元反应,14种组分)和半详细机理(79个基元反应,32种组分)对层流拉伸非预混火焰的结构进行了数值模拟,通过与实验数据的对比发现:在由当量混合的标量耗散率表征的火焰拉伸一定时,考虑不同分子扩散系数和不同的化学反应机理均对火焰面结构的准确模拟有着重要影响.此外计算了考虑热辐射时,随着当量混合的标量耗散率的改变而变化的每单位火焰面面积放热速率和燃烧场的最高温度,并分析了层流非预混火焰的熄火现象.     

正庚烷化学反应机理的简化与加速计算

详细化学反应机理的引入会给燃烧数值模拟带来巨大的困难:一方面,由于不同组分对应不同的特征时间,详细化学反应机理会导致燃烧模拟涉及到广泛的时间尺度;另一方面,随着燃料所含碳原子数目的增加,其详细化学反应机理中所含的组分数目与基元化学反应数目会呈指数增长,这直接导致计算量的急剧增加。为了解决这两方面的困难,本文以正庚烷氧化机理为例,通过化学反应机理简化(反应路径分析法)与加速算法(投影法)实现了在确保计算精度的条件下极大程度地提高计算效率。     

煤粉挥发分火焰行为的理论分析与简化模拟方法

考虑热解的扩展连续膜模型,可以详细预报煤粉挥发分析出、焦碳燃烧的全过程.模型以CH4燃烧的反应动力学特性,近似地描述了挥发分火焰.提出新的简化模拟方法均相着火后挥发分燃烧的移动火焰锋面(MFFVC)模型,弥补了挥发分现有计算方法中未考虑颗粒边界层内挥发分均相着火及燃烧的不足.与挥发分现有计算方法、扩散控制的挥发分燃烧(DLVC)模型相比, MFFVC模型预报与考虑热解的扩展连续膜模型符合较好.     

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．     

富氧燃烧详细机理评估及机理简化

在富氧燃烧中,反应物被大量CO_2稀释,其反应动力学发生明显变化。本文系统地研究了甲烷富氧燃烧的详细机理和骨架机理.为此,首先对6个详细机理在典型富氧燃烧实验下的氧化性能进行评估.然后将预测精度最好的详细机理与不同NO_x机理进行耦合与验证,找出对NO预测最好的机理。最后将预测氧化和NO都最好的详细机理进行了机理简化,并进行了系统验证。结果表明,USC-MechⅡ机理在富氧燃烧工况下具有最好的氧化预测精度,且有效考虑了富氧燃烧下CO_2化学影响引起的CO浓度变化;USC-MechⅡ机理耦合GRI-Mech 2.11中NO_x机理对NO排放预测精度最好;本文简化得到的38组分、180步反应的骨架机理在点火延迟时间、火焰传播速度以及PSR中温度和NO排放预测等方面和详细机理具有很好的一致性。     

燃烧过程的多尺度模拟与动态自适应机理方法

介绍了一种多时间尺度模拟方法和动态自适应机理方法。在模拟过程中,根据当时的热化学状态动态获得即时简化机理,通过计算各个组分的特性时间,依据其特征时间将基元组分和反应划分为不同的计算组,各个组采用不同的时间步长进行计算。基于该方法,采用详细化学机理对癸烷及庚烷自燃着火过程进行模拟,并将模拟结果与全过程采用详细机理的隐式积分算法进行比较。结果证明该方法具有很高的精度,同时,该方法能大大提高计算的速度。该方法的应用将有助于实现燃烧问题的高效精确模拟。     

正庚烷化学动力学简化模型的构建及优化

提出了一个新的适用于HCCI发动机燃烧模拟的正庚烷化学反应动力学简化模型(40种组分和62个反应)。由三个子模型组成:低温反应子模型是在Li等人模型的基础上,定义具体的醛类(RCHO)产物和小分子碳氢产物(Rs)而构建;增加了用于链接低温反应向高温反应过渡的大分子直接裂解成小分子反应子模型;高温反应子模型是在Griffiths等人模型的基础上,去除了无关的基元反应,增加两个关于CO和CH3O的氧化反应而构建。另外,采用遗传优化技术对模型动力学参数进行调整。计算表明,新模型能够在当量比0．2-1．2,温度从300-3000 K的范围内精确模拟正庚烷HCCI燃烧时冷焰和热焰反应过程,与详细模型(544种组分和2446个反应)计算结果吻合较好。     

PODE/甲醇双燃料化学动力学简化机理研究

聚甲氧基二甲醚(PODE)和甲醇属于煤基高含氧燃料,两者有效组合燃烧可实现内燃机节能减排.本文以PODE3和甲醇作为表征燃料,通过使用反应路径分析、直接关系图法、敏感性分析法对详细PODE3反应机理进行简化获得PODE简化子机理,然后与甲醇反应机理、NOx和PAHs子机理耦合获得PODE/甲醇双燃料化学动力学简化模型(...     

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。     

基于解耦法构建柴油表征燃料的骨架机理

本文构建了一个包含正癸烷、异辛烷、甲苯和甲基环己烷的柴油表征燃料模型。基于解耦法构建了一个包含70种组分和193个反应的柴油表征燃料的骨架机理。在解耦法中,骨架机理被分为两部分:一部分是极其简化的C_2-C_n机理,用于预测燃料的滞燃期和消耗;另一部分为详细的H_2/CO/C_1机理,用于预测火焰速度和熄火极限,以及碳氢和一氧化碳的排放。通过与激波管中的滞燃期、搅拌反应器(JSR)中的组分浓度、层流火焰速度以及预混压燃(PCCI)发动机中的燃烧和排放的实验数据对比,发现机理较好地预测了柴油的着火、燃烧和排放特性。     

不同前驱体模型对航空煤油扩散火焰碳烟颗粒生成的影响研究

采用不同的航空煤油化学反应机理和碳烟成核模型对气态航空煤油扩散火焰中碳烟颗粒的质量浓度和数量浓度进行预测.分别采用航空煤油详细化学反应机理和简化化学反应机理,结合非预混稳态扩散火焰面模型模拟燃烧反应.分别采用C2H2成核模型(基于乙炔浓度)和PAH成核模型(基于多环芳香烃浓度)预测碳烟颗粒浓度分布.研究结果表明,采用详细化学反应机理和PAH成核模型对碳烟体积分数的预测值与试验值吻合很好.相比于C2H2成核模型,采用PAH成核模型对碳烟体积分数的预测精度显著提升.     

铂表面H_2还原NO_x的详细反应机理

研究了柴油机NO_x存储还原技术(NSR)浓燃再生阶段中NO还原反应。发展了铂催化剂表面H_2还原NO的详细化学反应机理,包括6种气相组分、10种表面组分及28步基元反应,其中包含了主要含氮产物N_2及副产物N_2O和NH3的生成路径。此机理与CHEMKIN软件中的活塞流反应器(PFR)模型耦合进行数值模拟,反应器出口各组分体积分数预测结果与文献中实验数据吻合良好。在NO体积分数为500×10~-6、反应器入口温度为270℃的条件下分析了进气中H2体积分数((100~2500)×10~(-6))对含氮产物选择性的影响。结果表明,H_2体积分数小于500×10~(-6)时,N_2和N_2O为主要的含氮产物;随着H_2体积分数逐渐升高,当Φ(NO)/Φ(H_2)高于1.5时,NH_3成为主要产物。由敏感性分析结果可知,NH_3对H_2吸附反应的敏感性系数最大,提高该反应速率将促进NH_3的生成。     

层流预混火焰PAHs形成的反应机理模型

本文着重讨论层流预混火焰中,碳黑的先驱多环芳烃(PAHs)形成的化学反应动力学机理。该机理包括101种组分、546个基元反应。通过与实验结果的比较表明,该模型能够较好地预报碳氢燃料预混火焰中PAHs的生成过程。计算结果还表明当量比和压力PAHs的生成与排放具有重要影响,且存在一个化学当量比,在此当量比下,PAHs的浓度达到极大值。