托卡马克中磁流体不稳定性与高能量离子相互作用

在托卡马克中,磁流体不稳定性与高能量离子相互作用是一个非常重要的问题,它对未来聚变堆稳态长脉冲运行至关重要。HL-2A是我国第一个具有先进偏滤器位形的非圆截面的托卡马克核聚变实验研究装置。撕裂模是托卡马克中的一种基本的电阻磁流体不稳定性,它可以改变磁场的拓扑结构,形成输运短路,甚至会触发大破裂。高能量离子在燃烧等离子体和各种外部辅助加热过程中是不可避免会产生的。目前,撕裂模与高能量离子相互作用依然存在一些关键性问题,例如撕裂模与高能量离子相互作用的共振关系、该物理过程导致高能量离子损失的物理机理等,并且还没有完整的关于撕裂模与高能量离子共振相互作用的数值模拟工作。因此,本综述论文主要从以下三个方面展开:1)回顾撕裂模与高能量离子相互作用的研究历史;2)基于HL-2A实验,从数值模拟的角度讨论撕裂模与高能量离子共振相互作用的物理机理以及其导致高能量离子损失的物理机制;3)展望未来聚变堆中撕裂模与高能量离子相互作用的情况。     

基于CARS技术的超燃冲压发动机点火过程温度测量

相干anti-Stokes Raman散射（coherent anti-Stokes Raman scattering，CARS）技术作为一种非接触测量手段，已广泛应用于多种发动机模型燃烧室温度测量及地面试验.然而，目前的工作主要集中在稳态燃烧场温度的测量，缺乏用高分辨率的单脉冲来测量瞬变的燃烧火焰温度及组分浓度的研究.基于CARS理论，结合多参数拟合算法，开发了基于MATLAB的CARS光谱计算和拟合程序CARSCF；利用McKenna平面火焰炉在不同工况下进行了温度测量，并与DLR测量结果进行对比，结果显示开发的CARSCF具有较高的测量重复性和准确性；最后将CARS技术应用于测量超燃冲压发动机点火过程中的温度测量，获取了点火过程中的温度.结果显示，在来流Mach数为3的条件下，H₂/air点火过程中温度呈现急剧上升然后缓慢下降，而CARS信号则呈现急剧上升然后急剧下降随后又缓慢上升的趋势，并且在点火过程中最高温度为1 511 K.      

运用三维离散元技术模拟落锤撞击下奥克托今颗粒的点火燃烧过程

炸药颗粒的点火燃烧过程一直是人们关注的热点问题。近年来，三维离散元技术在中尺度观测颗粒材料的动力学过程中拥有显著优势。炸药燃烧属于颗粒材料的反应动力学，运用三维离散元技术(DM3)可以有效地观测炸药燃烧传播的过程。以奥克托今(HMX)颗粒为例，本文成功模拟并观测到了HMX颗粒的燃烧反应程度，确定了颗粒开始燃烧反应的时间，以及燃烧反应传播的时间。同时，结合落锤冲击颗粒的三维图像以及其表观压强和放热功率，得到了HMX颗粒燃烧反应、燃烧传播的整个反应动力学过程，包括颗粒在冲击加载下碎化塑性变形的过程，颗粒燃烧反应放热的过程，落锤回弹颗粒喷射的过程等。同时，进一步说明了尖顶颗粒更利于颗粒点火，平顶颗粒有抑制颗粒点火的能力。     

提纯烟气脱硫渣载氧体煤化学链燃烧性能研究

基于电厂烟气脱硫渣,采用多步酸洗工艺加以提纯并制备获得CaSO_4载氧体。在高温固定床反应器上研究了还原反应温度、载氧体过量系数Φ、多次还原氧化循环等因素对提纯脱硫渣载氧体与煤化学链燃烧特性和气相硫演化规律的影响。结果表明,提纯脱硫渣载氧体有较高的反应活性,能够促进煤的充分转化;综合考虑碳的转化以及气相硫释放的抑制,最优反应工况中还原反应温度确定为900℃、载氧体过量系数Φ=1.0为最佳。经过五次还原氧化循环实验发现,随着循环次数的增加,CaSO_4副反应的进行及气相硫的不断释放,导致提纯脱硫渣载氧体循环反应活性略有降低,反应稳定性受到了一定的影响。     

增强型喷射器对爆轰波DDT过程的影响

在激波、火焰及射流同时存在的流场中，组织燃烧转爆轰过程是脉冲爆震发动机实现点火、起爆的关键问题。设计一类喷射器，采用C₂H₂/O₂/Ar反应，数值验证了该喷射器能增强爆震室燃料燃烧转爆轰的可行性，并讨论了流场中热点的点火机制。结果显示:该装置在流场中可激发不稳定性，产生漩涡，加速能量、质量的交换。流场产生热点，促进火焰速度加快，追赶前导激波。喷射器位置影响前导激波的运动速度。在一定范围内，前导激波速度越大，碰撞产生的热点越容易激发燃烧转爆轰过程。     

快速热点火熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验研究

以熔铸型含铝混合炸药熔奥梯铝为对象，研究铸装含铝混合炸药快速热点火后的燃烧转爆轰特性。建立了快速热点火燃烧转爆轰实验平台，由实验装置（加热装置、约束钢管、炸药）、压力测试系统、光纤测速系统组成；加热装置加热15 mm厚45钢钢板，峰值温度大于1 100 ℃，温升速率为85～95 ℃/s。开展了快速热点火带壳熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验，由加热装置加热约束钢管内熔奥梯铝炸药，炸药化学反应阵面压力和传播速度分别由压电性高压压力传感器和光纤探针测定；实测阵面压力约1 GPa，传播速度最大约2 600 m/s。由光纤数据获得炸药化学反应阵面传播轨迹，通过特征线方法获得冲击形成点，半定量给出冲击形成距离大于850 mm；并比较了管体破片质量实测值与炸药完全爆轰时破片平均质量计算值，实测值远小于计算值。综合实测化学反应阵面传播速度和压力、冲击形成距离分析、破片质量比较，可确定熔奥梯铝炸药没有发生完全爆轰，其化学反应状态为爆燃。另外，采用Adams和Pack模型、CJ燃烧模型，都能够半定量的预估冲击形成距离和燃烧波后压力，为实验设计提供依据，但CJ燃烧模型的计算结果更接近于实测值。     

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.     

焦油模型化合物与铁基氧载体的反应特性研究

本研究以生物质/煤的焦油模型化合物(TMCs)为研究对象,在两阶段固定床实验上探究了铁基氧载体(70%Fe₂O₃/30%Al₂O₃)对TMCs的转化特性,考察了不同TMCs的反应性及其转化的影响因素。研究发现,TMCs与氧载体的反应活性为：苯酚>蒽>萘,且苯酚转化生成积炭的比例最多(64%),而萘转化生成积炭的比例最少(40%);氧载体与萘的反应程度相对较高,但容易导致氧载体的烧结。此外,积炭表征显示萘生成的积炭在三种TMCs中具有最高的稳定性。增加氧载体的用量和提高反应温度不仅有利于萘和蒽的进一步转化,而且能够增加气相产物中CO₂的分率。由于苯酚分子具有较高的反应活性及较强的裂解效果导致其转化率随氧载体用量和反应温度的增加变化较小,然而,较高的反应温度(1000℃)导致焦油发生严重的裂解现象并产生大量积炭。三次循环实验结果表明与萘反应的氧载体失活最为严重。     

MoO3和Nb2O5助剂对Pt/ZrO2催化剂上短链烷烃燃烧反应的不同促进作用

贵金属Pt催化剂具有高活性和热稳定性,广泛应用于催化挥发性有机物的完全氧化反应(燃烧反应).短链烷烃(甲烷、乙烷、丙烷等)化学性质稳定,是最难氧化的一类有机物,常用作考察燃烧反应催化剂性能的模型反应物.然而,目前报道的研究工作通常仅限于针对某一种烷烃底物的催化燃烧,系统考察催化剂以及助剂对不同短链烷烃的催化燃烧活性鲜有报道.在短链烷烃中,甲烷只有C–H键;而其它烷烃除了C–H键;还有C–C键.因此,研究催化剂对甲烷、乙烷和丙烷燃烧反应催化性能的差异性,对于认识催化剂上C–H键和C–C键的活化具有非常重要的意义.本文制备了MoO3或Nb2O5修饰的Pt/ZrO2催化剂并用于短链烷烃的燃烧反应.研究发现,MoO3助剂对甲烷燃烧有明显的抑制作用,但对乙烷,丙烷和正己烷燃烧反应具有促进作用,促进作用随着烷烃碳链的增长逐渐增加;Nb2O5助剂对甲烷、乙烷、丙烷和正己烷燃烧反应均具有促进作用,然而促进作用随着碳链的增长而逐渐减弱.MoO3和Nb2O5助剂的不同促进作用与助剂影响催化剂表面酸性以及Pt物种的氧化或还原态有关.NH3-TPD结果表明,MoO3助剂可以显著增加Pt/ZrO2催化剂表面强酸位点数量,而Nb2O5助剂可以显著增加Pt/ZrO2催化剂表面中强酸位点数量.HTEM结果表明,两种助剂的添加都不会明显改变Pt物种的颗粒尺寸.在Pt-Mo/ZrO2催化剂上,MoO3覆盖部分Pt物种形成丰富的Pt-MoO3界面,促进了金属Pt物种和强表面酸性位点的生成,提高了丙烷燃烧反应活性;Pt-Nb/ZrO2催化剂上载体表面的部分Nb2O5被Pt物种包覆,使得生成的表面Pt-Nb2O5界面低于Pt-Mo/ZrO2催化剂,但由于催化剂表面酸性位的提升,也促进了丙烷燃烧反应活性的提高.XPS结果表明,在甲烷燃烧反应中,Pt-Nb/ZrO2催化剂上Ptn+物种能够更加稳定地存在,这可能是Nb2O5助剂提高Pt-Nb/ZrO2催化剂上甲烷燃烧活性的关键.而Pt-Mo/ZrO2催化剂上Ptn+物种在甲烷反应中可以更容易地被还原,并且由于MoO3的包裹导致暴露的Pt位点数量降低,使催化剂催化甲烷燃烧的活性受到抑制.可见,MoO3助剂更有利于C–C键活化,而Nb2O5助剂更有利于高键能的C–H键活化.综上,本文系统性地研究MoO3助剂和Nb2O5助剂对Pt/ZrO2催化剂上不同短链烷烃的燃烧反应的影响,证实了两种助剂的促进作用与碳链长度的关系是截然不同的.