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。     

基于化学反应动力学机理的中等尺寸甲烷湍流扩散火焰的数值模拟

通过代码修改,在大涡模拟(LES)中嵌入气相化学反应速率、组分热力学性质和输运特性三大机理文件,严格意义上实现甲烷燃烧的四步简化机理与火灾动力学模拟软件(FDS)的成功对接。燃烧模型采用针对多组分燃料的涡耗散概念(EDC)模型,模拟0.3m直径的甲烷湍流扩散火焰,并分别与基于无限快反应速率的总包单步和两步化学反应预测结果对比。分析预测结果可知:四步机理能够很好的适应FDS框架,其模拟结果具有可靠性,时均温度、速度和主要反应物的预测结果高度一致;机理导入后可以预测CO2、H2O以及中间产物CO和H2的浓度,更合理地描述了火灾中气相产物的产生与输运过程。不同反应机制下主产物CO2和H2O浓度对比结果理想,在高温反应区内存在一定的差异,在高温反应区外呈现出高度的一致性。     

基于浓度敏感性分析和遗传算法的甲烷燃烧机理简化与优化

采用良搅拌反应器模型和层流预混火焰模型计算甲烷/空气燃烧过程,通过元素流通法和浓度敏感性分析法,对甲烷燃烧详细化学动力学机理GRIMECH 3.0进行简化。利用遗传算法,以甲烷/空气详细机理获得的组分浓度和一维层流火焰速度为目标,对简化机理进行优化。结果表明,相比于优化之前的简化机理,优化后的简化机理在描述甲烷/空气燃烧反应的组分浓度、层流火焰速度以及反应物和产物的时空分布方面,具有更高的精度。     

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。     

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。     

基于浓度敏感性分析的甲烷机理简化

随着数值模拟技术的发展,化学反应机理开始应用于燃烧过程的重构和深入分析。详细机理是通过大量的实验研究得到的,其包含了大量的化学反应动力学信息,可以较为完备的描述化学反应过程,但是由于详细机理过于庞大一般不能直接运用到数值模拟中去,很有必要在研究特定问题时对详细机理进行一定的简化。介绍了PCAS机理简化方法,并运用该方法对甲烷燃烧的详细机理进行了简化研究,通过简化得到的101步简化机理与详细机理吻合较好。     

非预混碳氢火焰结构条件矩封闭模拟

采用Smooke 35步机理和条件矩封闭模型,数值方法应用二阶精度中心差分和刚性系统算法器VODE,对一甲烷对撞火焰结构进行了模拟,获得了非预混火焰中反应物、主产物和微量组分随混合分数的变化关系.结果表明,该方法具有较好预测效果,具有较大潜力.     

基于绝热火焰温度多元混合气体可燃性极限的理论预测

为了预测多元混合气体可燃性极限,通过化学平衡计算软件分析确定了气体在可燃性下限（LFL）和可燃性上限（UFL）的燃烧产物及计算绝热火焰温度（CAFT）,基于能量平衡方程和简化反应模型,分别建立了混合气体LFL和UFL预测模型。应用该预测模型对CH4、C2H4、C3H8、C3H6和CO组成的不同比例混合气体可燃性极限进行预测。结果表明:简化反应模型对于LFL和UFL预测值与文献中实验值的平均相对误差分别为2.76%和5.45%,相关系数分别为0.995和0.950;同时发现两步简化模型对含有C2H4和CO混合组分预测结果误差较大,但对于平均碳原子数大于2的混合气体,预测结果一致性较好。     

DMMP对二甲醚层流预混火焰的影响研究

二甲醚(DME)作为可再生的清洁燃料,因为其优越的性能而越来越受关注,但与此同时其燃烧的安全性却容易被忽视。自蒙特利尔议定书以后,含磷化合物成为抑制碳氢化合物火焰最理想的卤代烷替代物,选取甲基磷酸二甲酯(DMMP)应用于二甲醚火焰,基于分层结构首次构筑了DME/DMMP详细化学反应机理。通过模拟研究发现,DMMP对DME层流预混火焰表现出与碳氢火焰同样明显的抑制作用。进一步进行火焰抑制机理分析,结果显示DMMP对DME层流火焰的抑制主要是因为PO_2和HOPO的循环反应促进了H和OH重组,同时得出DMMP对DME富燃火焰抑制更有效的结论。     

输油管道中汽油蒸汽爆炸的规律研究

综合考虑湍流及化学反应动力学机理对燃烧的影响,建立了详细流动耦合简化的详细化学反应机理的湍流燃烧模型,以有限体积法求解爆炸流动及反应控制方程,对二维压力管道中汽油蒸汽爆炸的过程及规律进行了数值模拟,模拟结果与实验数据有较好的吻合性;分析了各种组分的变化过程及对爆炸的控制作用.为汽油蒸汽爆炸特性及规律的进一步研究、工业防...     

湍流射流C3H8/H2/air扩散火焰中的局部熄火和再燃现象

C3H8是液化石油气的主要成分之一,对其湍流燃烧特性的研究对火灾消防等行业具有十分重要的意义。建立了一维湍流模型(ODT)的大规模计算平台并研究在固定雷诺数Re=9800的情况下,丙烷非预混湍流射流火焰中的局部熄火和再燃现象。丙烷火焰的模拟结果显示局部熄火现象主要发生在近场区域。火焰主要自由基OH、O及主要燃烧产物在局部熄火区域都迅速减少,随着之后再燃的发生,这些组分也开始逐渐增多。但是从这些组分增加的量可以看出,丙烷火焰的再燃过程相对比较慢并且没有达到完全再燃。     

Estimation of turbulent flame speed during DME/air premixed gaseous explosions

DME is thought to be a good alternative fuel due to its cleanliness and more excellent fuel economy. Although the prediction and loss prevention of flammability hazard is very important for safety of DME installations, the evaluation method with sufficient accuracy has not been established. In this study, a numerical combustion model is constructed and a 3-dimensional computational fluid dynamics (CFD) simulation of a premixed DME/air explosion in a large-scale domain is conducted. The main feature of the numerical model is the solution of a transport equation for the reaction progress variable using a function for turbulent flame velocity which characterizes the turbulent regime of propagation of free flames derived by introducing the fractal theory. The model enables the calculation of premixed gaseous explosion without using fine mesh of the order of micrometer, which would be necessary to resolve the details of all instability mechanisms. The value of the empirical constant contained in the function for turbulent flame velocity is evaluated by analyzing the experimental data of LPG/air and DME/air premixed explosions. The comparison of flame behavior between the experimental result and numerical simulation shows good agreement.     

Flame propagation behaviors of nano- and micro-scale PMMA dust explosions

Flame propagation behaviors of nano- and micro-polymethyl methacrylate (PMMA) dust explosions were experimentally studied in the open-space dust explosion apparatus. High-speed photography with normal and microscopic lenses were used to record the particle combustion behaviors and flame microstructures. Simple physical models were developed to explore the flame propagation mechanisms. High-speed photographs showed two distinct flame propagation behaviors of nano- and micro-PMMA dust explosions. For nano-particles, flame was characterized by a regular spherical shape and spatially continuous combustion structure combined with a number of luminous spot flames. The flame propagation mechanism was similar to that of a premixed gas flame coupled with solid surface combustion of the agglomerates. In comparison, for micro-particles, flame was characterized by clusters of flames and the irregular flame front, which was inferred to be composed of the diffusion flame accompanying the local premixed flame. It was indicated that smaller particles maintained the leading part of the propagating flame and governed the combustion process of PMMA dust clouds. Increasing the mass densities from 105 g/m³ to 217 g/m³ for 100 nm PMMA particles, and from 72 g/m³ to 170 g/m³ for 30 μm PMMA particles, the flame luminous intensity, scale and the average propagation velocity were enhanced. Besides, the flame front became more irregular for 30 μm PMMA dust clouds.     

An application of 3D gasdynamic modeling for the prediction of overpressures in vented enclosures

A three-dimensional gasdynamic model with constant burning rate is applied for the prediction of the maximum pressure rise from gaseous combustion in vented enclosures. A series of calculations for an enclosure with aspect ratio close to unity are presented. Both cases with and without obstacles in the enclosure are considered. Results of calculations are compared with a simple 0D solution for spherical vessels. It is shown that, in cases without obstacles, the 0D solution for the maximum reduced overpressures is close to the predictions of the detailed modeling. In cases with obstacles, the detailed simulation gives significantly higher overpressures than those from the 0D model. However, in all the cases the reduced pressures are correlated well with the maximum flame surface area.