空气污染组分H2O和CO2对乙烯燃烧性能的影响

超燃冲压发动机在高空工作时, 以高温高速纯净空气作氧化剂使燃料燃烧. 但在地面实验中, 高温空气往往通过燃烧加热方式获得, 从而使空气包含了H2O和CO2污染组分. 本文用电阻加热来流空气并添加污染组分的方法, 研究了燃烧室模型中乙烯的燃烧状态和壁面压力受污染组分的影响. 用化学反应动力学模拟的方法, 在绝热刚性反应器模型中用H2O和CO2取代空气中的N2, 研究了污染组分对点火延迟和燃烧温度的影响, 并从链反应机理的角度讨论了实验和动力学模拟结果.     

热力学数据精度对正庚烷燃烧模拟结果的影响

为了探讨热力学数据的精度对正庚烷燃烧模拟结果的影响,本文分别在B3LYP/6-31G(d,p)水平和G3水平上计算了正庚烷燃烧反应机理中物种的热力学数据,分别用这些数据模拟了正庚烷在不同条件下的绝热火焰温度和点火延时。同时对正庚烷燃烧反应的点火延时做了敏感度分析,探讨了对点火影响较大的物种。模拟结果表明:核心机理(C0-C4)的物种的热力学数据精度对正庚烷燃烧的模拟结果具有较大影响,而C4以上物种的热力学数据精度对结果影响不大。     

采用系统的方法自动构建链烷烃高温燃烧反应机理

为了得到合理可靠和简化的反应机理,利用反应机理自动生成程序ReaxGen,构建了正庚烷、异辛烷、正癸烷和正十二烷的高温燃烧反应详细机理;同时分别采用物质产率分析和反应路径流量分析的方法对详细机理进行简化,得到了半详细机理和骨架机理. 在较宽的温度和压力条件下,对半详细机理和骨架机理进行了点火延时、层流火焰传播速度和重要物种浓度曲线的模拟并与实验结果比较;最后,图示说明了这些烷烃的主要高温燃烧路径,给出了点火延迟时间的敏感度分析. 结果表明：这些机理能够合理描述链烷烃的自点火特性,文中提出的结合ReaxGen程序的机理构建方法和反应路径流量分析的简化方法也可以用于其它烃类的高温燃烧机理构建.     

采用系统的方法自动构建链烷烃高温燃烧反应机理（英文）

为了得到合理可靠和简化的反应机理,利用反应机理自动生成程序ReaxGen,构建了正庚烷、异辛烷、正癸烷和正十二烷的高温燃烧反应详细机理;同时分别采用物质产率分析和反应路径流量分析的方法对详细机理进行简化,得到了半详细机理和骨架机理.在较宽的温度和压力条件下,对半详细机理和骨架机理进行了点火延时、层流火焰传播速度和重要物种浓度曲线的模拟并与实验结果比较;最后,图示说明了这些烷烃的主要高温燃烧路径,给出了点火延迟时间的敏感度分析.结果表明:这些机理能够合理描述链烷烃的自点火特性,文中提出的结合ReaxGen程序的机理构建方法和反应路径流量分析的简化方法也可以用于其它烃类的高温燃烧机理构建.     

低温燃料化学特性对湍流预混火焰传播的影响

大分子碳氢燃料的低温化学反应及两阶段点火特性会显著影响火焰的分区及燃烧情况。本文采用数值模拟的方法探究了正庚烷/空气预混混合气在RATS燃具上的湍流火焰传播,与试验结果具有一致性。模拟使用的是44种物质,112步的正庚烷简化动力学机理。使用Open FOAM的reacting Foam求解器建立了简化模拟流道及出口的三维模型,模拟了在大气环境下,初始反应温度450–700 K、入口速度6 m·s~(-1)与10 m·s~(-1)、焰前流动滞留时间100 ms及60 ms、当量比φ=0.6的正庚烷/空气混合气湍流火焰燃烧情况。结果发现,标准化湍流燃烧速度与混合气初始温度以及流动滞留时间有关。在低温点火阶段,正庚烷氧化程度受到初始温度与速度的影响,燃料分解并在预热区中产生大量中间物质如CH_2O,继而会影响湍流火焰燃烧速度。随着初始反应温度的升高,湍流燃烧火焰逐渐由化学反应冻结区过渡到低温点火区;温度超过一定数值后,燃料不再发生低温反应,此时燃烧位于高温点火区域。     

航空煤油裂解产物燃烧机理构建与动力学模拟

针对航空煤油典型裂解工况的裂解产物,本文提出了以2.99%氢气、45.05%甲烷、36.96%乙烯、0.76%环己烯、8.89%甲苯和5.35%正十二烷(摩尔分数)的六组分煤油裂解产物替代模型,构建了包含323个物种,1544步反应的化学动力学机理。使用Chemkin-pro程序进行宽温度范围裂解产物的动力学模拟,点火延迟模拟结果与实验值吻合较好;点火延迟敏感性分析的结果表明HO_2+OH=H_2O+O_2是机理中的关键反应,同时燃烧中间产物与氧气、HO_2和OH自由基的反应也对点火影响较大。该机理模拟精度较高,能够较好的再现航空煤油裂解产物的燃烧特性。     

热力学数据对1, 3-丁二烯燃烧特性的影响

基于G4方法, 计算了1,^{3-丁二烯框架燃烧反应机理中102个物种的热力学数据, 并考察了振动非谐性、 频率校正因子以及受阻内转动对结果的影响. 结果表明, 考虑振动非谐性或采用不同的频率校正因子, 对热力学数据的影响不大; 考虑内转动后, 对热力学数据有较大影响. 而且考虑内转动后, 得到的热力学数据与实验热力学数据吻合得更好. 用所得热力学数据模拟了1,3-丁二烯的绝热燃烧温度以及点火延迟时间, 结果显示, 要得到可靠的绝热火焰温度, 对小分子(如CO和CO₂等)的热力学数据需要采用实验结果. 将用所得热力学数据模拟得到的点火延迟时间, 与机理本身的热力学数据所得点火延迟时间进行对比, 二者差别显著, 表明所得热力学数据主要通过改变一些反应的逆反应速率常数来影响点火延迟时间. 进一步确定了用所得热力学数据对点火延迟时间有显著影响的一些物种.}     

庚酸甲酯高温燃烧化学动力学机理的系统简化和分析

采用详细化学反应动力学机理的系统简化方法, 对庚酸甲酯高温燃烧化学动力学机理进行了系统简化. 首先采用两步直接关系图法(Directed relation graph method, DRG)和主成分分析(Principle component analysis, PCA)方法对由1087个物种、4592步可逆反应组成的庚酸甲酯燃烧的详细机理进行框架简化, 得到了包含108个物种, 547步基元反应的框架机理. 在此框架机理基础上, 进一步采用计算奇异值摄动法(Computational singular perturbation, CSP)对框架机理进行时间尺度分析, 再选取30个准稳态物种, 采用准稳态近似(Quasi steady state approximation, QSSA)方法构建了包含78个物种、74步总包反应的全局简化机理. 模拟结果表明, 在较宽的参数范围内, 框架机理和全局简化机理均能重现庚酸甲酯高温燃烧时的点火延迟、物种浓度分布和熄火等燃烧特性. 此外, 基于框架机理阐明了庚酸甲酯高温燃烧的反应路径和对点火有重要影响的基元反应. 与详细机理相比, 框架机理保留了良好的精确性和全局性, 可以很好地反映庚酸甲酯的燃烧特性, 有助于对生物柴油的燃烧过程的理解.     

高碳烃宽温度范围燃烧机理构建及动力学模拟

发动机中燃料点火特性以及燃烧能量的释放对于发动机设计具有非常重要的作用,为了提高燃料的燃烧效率以及减少燃料在燃烧过程中污染物的排放,基于反应动力学机理对燃料燃烧过程的模拟就显得十分必要。因此需要更加深入的认识碳氢燃料的燃烧机理,探索其在燃烧过程中十分复杂的化学反应网络。为了发展能够适用于实际燃料多工况条件(宽温度范围、宽压力范围和不同当量比)燃烧的燃烧机理,基于碳氢燃料机理自动生成程序ReaxGen构建了正癸烷燃烧详细机理(包含1499个物种,5713步反应)和正十一烷燃烧详细机理(包含1843个物种,6993步反应)。详细机理主要由小分子核心机理和高碳烃类(C5以上)机理两部分组成。为了验证机理的合理性与可靠性,本文对于高碳烃燃烧新机理在点火延时时间以及物种浓度曲线进行了动力学分析,并与实验数据及国内外同类机理进行了对比,结果表明本文提出的正癸烷和正十一烷燃烧新机理在比较宽泛的温度、压力和当量比条件下都具有较高的模拟精度,为发展精确航空煤油燃烧模型提供了基础数据。同时考虑到详细机理的复杂性以及机理分析的计算量大和时耗长,本文基于误差传播的直接关系图形(Directed Relation Graph with Error Propagation,DRGEP)方法简化得到的包含709组分2793反应的正癸烷和包含820组分3115反应的正十一烷简化机理,使用DRGEP方法时所采用的数据点选自压力范围从1.0×10~5 Pa到1.0×10~6Pa,当量比范围从0.5到2.0,初始温度范围从600到1400时恒压点火的模拟结果在点火延迟时间附近区域的抽样,同时在正癸烷机理简化中选取正癸烷、O_2和N_2作为初始预选组分,正十一烷的机理简化中主要选取正十一烷、O_2和N_2作为初始预选组分,得到的简化机理在比较宽泛的条件下的预测结果与详细机理吻合很好。最后结合敏感度分析方法分析了正癸烷和正十一烷的点火延迟敏感性,考察了机理中影响点火的关键反应。结果表明:这些机理能够合理描述正癸烷和正十一烷的自点火特性,在工程计算流体力学仿真设计中有很好的应用前景。     

正十二烷高温燃烧机理的构建及模拟

基于燃料燃烧反应机理的计算机自动生成方法,构建了正十二烷高温燃烧的详细反应机理; 分别采用物质产率分析和反应路径流量分析方法对详细机理进行简化,得到包含202个物种、738步反应的半详细机理和53个物种、228步反应的骨架机理; 对正十二烷点火延时、高温裂解以及层流火焰速度的模拟结果表明半详细机理和骨架机理具有很高的模拟精度,在工程计算流体力学仿真设计中有很好的应用前景.最后分析了正十二烷高温燃烧的反应路径,并对点火延时做了敏感度分析,考查了机理中的关键反应.     

燃烧反应机理构建的极小反应网络方法： C1燃料燃烧

使用极小反应网络方法, 在指定中间物种条件下, 构建反应步数最小的详细燃烧反应机理. 确定了关 于C1燃烧机理的17个物种和14个独立反应, 其中包含氢气燃烧的8个物种6个反应, 对缺乏动力学参数的独立反应进行组合替代, 反应速率常数采用Arrhenius双参数形式. 采用构建的25步反应C1多燃料燃烧机理(MRN-C1)进行了点火延迟时间和层流火焰速度的模拟. 考虑到工程应用对机理组分数的限制, 以CH₄和CH₃OH单组分燃料为例, 考察了去除“滞留”物种后单组分机理与总机理的模拟结果差别.     

空气污染各组分对甲烷超声速燃烧性能的影响

在与甲烷详细化学反应机理对比验证基础上,采用18组分24步简化反应机理模拟甲烷超声速燃烧过程,从化学动力学和热力学角度用数值方法研究了乙醇燃烧加热空气中的七种主要污染组分(H2O,CO2,O,OH,CO,H,H2)对甲烷超声速燃烧性能的影响.分析结果表明:在一定条件下,进口空气中污染组分H2O的增加造成平均比热容增加,总温降低,并作为第三体抑制甲烷的燃烧过程,使超燃室的性能下降;CO2因大分子量特性使燃气平均分子量增大,降低超燃室做功能力,H2O和CO2两组分对甲烷超燃性能都起消极作用;污染组分自由基H、O、OH和燃烧中间产物CO、H2使燃烧室燃烧效率上升,对甲烷超燃性能起积极作用.     

RP-3替代燃料自点火燃烧机理构建及动力学模拟

通过对RP-3 航空煤油成分的分析, 以及对8 组替代模型的对比实验, 选取了73.0%(质量分数)正十二烷, 14.7% 1,3,5-三甲基环己烷, 12.3%正丙基苯作为RP-3 航空煤油的替代模型. 使用本课题组自主研发的机理自动生成程序ReaxGen, 构建了RP-3 替代燃料的高温燃烧详细机理, 用该机理模拟了激波管点火延时, 并与实验数据进行比较. 用物质产率分析和近似轨迹优化算法(ATOA)简化方法简化了详细机理. 最后对燃烧机理在不同化学计量比及压力条件下的点火延时做了敏感度分析, 考察了燃烧机理在不同化学计量比下关键反应的异同. 结果表明, 该替代模型的燃烧机理能很好地描述RP-3煤油的高温点火特性.     

Modeling of Low-temperature oxidation and combustion of droplets

Key features of radiation extinguishing of spherical hot flame around a single droplet with its subsequent low-temperature oxidation and combustion under microgravity conditions—a phenomenon discovered in experiments onboard the International Space Station—have been reproduced using the mathematical model of droplet combustion and detailed kinetic mechanism of n-heptane oxidation and combustion. It has been demonstrated that experimentally observed repeated temperature flashes were blue flame flashes, and their duration was determined by the hydrogen peroxide decomposition time. In addition to this phenomenon, calculations predict the existence of new modes of low-temperature oxidation and combustion of droplets without the hot flame stage. In such modes, the basic reaction is concentrated very close to the droplet surface, and fuel vapor reacts in it only partially.     

RP-3高温氧化初始阶段反应机理的ReaxFF MD模拟

本文采用ReaxFF MD方法对一种较新的RP-3四组分替代燃料模型的高温氧化过程进行了研究。利用作者所在课题组研发的独特分析工具VARxMD,对燃烧过程中主要物种(燃料分子、O₂、C₂H₄、·CH₃)随时间和温度的演变规律及其化学反应进行了系统分析。ReaxFF MD模拟得到的燃料和氧气消耗量、乙烯和甲基自由基的生成量与相同温度和初始压力条件下CHEMKIN的计算结果处于同一量级,同时获得了详细的物质结构信息和反应列表。进一步对模拟得到的反应机理形式进行观察后发现,模拟获得的机理形式与文献中的描述一致。对燃料分子第一步反应数量的统计发现,其类型主要为攫氢反应和分子内断裂反应,且后者占主导;燃料分子第一步反应数量的统计也定性展现了不同燃烧条件下各类反应发生的可能性。对氧元素相关的反应分析发现,氧分子和C₁-C₃小分子发生的反应所占比例较大,能在一定程度上为机理简化提供有益线索。在对反应机理分析的基础上获得了RP-3四组分替代燃料体系高温氧化过程的化学反应网络。我们认为,ReaxFF MD反应分子动力学模拟、结合VARxMD对模拟结果深入分析的方法是有潜力系统认识燃料氧化反应机理的新方法,对构建燃料的燃烧反应机理库有一定的帮助。     

The gas‐phase oxidation of n‐hexadecane

Since n‐hexadecane or cetane is a reference fuel for the estimation of cetane numbers in diesel engines, a detailed chemical model of its gas‐phase oxidation and combustion will help to enhance diesel performance and reduce the emission of pollutants at their outlet. However, until recently the gas‐phase reactions of n‐hexadecane had not been experimentally studied, prohibiting a validation of oxidation models which could be written. This paper presents a modeling study of the oxidation of n‐hexadecane based on experiments performed in a jet‐stirred reactor, at temperatures ranging from 1000 to 1250 K, 1‐atm pressure, a constant mean residence time of 0.07 s, and high degree of nitrogen dilution (0.03 mol% of fuel) for equivalence ratios equal to 0.5, 1, and 1.5. A detailed kinetic mechanism was automatically generated by using the computer package (EXGAS) developed in Nancy. The long linear chain of this alkane necessitates the use of a detailed secondary mechanism for the consumption of the alkenes formed as a result of primary parent fuel decomposition. This high‐temperature mechanism includes 1787 reactions and 265 species, featuring satisfactory agreement for both the consumption of reactants and the formation of products. © 2001 John Wiley & Sons, Inc. Int J Chem Kinet 33: 574–586, 2001     

Animal-fat investigation and combustion test

The department was commissioned to investigate the possibilities for animal-fat combustion in industrial steam generators operating originally on fuel–oil or natural gas. There are two main reasons for operating generators on animal fat as a fuel: On one hand, this material is considered as hazardous waste, thus an important goal is its environmentally benign elimination or disposal. On the other hand, fat is an excellent energy source and can be used as combustion fuel. This way fossil fuel usage can be saved while environmental regulations can also be met. The usage of animal fat as a fuel for furnaces required classification according to fuel classification rules, and comparison with the properties of fuel oil. In addition, its pollutant content was determined and the effects on the combustion process and emission were investigated. Finally the savings in fossil fuel energy consumption and related CO₂ emission achieved were determined. The first stage involved the determination of the composition of animal fat. Subsequently other properties such as viscosity and flash point variation were investigated. These data were compared to the properties of fuel oil. The theoretical investigations of animal-fat classification were promising. Initially one steam generator, originally designed for fuel oil combustion, was modified and fitted with a parallel animal fat fuel supply system. The results of the test were encouraging, although there were some problems with power regulation and later with fuel supply. A rotary cup type burner was then fitted to the boiler. Using this system, all the requirements including environmental regulations were met.     

解耦法:一个构建简化或骨架机理的有效方法

高保真的简化或骨架反应机理对多维计算流体力学（CFD）燃烧模拟极其重要。首先,针对不同简化目标,使用包含误差传播和敏感性分析的直接关系图方法（DRGEPSA）通过简化主要参比燃料（PRF）详细机理,获得了一系列简化机理,发现简化机理的结构随简化目标的改变而显著不同;其次,基于不确定性定量化方法评估简化机理的性能,结果表明为避免简化机理的预测结果失真,需要在简化方法中使用较小的相对误差;最后,提出了解耦法的理论依据,并使用该方法构建PRF燃料的骨架机理。结果发现通过耦合详细H₂/CO/C₁子机理和骨架C₄-C_n子机理,最终的骨架机理能够满意地预测滞燃期和火焰传播速度。