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.     

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。     

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.     

正十二烷高温机理简化及验证

由于详细化学反应机理在模拟燃烧室燃烧时,计算量极大,很难被广泛运用。为了满足工程设计要求,采用替代燃料的简化机理进行计算不失为一种行之有效的方法。本文基于误差传播的直接关系图法和敏感性分析法对正十二烷180组分1962步高温机理(温度大于1100 K)进行简化,获得40组分234步化学反应机理。在温度为1100–1650 K,压力为0.1–4 MPa条件下,采用简化机理及详细机理对不同当量比、压力下着火延迟时间进行模拟,模拟结果与实验数据吻合得较好。通过对不同压力及温度下火焰传播速度进行模拟,验证了简化机理能够正确地反映正十二烷的燃烧特性。利用C_(12)H_(26)/OH/H_2O/CO_2等重要组分随时间变化的数据,验证了简化机理能够准确描述燃烧过程反应物消耗、基团变化、生成物产生的过程,并表明该机理具有较高的模拟精度。利用该简化机理对本生灯进行数值分析,结果表明该机理能够准确地反映火焰区温度和组分浓度的变化。紧凑的正十二烷高温简化机理不仅能够正确体现其物理化学特性,而且能够用于三维数值模拟,具有较高的工程运用价值和应用前景。     

Fragment-Based Ab Initio Molecular Dynamics Simulation for Combustion

We develop a fragment-based ab initio molecular dynamics (FB-AIMD) method for efficient dynamics simulation of the combustion process. In this method, the intermolecular interactions are treated by a fragment-based many-body expansion in which three- or higher body interactions are neglected, while two-body interactions are computed if the distance between the two fragments is smaller than a cutoff value. The accuracy of the method was verified by comparing FB-AIMD calculated energies and atomic forces of several different systems with those obtained by standard full system quantum calculations. The computational cost of the FB-AIMD method scales linearly with the size of the system, and the calculation is easily parallelizable. The method is applied to methane combustion as a benchmark. Detailed reaction network of methane reaction is analyzed, and important reaction species are tracked in real time. The current result of methane simulation is in excellent agreement with known experimental findings and with prior theoretical studies.     

氨燃烧及反应机理研究进展

现今的一系列环境和能源问题迫使人类急需寻找清洁的燃料以替代传统的化石燃料。氨作为一种富氢的无碳燃料,具有能量密度高、成本低、储运安全等优势,近年来受到了越来越多学者的关注,成为了一个研究热点。本文介绍了氨燃料的物化特性及燃烧特性,分析了氨与各种燃料混合燃烧在燃烧速度、火焰结构、污染物形成等方面的表现以及在发动机的应用情况,详述了氨燃烧机理及动力学模型的研究现状,指出有待进一步研究的问题并展望了氨燃烧研究的发展方向。     

燃烧反应机理构建的极小反应网络方法——氢氧燃烧

基于化学同时平衡原理,提出复杂反应体系的极小反应网络方法(MRN),在指定中间物种数目条件下,构建反应步数最小的详细燃烧反应机理.确定了8个物种的氢氧燃烧的6个独立反应,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9步反应氢氧燃烧机理(MRN-C0)进行了点火延迟时间和层流火焰速度的模拟.     

正十二烷高温燃烧详细化学动力学机理的系统简化

采用详细化学反应动力学机理的系统简化方法, 以典型航空燃料的替代组分正十二烷为研究对象, 开展了正十二烷高温燃烧化学动力学机理的系统简化. 首先采用多步直接关系图法(DRG)和基于计算奇异值摄动法(CSP)重要性指标的反应移除方法对由1279个组分, 5056个基元反应组成的正十二烷燃烧详细机理进行框架简化, 得到了包含59 个组分, 222 个基元反应的框架机理; 进一步采用CSP对框架机理进行时间尺度分析, 选出了10个准稳态物种, 采用准稳态近似方法(QSSA)构建了包含49个组分的全局简化机理. 计算结果表明, 在较宽的参数范围内, 框架机理和全局简化机理均能够重现正十二烷详细机理在高温燃烧的点火延迟时间、熄火以及物种浓度分布等方面的模拟结果.     

The Merits of the High-temperature Combustion Method for Determining the Amount of Natural Organic Carbon in Surface Freshwater Samples

The merits of the method for the quantitative analysis of carbon of natural organic matter (NOM) in aquatic freshwater samples, using the high-temperature catalytic combustion technique, have to our knowledge not previously been documented. Although a large intercalibration study concerning marine NOM have documented and improved the analytical merits of this technique in marine chemistry, these results cannot directly be adapted to freshwater analysis. This article presents the findings from an intercalibration on the determination of carbon in freshwater NOM, between 25 laboratories participated in using the high-temperature catalytic combustion technique. The laboratories analysed the amount of total- and dissolved organic carbon (i.e. TOC and DOC, respectively) on a set of 10 samples. The samples consisted of fresh surface water, reverse osmosis (RO) isolates of dissolved NOM from natural freshwater locations, as well as synthetic standards. General merits (i.e. accuracy, precision etc.) of the analytical method are presented and problems with detection limits, high blank values, contamination from filters, experience in the use of RO-isolates and analysis of the more refractory (i.e. not readily oxidizable) NOM are discussed. The focus of the study is on the analytical merits achieved on the natural samples compared to the commonly used and possibly readily oxidizable standard material (i.e. potassium hydrogen phthalate). It is demonstrated that the method's merits generated using the readily oxidizable potassium hydrogen phthalate are too optimistic when applied to the analysis of natural aquatic samples.     

稀土铈掺杂对甲烷高温燃烧催化剂LaFeAl11O19结构和性能的影响

六铝酸盐甲烷高温燃烧催化剂研究目前主要集中在BaMnA l11O19基和LaMnA l11O19基的催化剂上[1-4],关于LaFeA l11O19催化剂研究相对较少,而据文献报道[5]在沉淀法制备取代型的六铝酸钡催化剂中铁和锰活性相近,但铁比锰具有更高的耐高温和抗水热冲击的能力,因此本工作选择LaFeA l     

氧化锡基甲烷催化燃烧催化剂的硫中毒反应机理

测定了几种活性较高的氧化锡基甲烷燃烧催化剂在200×10－6（φ）SO2存在下的催化活性.结果发现,SnCrO样品具有很好的抗硫性能,而SnCuO及SnCoO样品在SO2存在时的活性大大降低.用XRD、BET、XPS、FT-IR及DTA-TG等技术对反应前后的样品进行了表征,结果表明,硫酸盐的热稳定性对催化剂在SO2处理过程中的变化起决定作用.在实验的温度下（500 ℃）,Co2(SO4)3和CuSO4均能稳定存在,而Cr2(SO4)3会分解.SnCrO样品在SO2存在下反应时只是表面吸附少量硫酸根,因此其催化活性基本保持不变.这是SnCrO样品具有良好抗硫性能的原因.     

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.     

连续SiC(Al)纤维的耐超高温性能及其机理

以有机金属聚合物聚铝碳硅烷为原料, 利用先驱体转化法制备出连续SiC(Al)纤维. 采用一系列分析测试对纤维的组成、结构以及耐超高温性能进行了表征, 通过与Nicalon纤维的比较, 对连续SiC(Al)纤维的耐超高温机理进行了研究. 结果表明, 连续SiC(Al)纤维具有优异的耐超高温性能,在1800 ℃氩气中处理1 h后, 纤维的强度保留率为80%左右; 元素分析和27Al MAS核磁共振等分析表明, 连续SiC(Al)纤维为近化学计量比的SiC纤维, 纤维中微量的铝元素以Al—O和Al—C键两种形式存在; 在超高温条件下, 两种不同存在形式的铝均能够抑制纤维中晶粒的长大. 纤维具有近化学计量比的组成和铝元素在高温条件下对于晶粒长大的抑制, 是连续SiC(Al)纤维具有优异耐超高温性能的原因.     

煤炭燃烧过程中N2O消除反应机理的密度泛函理论研究

用密度泛函理论B3LYP方法对煤炭燃烧过程中N₂O的消除反应进行研究。选用6-311++G**和aug-cc-pVTZ基组,优化了反应通道上反应物、过渡态和产物的几何构型。预测了它们的热力学性质(总能量、焓、熵和吉布斯自由能)及其随温度的变化。预测N₂O+CO反应的活化能为200 kJ·mol^-1,与实验值193±8 kJ·mol^-1较一致。计算了500~1 800 K 温度范围的反应速率常数。在N₂O的分解中,N₂O与H和CN自由基的反应为动力学优先进行的反应,其活化能为50~55 kJ·mol^-1。在B3LYP/aug-cc-pVTZ level水平下,N₂O+CN反应是热力学最有利的自发反应,其吉布斯自由能变化为-407 kJ·mol^-1。     

甲基环己烷的高温燃烧机理及动力学模拟

本文根据高碳链烷烃和环烷烃高温燃烧的反应类型,开发了高温燃烧反应机理的自动生成程序ReaxGen,并据此建立了甲基环己烷的高温燃烧详细机理。采用激波管反应器模型开展了动力学模拟,研究了燃烧点火温度、点火压力、燃料摩尔分数和当量比对点火延时的影响。通过绝热燃烧平衡计算,得到产物浓度和绝热火焰温度。动力学模拟结果与文献实验结果及国际上同类机理的模拟结果进行了比较和讨论。     

“燃烧条件”探究实验的创新改进

对人教版九年级化学上册第七单元的“燃烧条件”探究实验进行了改进。引入了水浴加热、温度传感器、氮气氛围保护、便携氧气瓶等创新点,改进的实验具有高效性、科学性、环保性。     

高温热裂解电催化剂Ketjen Black EC300J碳黑负载钴卟啉的氧还原性能

选用具有高介孔表面积和高导电性能的碳黑Ketjen Black EC 300J(简称KB)作为载体,制备了碳黑负载钴卟啉(CoTMPP/KB),经过900℃热处理后得到电催化剂,用于燃料电池阴极氧还原反应.利用循环伏安法(CV)研究了碳载体不同预处理方法以及高温热处理对碳黑负载钴卟啉电催化剂的氧还原催化性能的影响.结果表明,6 mol/L HNO3预处理可以很好地改善KB性能,碳黑负载钴卟啉经过900℃热处理得到的电催化剂,虽然其中钴卟啉的结构发生了裂解,但催化剂具有较好的氧还原催化性能,阴极峰值电位(Ep)及最大电容电流(Ip)均为最佳.采用IR、XRD、TEM和氮吸附/脱附等手段对KB碳黑以及电催化剂表面性质及微观结构进行了分析,经6 mol/L HNO3预处理的KB碳黑表面羟基(—OH)等含氧基团增多,团聚不明显,平均粒径约30 nm;孔结构主要由孔径分布较窄的中孔组成,是一种较好的电催化剂载体;经900℃热处理后,电催化剂结构中有CoC3(101)和金属态Co(111)结构出现,钴离子在碳黑表面的分散较好,平均孔径为8.2 nm,比表面积为463.4 m2/g.     

固氮酶的固氮机理和其人工模拟问题的探讨

固氮酶将N₂ 还原为NH₃ 的过程是自然界实现氮循环的重要环节。本文着重对固氮酶的固氮机理和其活性中心FeMo 辅基的人工模拟合成进行探讨, 其中包括FeMo蛋白中的质子和电子的传递, FeMo 辅基对N₂ 的活化方式,Mo 原子的作用, 固氮活性的测试。最后还就固氮酶的活性中心FeMo 辅基的人工模拟合成进行了探讨。     

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.     

贵金属甲烷燃烧催化剂*

贵金属催化剂具有较高的甲烷燃烧活性,但是其弱的稳定性抑制了其在VOC脱除以及低浓瓦斯治理等领域的应用,因此提高贵金属甲烷燃烧催化剂的稳定性是目前研究的热点。本文综述了活性组分、载体、助剂和前驱体对贵金属甲烷燃烧催化剂性能的影响;重点介绍了具有较高甲烷燃烧活性的Pd基催化剂受这些因素的影响;结合甲烷燃烧动力学分析了反应组分对催化剂性能的影响;讨论了催化剂失活的机理以及导致研究结论存在较大分歧的原因,提出了避免这些分歧的措施。