应用遗传算法优化氢气/空气燃烧反应系数

研究目的是优化氢气/空气简化反应机理的系数,使得简化机理在一定的误差范围内,能代替详细机理.通过计算氢气/空气详细反应机理得到的组分浓度作为遗传算法的适应度目标,对简化机理进行优化.结果显示,优化后的简化机理不仅在在计算组分浓度,而且在层流预混火焰速度和组分时空分布方面,更加接近详细机理所能达到的计算结果,比优化之前的简化反应机理计算结果更加准确.     

基于连通法的甲烷简化机理构筑研究

采用连通法,针对甲烷复杂反应机理,成功地进行了不同水平的机理简化研究。通过建立组分依赖关系的正规化Jacobian矩阵,精确地查明了燃烧组分之间的耦合关系,分别构造出仅包含重要化学路径的两个动力学简化模型,获得的简化机理分别包含227和138个反应,分别涉及39和26种组分。通过对层流预混火焰结构的模拟,所得简化机理和原详细反应动力学机理关于火焰结构的计算吻合很好,计算结果显示,两个简化机理具有较高的模拟精度。     

基于重要性分析的甲烷/乙烯混合燃烧框架机理构筑

建立了基于重要性分析的详细化学机理分析平台,利用耦合组分化学存活时间和敏感性系数的重要性参数,确定详细机理中的准稳态组分,通过移除这些组分及其相关反应,得到了计算精度较高的框架机理。针对目前燃烧学界较为关注的混合燃烧问题,以甲烷、乙烯这两种典型低碳碳氢燃料为研究对象,对其详细化学反应机理进行了分析,利用重要性分析法构筑框架机理,并对甲烷/空气和甲烷/乙烯/空气预混火焰进行了数值计算。与详细机理相比,框架机理所涉及的组分数与基元反应数都得到了大幅度的降低,计算时间明显减少,但对火焰温度及反应物、生成物、中间组分浓度的预测与采用详细机理得到的结果吻合良好,证明了重要性分析法的有效性与可靠性。     

载流雾化水惰化甲烷空气预混气体特性实验研究

设计了预混气体载流雾化水惰化和抑制燃烧管实验台,对层流火焰的燃烧速度、稳定性及拉伸变形规律进行实验研究,分析了雾化水抑制和熄灭层流预混火焰的过程和机理,获得了雾化水惰化爆炸极限内甲烷和空气预混气体的特性。研究结果表明:浓度为7%的甲烷和空气预混气体,最小惰化雾化水通量为20.8ml/(m2.min);对于浓度为9%的甲烷和空气预混气体,最小惰化雾化水通量为32.9ml/(m2.min);对于浓度为11%的甲烷和空气的预混气体,最小惰化雾化水通量为44.6ml/(m2.min)。研究成果为雾化水熄灭甲烷火焰和抑制甲烷爆炸具有一定的指导意义。     

飞机防火试验中的燃烧反应动力学模型研究

使用反应路径分析法对Jet-A型航空煤油燃烧的气相燃烧机理进行简化。选用POSF-4658机理作为Jet-A燃烧的详细反应机理,该机理包含1607种燃烧组分、6633个基元反应机理。将飞机防火试验条件作为简化过程的初始条件,得到78种组分,196个反应机理的Jet-A燃烧机理。通过对Jet-A的简化反应机理、详细反应机理和JetA实验数据的比较可以发现,简化反应机理可以较准确地反映Jet-A型航空煤油在防火试验条件下的燃烧特性。利用常用的Jet-A型航空煤油简化机理计算的绝热火焰温度、点火延迟时间及层流火焰速度与本文提出的简化的计算值进行比较。结果表明,提出的简化机理在防火试验条件下具有较高的精确度。得到的Jet-A简化反应机理可为飞机防火试验的仿真研究提供燃烧场的化学反应动力学模型。     

利用主成分分析法简化甲烷/空气层流预混火焰的反应机理

利用主成分分析(Principal Component Analysis)的方法对甲烷/空气氧化的详细化学反应机理进行了简化，在低压层流预混火焰条件下进行了计算，计算结果与详细机理的计算结果及实验值进行了比较。结果表明简化机理与详细机理吻合较好，简化机理的规模和计算时间有所减少。     

甲烷-空气预混气体燃烧特性研究

采用纹影系统、压力传感器和高速相机对甲烷-空气预混气体在定容燃烧弹中的燃烧特性进行研究,分析了当量比对拉伸火焰传播速度、未拉伸火焰传播速度和层流燃烧速度的影响及定容弹中压力的变化规律。结果表明,当量比对预混气体燃烧过程有重要影响,且存在临界当量比1.1,在临界当量比下预混气体燃烧最剧烈,层流燃烧速度达到最大值(0.368 m/s),燃烧压力也达到峰值(0.703 MPa)。当预混气体当量比小于临界值时,拉伸火焰传播速度、未拉伸火焰传播速度、层流燃烧速度和燃烧压力随当量比增加而增加;而当预混气体当量比大于临界值时,速度和压力随当量比增加而减小。     

氢气添加对乙醇/空气预混火焰燃烧特性影响的数值模拟研究

通过对不同混合比率的乙醇/氢气/空气燃烧特性进行数值模拟,研究氢气添加量对点火延迟时间、层流燃烧速度、火焰厚度、化学反应滞留时间及组分分布情况的影响。研究发现一定程度上氢气添加量的增加能够缩短混合气体的点火延迟时间,并且氢气对点火延迟时间的影响随着温度的升高而逐渐减小。随着混合比率的增大,层流燃烧速度增大,并且在混合比率大于0.4时显著增大。火焰厚度及化学反应滞留时间随氢气增加而逐渐减小。此外,进一步分析组分分布情况得知氢气添加使火焰中H*、O*、OH*自由基摩尔分数峰值增大,并且H+O+OH摩尔分数峰值与层流燃烧速度存在线性关系。     

水蒸气对层流甲烷/空气扩散火焰中烟黑生成的影响

空气中水的存在会严重影响烷烃类扩散火焰中烟黑的生成,研究氧化剂流中水对烷烃类火焰的影响,对污染物控制及火灾扑救具有重要意义。模拟采用24步简化机理的有限速率化学反应模型、Moss-Brookes烟黑模型及Discrete Ordinates(DO)辐射模型,研究在空气中加入水对甲烷/空气层流伴流扩散火焰的影响,其中烟黑模型包括烟黑的成核、表面增长和氧化。结果表明,伴流空气中的水蒸气会降低火焰的温度、抑制烟黑的生成。这是因为:一方面,水蒸气降低了甲烷燃烧的温度,火焰温度的降低导致化学反应速率减慢,烟黑成核和表面生长速率随之降低,火焰中烟黑质量分数便减少;另一方面,由于水蒸气的加入使化学反应OH+H_2 H+H_2O(R(15))逆向反应加速,继而导致OH生成量增加。但由于氧气浓度降低使火焰体积增大,OH的浓度降低。从而导致烟黑的氧化速率降低,烟黑生成量增加。由于水蒸气的化学效应小于其温度效应,总体上烟黑质量分数降低。最后对比了模拟结果和试验结果。     

添加H2对生物质气层流燃烧特性的影响

为研究H₂对生物质气层流燃烧特性的影响，在内径和长度均为200 mm,点火位置为正中央的圆柱形定容燃烧弹内进行当量比为0.6～1.4、H₂体积分数为7.15%～33.15%的掺氢生物质气/空气燃烧试验。利用高速摄像仪采集火焰传播图片，并通过计算分析软件Chemkin-Pro进行化学反应路径分析。研究结果表明：添加H₂对生物质气/空气的层流燃烧速度起促进作用，在贫燃侧增长效应平稳而在富燃侧增长效应显著，使火焰的不稳定性增强；火焰结构中主要自由基浓度的增大是引起层流燃烧速度增大的主要化学动力学原因；H₂主要通过参与HCO基团氧化加快反应速率，富燃侧层流燃烧速度显著增大的原因是H₂作用的路径多为有O₂参与的反应。     

乙醇及自由基引导对甲烷预混火焰结构影响的数值模拟

本文使用了详细化学反应动力学机理计算模拟了混合有乙醇及典型自由基引导的甲烷预混火焰结构.该反应机理由Marinov研究组研究发表,包含有56个组分以及372个反应.本文的计算使用了CHEMKIN-3以及预混火焰代码,热力学及输运部分的计算基于Sandia国家实验室和Marinov研究室发布的数据库.火焰结构中主要产物的变化,关键中间产物和次要组分的计算结果显示加入乙醇和自由基都可以减少着火延迟.本文计算了三种不同条件下的火焰结构,分别为预混CH4/O2/N2火焰;预混甲烷/乙醇火焰;和加入引导自由基在甲烷/乙醇混合燃料中.此外还有含有自由基的甲烷火焰和加入乙醇的甲烷火焰比较.     

管道内甲烷/空气预混火焰加速传播特性研究

搭建了基于可视化燃烧管道的预混火焰精细结构实验台,通过理论分析和实验等手段对预混火焰的瞬态传播过程及加速传播特性进行了研究,分析得出了不同甲烷含量的预混火焰加速传播规律及预混火焰由层流向湍流的转变规律.     

楔形障碍物与火焰的作用

采用多镜头Cranz ＆ Schardin高速摄影机,对卧式燃烧方管内楔形障碍物与CH4/空气预混火焰的相互作用进行了实验研究,获得了高清淅度的障碍物诱导火焰失稳的分幅时序照片.基于RANS方法,对上述复杂物理现象进行了数值模拟.计算结果与实验结果基本相符,反映了火焰在管内传播与变形的详细过程,得到了楔形障碍物所导致的火焰加速与变形的内在机理,揭示了火焰传播过程中由层流燃烧向湍流燃烧转捩的本质.     

非线性拉伸对甲烷-空气预混火焰燃烧特性的影响

使用定容燃烧弹与高速纹影照相系统研究了不同当量比下甲烷-空气预混气体的层流火焰燃烧特性。实验数据同时应用传统线性模型和非线性模型分析了不同当量比对球形扩展火焰的传播速率和马克斯坦长度的影响。结果显示:随着当量比的增加,层流燃烧速率先增大后减小,直到当量比为1.1时,火焰速率达到最大值。马克斯坦长度始终为正值,且随着当量比的增大而增大。在所有当量比条件下,线性和非线性方法计算的火焰速率大致相同,差值小于0.01 m/s;线性方法得到的马克斯坦长度均大于非线性模型计算的结果,并随着当量比的增大,两种方法得到的马克斯坦长度的差值更加显著。     

Numerical simulation of flame propagation and localized preflame autoignition in enclosures

A novel computational approach based on the coupled 3D Flame-Tracking–Particle (FTP) method is used for numerical simulation of confined explosions caused by preflame autoignition. The Flame-Tracking (FT) technique implies continuous tracing of the mean flame surface and application of the laminar/turbulent flame velocity concepts. The Particle method is based on the joint velocity–scalar probability density function approach for simulating reactive mixture autoignition in the preflame zone. The coupled algorithm is supplemented with the database of tabulated laminar flame velocities as well as with reaction rates of hydrocarbon fuel oxidation in wide ranges of initial temperature, pressure, and equivalence ratio. The main advantage of the FTP method is that it covers both possible modes of premixed combustion, namely, frontal and volumetric. As examples, combustion of premixed hydrogen–air, propane–air, and n-heptane–air mixtures in enclosures of different geometry is considered. At certain conditions, volumetric hot spots ahead of the propagating flame are identified. These hot spots transform to localized exothermic centers giving birth to spontaneous ignition waves traversing the preflame zone at very high apparent velocities, i.e., nearly homogeneous preflame explosion occurs. The abrupt pressure rise results in the formation of shock waves producing high overpressure peaks after reflections from enclosure walls.     

2,5-二甲基呋喃-空气燃烧过程研究

利用球形发展火焰研究了常温常压下不同当量比,不同相态时2,5-二甲基呋喃-空气的层流燃烧速度和马克斯坦长度,分析了火焰拉伸对火焰传播速度的影响。研究结果表明:随着当量比的增加,2,5-二甲基呋喃-空气混合气的马克斯坦长度减少,火焰的稳定性减弱。并且分别计算出当量比为1.25和1.5的层流燃烧速度,分别为:1.189m/s,1.135m/s.。对于同一当量比1.5的情况下,不同相态的2,5-二甲基呋喃-空气混合物,在相同时刻的气液两相混合物的火焰半径已经拉伸火焰传播速度远远大于纯气相的混合物。     

Combustion hazard of mixing ammonia with nitric oxide

Premixed ammonia/nitric oxide flame was simulated using the Lindstedt 1994 and Miller–Bowman 1989 reaction mechanisms in CHEMKIN. The predicted laminar burning velocities compared well with limited measured values in the literature. The effects of unburnt mixture temperature and pressure on laminar burning velocity, flammability limits, adiabatic flame temperature and species profiles were studied. The unburnt mixture temperature had a positive impact on both the laminar burning velocity and the adiabatic flame temperature, and it extended the ammonia-rich flammability limit. The pressure had a marginally negative influence on the laminar burning velocity, while it had a slightly positive effect on the adiabatic flame temperature.