C1~C4烷烃混合气体热爆燃的简化机理与分析

为了探索油气在受限空间热爆燃发生的化学反应机理,以CHEMICAL4.1为平台,分析了C₁~C₄烷烃混合气体热爆燃过程的系统温度、主要组分浓度和中间产物生成率的变化规律。通过敏感性分析、生成速率分析和路径分析等方法,简化了C₁~C₄烷烃混合气体的详细机理,得到了一个包含37种组分、80个基元反应组成的简化机理,并进行了对比验证。在反应机理上印证了气体热爆燃过程存在缓慢氧化、快速氧化和反应平衡3个阶段。发现与超氧化氢和过氧化氢有关的基元反应是热爆燃发生的关键反应,而大量产生的氢基和羟基最终导致了热爆燃的发生。     

碳氢燃料点火燃烧的简化化学反应动力学模型

基于``准稳态'方法建立了一套复杂化学反应动力学模型简化方法和相应的软件SPARCK. 并以3种典型的碳氢燃料------甲烷、乙烯和庚烷为研究对象，从甲烷点火燃烧的GRI2.11详 细基元反应动力学模型出发简化得出了包含14个组分10步总包反应形式的简化化学反应动 力学模型，从乙烯燃烧的51组分365详细基元反应模型出发简化得出了包含20个组分16 步总包反应形式的简化化学反应动力学模型，从庚烷点火燃烧的160组分1540详细基元反 应模型出发简化得出了包含26个组分22步总包反应形式的简化化学反应动力学模型. 通过 对典型激波管试验的结果对比可以看出：得到的简化反应动力学模型能较为有效地再现 详细基元反应模型的反应机理，具有较高的计算精度. 在工程计算中有较好的应用前景.     

氢氧混合气体爆轰波的真实化学反应模型数值模拟

采用高精度的ENO格式和基于基元化学反应的真实化学反应模型求解氢氧混合气体一维爆轰波的精细结构。采用直接起爆方法得到稳定传播的爆轰波 ,计算的爆轰波阵面参数和实验相当符合。对爆轰波反应区化学反应的研究表明 ,参与反应的不同组分具有不同类型的变化特征。网格尺寸影响的研究表明 ,计算结果的精度随着网格尺寸的增加而增加 ,并能保持较好的收敛性。移动网格研究结果表明 ,网格运动速度和爆轰速度接近时 ,两者的相互作用对计算结果产生一定影响。     

爆轰波在楔面上反射数值分析

应用基元反应模型和频散可控耗散格式(DCD)对氢氧爆轰波在楔面反射进行了数值模拟,计算中氢氧混合物的化学反应采用了8种组分20个反应方程式,在处理化学反应引起的刚性问题时采用了时间算子分裂的方法,模拟了爆轰波在楔面反射由马赫反射向规则反射转变的过程,得到了反射转变临界角,同时考虑了初始压力和组分的影响,并和实验及理论分析结果进行了比较,结果是令人满意的。     

氢氧爆轰波在变截面扩张管道中传播的数值模拟

采用二阶精度频散控制耗散格式(DCD)和8组分20个方程的基元反应模型,对轴对称变截面管道中氢氧爆轰波传播进行数值模拟。结果表明,爆轰波传播至突变截面扩张管道时,由于稀疏波的作用可能会使爆轰波局部熄爆甚至完全熄爆,对于某些敏感度高的反应气体爆轰波可以二次起爆。而在渐变截面扩张管道爆轰波相对不易熄爆。     

T型管内流动气体中爆轰绕射过程的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,对H₂、O₂、Ar体积比为2:1:1的混合气体系统在T型管内的爆轰绕射进行了数值模拟。用二阶附加半隐的Runge-Kutta法和五阶WENO格式分别离散欧拉方程的时间和空间导数项,采用9组分48步基元反应简化模型描述爆轰波在静止系统和流动系统中的传播过程,得到了温度、压力、典型组元H质量分数的分布及数值胞格结构。结果表明:在流动系统中,迎风面上波阵面为斜爆轰结构,静止系统两侧和顺风面上的波阵面为完全解耦的前导激波;在水平管中,波阵面与上下壁面经历一系列马赫碰撞后,最终形成正爆轰;在流动系统中,胞格结构明显向下游偏移;横向爆轰波的产生对爆轰波的再生起到了关键作用。     

煤油简化动力学和ISAT在超燃计算中的应用

利用基于``准稳态'方法建立的模型简化软件包SPARCK, 从建立的详细模型出发得到了一个包含22组分18步总包反应的煤油简化动力学模型. 简化模型计算得到的点火延迟时间与文献计算结果和实验结果相一致, 验证了模型的有效性. 采用简化模型和当地自适应建表(ISAT)方法, 对超燃冲压发动机进行了二维并行数值模拟, 计算得到的壁面压力分布与试验结果吻合较好, 表明简化模型能够很好地用来模拟煤油燃料超燃发动机内部的复杂燃烧过程. 在并行计算环境下, 和直接积分方法相比, 该方法将化学反应项的计算速度提高了3.73倍, 大大提高了计算效率.      

磁场效应对甲烷爆炸影响的机理

为了揭示磁场对甲烷爆炸特征的影响机理,开展了磁场对甲烷爆炸影响实验,得出了磁场对甲烷爆炸压力、火焰传播速度、爆炸产物组分及体积分数的影响规律。利用Chemkin-Pro软件模拟甲烷爆炸链式反应过程,得到了甲烷爆炸过程中的关键自由基和基元反应。通过理论计算,对不同自由基在磁场作用下的受力进行分析,揭示了磁场对甲烷爆炸的影响机理。研究结果表明,磁场能够降低甲烷爆炸压力和火焰传播速度,降低CO和CO₂的生成量,增加甲烷的残余量;·H、·O、·OH、·CH₃、·CH₂O是甲烷爆炸的关键自由基,由于·O的磁化率较高,被吸引到磁感线密集的区域,·O与其他自由基的碰撞几率减少,从而降低·HCO→CO→CO₂的链式反应速率,导致CO和CO₂生成量降低,且甲烷爆炸强度降低。     

旋转爆轰胞格结构的实验和数值研究

对爆轰波在环形圆管(预混气体为2H2/O2/Ar)内的传播分别进行了实验和数值研究。实验研究 采用烟迹板记录了环形圆管内爆轰波的胞格结构。数值计算利用二阶附加半隐的Runge-Kutta法和五阶 WENO格式分别离散欧拉方程的时间和空间导数项,采用基元反应简化模型描述化学反应过程,得到了旋转 爆轰的流场及数值胞格结构。实验和数值模拟结果表明:爆轰波在圆环管中传播时,由于圆环的内壁发散、外 壁收敛,圆环内侧爆轰强度小于外侧,胞格尺寸较大;内侧OH 的分布区域大于外侧,浓度较低。旋转爆轰的 这种性质,使爆轰波能以稳定的角速度绕轴旋转。     

膛口反应流并行数值模拟

采用轴对称多组分N-S方程对含有高速运动弹丸的膛口反应流进行了数值模拟.控制方程采用时间分裂方法并在大型计算机上采用MPI方法进行多核并行求解,其中对流项采用二阶AUSM+格式和MUSCL插值方法进行处理,燃气采用氢气-空气混合气,反应机理为9组分19步基元反应.对于弹丸引起的网格运动,采用嵌套网格法处理.并行验证算例与串行计算结果一致,采用20个CPU计算时效率为64％.根据数值结果详细讨论了发射过程中的气体动力学和化学动力学过程,并且通过对两种条件下的计算结果比较分析了化学反应对膛口流场发展的影响.结果表明,上述算法能够较为正确地模拟弹丸和化学反应对膛口流场的影响,并大大提高了计算速度.     

简化CH4/O2/N2基元反应模型在爆轰模拟中的应用

基于改进的全耦合TVD格式和简化的基元化学反应模型,建立了二维可燃预混合气爆轰波传播过程的模型并编制了相应的CFD程序,对CH4／O2／N2预混气爆轰波的形成和传播进行了数值模拟。使用不同的计算初始条件来考察模型的计算模拟能力,计算结果表明,该模型能够精确捕捉爆轰波及其波后的反射过程,同时,也能够预测不同计算初始条件下爆轰波的传播轨迹。计算结果与相同条件下CJ爆轰理论模型的计算结果进行了比较,两者符合较好,这表明简化的CH4／O2／N2机理能够较好地应用于可燃气爆轰过程的数值计算中。     

APS—RS型高速相机在气相爆轰实验中的应用研究

基于气相燃烧转爆轰机理研究,探索利用APX-RS型高速数字相机测量氢氧混合气体在电火花点火后的火焰和前驱冲击波的变化历程,获得火焰加速以及冲击波的产生与成长过程的高速摄影图像;计算了不同位置的前驱冲击波参数和气体状态参数;分析了燃烧转爆轰机制。结果表明：APX—RS型高速相机可以成功地拍摄气相燃烧转爆轰过程,并获得氢氧混合气体燃烧转爆轰为局部爆炸机制。     

激波管研究—氯化碘高温气相分解反应动力学

我们建立了一套激波管高温快速反应动力学实验装置。利用双光路分光吸收技术研究了一氯化碘分子在1000—2000°K之间解离的动力学过程,测得了M反应以及反应的速率常数。我们发现,Ⅰ原子和氯原子的三体复合速率K_(-1)比Ⅰ原子和Ⅰ原子之间的三体复合速率要大一个数量级,而且有较大的负温度系数,这可用Cl和Ar之间生成Cl-Ar自由基复合物的理论来解释。     

横向气流穿过垂直下落液滴场的二维流动数值计算

对Cl2/He混合气体横向穿过垂直下落的BHP(按重量25%的KOH,25%的H2O2及50%的H2O)液滴场的化学反应流动作了数值计算.模拟的流场是气体/液滴两相流场,在气相方程中,考虑了液滴与Cl2反应产生及释放O2(1Δ)的质量源项及表示液滴对气流阻碍作用的动量源项.由于气相动量小,液滴在下落过程横向偏移小,下落...     

C2H4-O2混合气体直接起爆的临界能量

主要基于化学动力学和Ng模型,对C2H4-O2混合气体的爆轰胞格尺寸进行预测;结合Lee表面积能量模型,预测物质在不同初始压力和化学当量比的条件下,直接起爆引起球面爆轰的临界起爆能量。直接起爆实验主要采用高压电点火提供起爆能量,起爆能量通过放电过程中电流的输出信号确定。结果表明,理论预测与实验值较吻合。首先,通过化学动力学计算得出ZND模型的爆轰参数,利用Ng模型得出爆轰胞格尺寸与ZND诱导区长度之间的比例因数A在不同初始压力与当量比的条件下分别为:A=43.815(1+p1/p0)-0.123 71和A=8.531exp(φ/3.135)+28.644,在此基础上对爆轰胞格尺寸进行定量预测。胞格尺寸的理论预测与实验结果吻合。其次,把爆轰胞格尺寸作为中间特征参数并结合Lee的表面积能量模型,提出可以预测临界起爆能量的定量模型,并得出C2H4-O2混合气体直接起爆的临界起爆能量与初始压力和化学当量比的参量拟合关系分别为Ec=0.332(p1/p0)-2.017和Ec=exp[3.951(φ-1.401)2-1.9]。     

CE/SE方法在多管爆轰流场并行计算中的应用

应用改进的CE/SE方法和并行分区技术,针对二维非结构网格,发展了一套求解化学反应流场的并行程序。采用带扩张-收敛喷管的多管脉冲爆轰发动机模型,把计算域分成若干子域进行并行求解。采用H2和O2的8组分34基元化学反应模型,对恰当化学当量比混合的氢气和氧气在单爆轰管内的起爆和向多管传播的过程进行了数值模拟。计算结果表明:CE/SE方法能很好地捕捉爆轰流场的精细结构,结果与相关文献符合良好;单管产生的爆轰波对旁通爆轰管的流场结构有很大的影响,能引爆其中的可燃气体。     

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``自燃'是燃料化学动力学控制的基本燃烧现象. 本文通过正庚 烷详细化学动力学机理和简化骨干机理相结合的研究方法,验证了Livengood-Wu ``爆震累积临界值'概念(knock integral approach). 证明当反应H$\cdot``自燃'是燃料化学动力学控制的基本燃烧现象. 本文通过正庚 烷详细化学动力学机理和简化骨干机理相结合的研究方法,验证了Livengood-Wu ``爆震累积临界值'概念(knock integral approach). 证明当反应H$\cdot ``自燃'是燃料化学动力学控制的基本燃烧现象. 本文通过正庚 烷详细化学动力学机理和简化骨干机理相结合的研究方法,验证了Livengood-Wu ``爆震累积临界值'概念(knock integral approach). 证明当反应H$\cdot ``自燃'是燃料化学动力学控制的基本燃烧现象. 本文通过正庚 烷详细化学动力学机理和简化骨干机理相结合的研究方法,验证了Livengood-Wu ``爆震累积临界值'概念(knock integral approach). 证明当反应H$\cdot"自燃"是燃料化学动力学控制的基本燃烧现象.本文通过正庚烷详细化学动力学机理和简化骨干机理相结合的研究方法,验证了Livengoodo-Wu"爆震累积临界值"概念(knock integral approach).证明当反应H·+O_2=O·+OH·的高活化能势垒被击穿,形成高浓度OH自由基,混合气释放出大量的热量,系统温度急剧升高,自燃发生.本文还介绍了"均质压燃、低温燃烧"技术的研究进展,燃料自燃过程的控制是现代内燃机技术的重要内容.     

填充床中气体渗流与化学波耦合问题的研究

研究等温和显著气固反应条件下填充床内反应气体浓度(物质)波推进与混合气体渗流的相互作用,指出化学反应对流动的影响包括两个方面,反应过程中混合气体质量的变化和密度的变化。混合气体流动将反过来影响反应进程。分析表明,按耦合模型和非耦合模型得到的速度场完全不同;按耦合模型,反应气体的浓度(物质)波阵面的推进对混合气体的流场有显著影响,因此按耦合模型计算的混合气体流场强烈地依赖于时间;忽略化学反应引起的混合气体密度变化的耦合模型,将导致一个质量消失的汇(或质量生成的源),因此将引起混合气体渗流速度的明显变化,并可能导致物理上不合理的结果;按耦合模型和非耦合模型计算的浓度场也有很大差别;当反应气体与惰性气体摩尔质量相差较大时,不能忽略反应过程中混合气体密度的变化;研究表明对于显著气固反应不能忽略化学反应与气体渗流的相互作用。     

含铝炸药能量释放的简化模型

为了在水下爆炸效应中反映出非理想爆轰特性的影响,建立了含铝炸药非理想爆轰能量释放的简化模型。该模型以CJ爆轰理论和二次反应理论为基础,把含铝炸药化学反应划分为快速反应和慢速反应,以释放的化学能和慢反应速率常数作为非理想特征参数,并应用于一维数值模拟。计算结果与基本实验结果一致,冲击波峰值的计算误差不大于10％,衰减时间常数的误差小于5％,冲击波能与实验值也具有良好的一致性。简化模型合理地描述了含铝炸药非理想爆轰的主要过程及非理想特性,可应用于含铝炸药的设计和爆炸效应的分析。     

多循环脉冲爆震发动机流场数值研究

针对二维带有收敛扩张喷管的脉冲爆震发动机模型，采用带基元化学反应的Euler方程组和H2、空气的9组分20基元反应，对发动机在前六个工作循环的流场进行了数值模拟。通过对前几个循环流场进行比较，发现脉冲爆震发动机在第五个循环后流场就基本稳定，单循环得到的流场和多循环稳定后的流场有很大的差别，同时喷管对发动机内流场影响特别大。