基于直接关系图法的碳氢燃料复杂化学机理简化

采用直接关系图(DRG)法, 针对碳氢类氧化反应详细机理, 进行了不同指定精度水平的甲烷框架化学机理简化研究. 通过DRG可以发现, 机理中存在强烈耦合的组分组, 在框架机理中, 这些组分组或同时保持或集体去除. 研究表明, 给定阈值着为0.01的框架机理仅包含182个反应、涉及27种组分, 虽然给定阈值的精度并不高, 但所得框架机理和原详细机理关于火焰结构的计算结果吻合很好. 本研究发现, 开始组分仅给定燃料物质是不够的, 当开始组分仅给定燃料物质, 则阈值着需很小, 形成的框架机理较大, 否则计算误差不可接受, 而开始组分给定燃料和氧化剂(或N2)物质, 阈值着可以取得较大, 形成的框架机理尺度可以较小, 而火焰模拟的精度仍很高.     

正庚烷复杂化学框架与全局简化机理构筑

基于误差传播的直接关系图法(DRGEP), 针对正庚烷复杂化学, 成功地进行了指定精度的不同水平框架机理简化研究. 精确地查明了指定组分的依赖关系, 构造出仅包含重要化学路径的动力学机理. 分别给定阈值ε为0.01和0.001, 获得的框架机理分别包含690和398个反应、涉及69和52种组分, 虽然给定阈值的精度并不高, 但所得框架机理和原复杂化学关于火焰结构的计算吻合很好. 为了进一步增加简化度, 采用了全局简化机理构筑的延伸算法, 增加了算法的通用性, 同时基于CSP分析, 确定了QSS组分, 在已建立的框架机理的基础上, 进一步构筑了30和20组分全局简化机理, 计算结果表明, 2个全局简化机理仍具有很高的模拟精度.     

C1-C2燃料燃烧机理的框架简化

采用六种直接关系图类（DRG）方法对包含253个物种和1542个反应的AramcoMech 1.3机理进行简化,并通过对所得到的六种简化机理取交集,最终得到包含81个物种和497个反应的框架机理。所得81个物种框架机理的点火延迟时间最大误差与其简化方法得到的框架机理最大误差相比并没有显著增加;这表明从不同简化方法的框架机理结果取交集可以有效去除冗余物种。基于81个物种框架机理模拟的双组分混合燃料的点火延迟时间与详细机理机理结果吻合很好。同时该框架机理在不同反应器中的模拟结果验证了温度、物种浓度分布和火焰等燃烧特性。元素流动分析结果表明,81个物种框架机理精确地再现了详细机理的燃烧反应路径。保留了详细机理的所有重要反应路径和层级结构,能够很好地再现C₁-C₂燃料的各种燃烧特性。因此,基于该81个物种框架机理可作为核心机理用于发展大分子烃类或含氧燃料的燃烧机理。     

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.     

CH4/空气含氮燃烧的14步简化机理

从含氮的详细机理GRI2-11出发，通过分析确定了主要物质后，利用敏感性分析和自动简化机理的计算程序，构造出一套含氮反应的CH4/空气燃烧14步总包简化机理，该简化机理包括18种组分和14个总包反应，其中，总包反应速率通过准稳态假设由准稳态物质的关系式来确定。利用良搅拌反应器和层流预混火焰的燃烧问题对其进行了检验。通过与详细机理的计算结果比较表明，该简化机理能在大范围热力学参数变化范围内很好地预测燃烧现象以及NO的生成量。     

基于特征值分析的正癸烷骨架和总包简化机理

使用基于特征值分析的骨架简化方法对由118个组分和527个反应构成的正癸烷详细机理进行了简化,获得了一个由70个组分、327个基元反应组成的骨架机理;采用基于特征值分析的计算奇异摄动(CSP)简化方法对骨架机理进行进一步简化,得到一个38组分、34步的总包简化机理.通过对简化机理、骨架机理和详细机理的对比发现,简化机理和骨架机理能够很好地再现详细机理的特性,并能够描述正癸烷的主要燃烧特性,为进一步实现耦合化学反应动力学与流体力学的工程计算,提高计算效率提供了可用的燃烧模型.     

基于特征值分析的正癸烷骨架和总包简化机理

使用基于特征值分析的骨架简化方法对由118 个组分和527 个反应构成的正癸烷详细机理进行了简化,获得了一个由70 个组分、327 个基元反应组成的骨架机理; 采用基于特征值分析的计算奇异摄动(CSP)简化方法对骨架机理进行进一步简化,得到一个38 组分、34 步的总包简化机理. 通过对简化机理、骨架机理和详细机理的对比发现,简化机理和骨架机理能够很好地再现详细机理的特性,并能够描述正癸烷的主要燃烧特性,为进一步实现耦合化学反应动力学与流体力学的工程计算,提高计算效率提供了可用的燃烧模型.     

基于直接关系图方法的丁酸甲酯燃烧反应机理的框架简化

由于直接关系图(DRG)方法的概念简单和计算量较小,使得DRG方法目前已经成为详细燃烧反应机理框架简化的主流方法。DRG方法中评价物种之间依赖关系的相互作用系数和关系图连接权重的计算方法控制着DRG方法的简化效果。采用四种不同形式的相互作用系数的定义方法,分别与标准的DRG搜索算法和基于误差传播的搜索算法结合,构建了丁酸甲酯的框架燃烧反应机理。通过系统的误差分析比较了不同简化方法构建的框架机理的模拟可靠性。重点采用基于元素流量分析的反应路径分析方法研究了框架机理的化学动力学。最后,通过交集的思想构建了一个只包含96个物种的丁酸甲酯框架燃烧反应机理,并且反应路径分析结果表明丙烯的燃烧化学动力学在丁酸甲酯燃烧过程中占有重要地位。本文通过对不同DRG方法的系统比较研究表明了反应路径分析在框架机理可靠性验证中的重要性,对进一步发展更为有效的框架简化方法提供重要依据。     

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。     

新课标背景下大学化学与高中化学教学内容衔接的研究

分析了高中化学与大学化学教学内容的交叠性,以有意义学习理论为指导,从交叠性内容的选择、认知设计和学习方式等方面提出了解决大学化学与中学化学教学内容合理接轨的一些改革措施。     

Extracting the mechanisms and kinetic models of complex reactions from atomistic simulation data

Determining reaction mechanisms and kinetic models, which can be used for chemical reaction engineering and design, from atomistic simulation is highly challenging. In this study, we develop a novel methodology to solve this problem. Our approach has three components: (1) a procedure for precisely identifying chemical species and elementary reactions and statistically calculating the reaction rate constants; (2) a reduction method to simplify the complex reaction network into a skeletal network which can be used directly for kinetic modeling; and (3) a deterministic method for validating the derived full and skeletal kinetic models. The methodology is demonstrated by analyzing simulation data of hydrogen combustion. The full reaction network comprises 69 species and 256 reactions, which is reduced into a skeletal network of 9 species and 30 reactions. The kinetic models of both the full and skeletal networks represent the simulation data well. In addition, the essential elementary reactions and their rate constants agree favorably with those obtained experimentally. © 2019 Wiley Periodicals, Inc.     

能谱涨落展示的多项式拟合法

展示能谱涨落是能谱涨落统计分析的首要工作。本文描述了能谱涨落及其展示的基本思想,在综合各类谱的涨落展示法的基础上提出一套普适性较强的多项式拟合展示法,并用实例处理予以具体说明。     

全日制化学教育硕士的PCK水平调查研究*

以美国埃里克森学院PCK量化工具为研究基础设计调查问卷,选取离子反应第1课时的电离概念教学片断,以河北某高校学科教学(化学)专业37名教育硕士为研究对象,要求被试者在对视频片断进行观摩的基础上作答9个开放性问题。研究发现:全日制化学教育硕士PCK整体和各维度知识处于“基本的”水平,在教学内容知识维度表现最佳,在学生知识、教学策略知识维度稍差一些,在把握概念关系、调整教学策略等能力活动上的表现有待发展。针对研究发现,结合化学教育硕士的专业属性及培养过程中的问题,提出构建“教师专业学习共同体”,干预化学教育硕士PCK结构的改善;依托教学案例情境载体功能,帮助化学教育硕士进行PCK的深度建构;开展基于研究性反思的教学实践,促进化学教育硕士PCK螺旋式提升等3条建议。