基于激波管实验平台的甲烷燃烧化学动力学机理研究

论文摘要

如何更环保、更安全地使用能源是当今社会发展面临的主要问题,而燃烧则是能源获取的最主要方式。激波管是进行燃烧相关机理研究的重要手段。本文建立了一套激波管实验装置,在这个平台上对甲烷,特别是低热值的超低浓度甲烷燃烧的基础性问题进行了研究,并对激波管内的流场进行了数值模拟。首先,建立了激波管的基本实验装置（包括激波管及其配气、压力测试和光谱测量系统）。同时,研制了低压大电流的电热式电控破膜装置,实现对激波产生时机的控制（控制精度+1ms）,而且对测控设备电磁干扰小,不对化学反应产生污染。还研制了基于Atmega单片机的可编程时序控制器,完成对激光器预热、激波产生和到达、反应进程检测触发、诊断激光发射和ICCD曝光时序的总体同步控制,进而搭建了基于Nd:YAG激光器的PLIF测量平台。利用该平台对激波压缩后的流场进行了丙酮示踪PLIF测量,定量分析结果与理论计算相符,既验证了电热破膜方式的可靠性,也表明了PLIF用作激波管实验的流场显示的可行性。这种高时间和空间分辨率的测试手段在激波管实验上的成功尝试,为激波与气相物质相互作用的机理研究提供了新的思路和方法。其次,对激波诱导当量比甲烷/空气混和物点火的反应区结构进行了化学发光数字成像和OH-PLIF的可视化测量。在不同强度激波的诱导下,诱导区的温度不同,直接导致了甲烷/空气混合物的空间放热率不同,从而形成了强点燃和弱点燃两种典型的反应区结构特征,其化学自发光特征、压力特征和OH-PLIF分布的测量结果相互印证,也与前人的实验和计算分析结论一致。由于在弱点燃工况下,诱导区的着火延迟期相对于激波传播时间来说较长,导致不可消除的湍流、压力波等因素造成的扰动作用更为明显,反应特征出现显著的不均匀性。弱点燃工况的不同阶段都存在OH分布或化学发光相对于周围强很多的热点:这些化学反应强烈的热点在点火初期呈核状,随后交织成斑状,促进了火焰面的形成;而后,位于未燃气体和火焰面交界处的热点,加速了火焰面的推进。随着诱导激波的增强,这种不均匀性显著减小,在强点燃工况反应区呈规则的爆轰波结构。再次,搭建了并行化Fluent计算平台,采用空间项三阶MUSCL格式,时间项二阶隐式,Roe-Flux差分裂格式,RNG k-ε模型,基于密度法的时间导数预处理法和双重时间步进格式求解二维N-S方程,模拟了激波管内激波形成、推进、反射以及激波与边界层相互作用、激波与接触面相互作用的整个非定常流过程,计算结果与前人的结果定性一致,指出了影响5区实验条件的关键因素。最后,在激波管平台上,用OH*和CH*光谱,测量了超低浓度甲烷的点火延迟时间,并与详细机理、经典经验公式和一些简化机理进行了对比,发现GRI-Mech 3.0详细机理完全适用于超低浓度甲烷氧化历程的研究。通过数据分析发现,表观活化能与甲烷浓度成幂律关系的规律,并得到温度1100～1900K、常压条件下甲烷的点火延迟时间经验公式。该活化能修正的方法可能同样适用于总包反应机理。此外,通过局部和总体敏感性分析,探讨了低浓度甲烷燃烧的反应特征。当甲烷浓度低时,在与氧气竞争的反应中（如H+O2＜=＞OH+O VS.H+CH4＜=＞CH3+H2）竞争能力明显下降,造成链分支反应活跃,点火延迟时间减小;同样由于甲烷浓度低,CH3的复合反应2CH3（+M）＜=＞C2H6（+M）的影响被削弱,在决定低浓度甲烷氧化过程的基元反应中,CH3+O2＜=＞O+CH3O占绝对主导地位。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和现状
• 1.1.1 能源、环境、安全
• 4/空气混合气的燃烧'>1.1.2 低热值CH₄/空气混合气的燃烧
• 1.1.3 激波管实验技术与燃烧机理
• 1.2 研究内容
• 1.2.1 本文的主要工作
• 1.2.2 本文的结构安排
• 第二章 激波管实验设备研制
• 2.1 设计原理
• 2.1.1 激波关系
• 2.1.2 缝合条件
• 2.1.3 实验参数估算
• 2.2 基本设备组成
• 2.2.1 激波管
• 2.2.2 配气系统
• 2.2.3 压力测量系统
• 2.2.4 光谱测量系统
• 2.3 电控破膜系统
• 2.3.1 破膜机构
• 2.3.2 电源研制
• 2.3.3 测试工况和讨论
• 2.4 同步时序控制器
• 2.4.1 控制电路
• 2.4.2 软件框架
• 2.5 PLIF测量平台
• 2.5.1 测量原理
• 2.5.2 系统组成
• 2.6 小结
• 第三章 激波诱导点火的可视化实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验设计
• 3.2.1 光路布置
• 3.2.2 时序控制
• 3.2.3 曝光时间和激发波长的标定
• 3.2.4 实验工况
• 3.3 结果和分析
• 3.3.1 激波压缩后的流场
• 3.3.2 反应区的自发光
• 3.3.3 反应区的OH分布
• 3.3.4 分析和讨论
• 3.4 小结
• 第四章 激波管内流场的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 数学模型
• 4.2.1 控制方程
• 4.2.2 湍流模型
• 4.3 数值方法和求解过程
• 4.3.1 方程的离散
• 4.3.2 初边值条件
• 4.3.3 网格生成
• 4.3.4 求解过程和求解环境
• 4.4 计算结果分析和讨论
• 4.4.1 激波的产生
• 4.5.2 激波的行进
• 4.5.3 激波的反射
• 4.5.4 反射激波与接触面的相互作用
• 4.5.5 分析和讨论
• 4.6 小结
• 第五章 超低浓度甲烷燃烧的化学反应动力学研究
• 5.1 引言
• 5.2 点火延迟时间的计算
• 5.2.1 ZOAM模型和等容绝热的均相自点燃
• 5.2.2 Chemkin简介
• 5.2.3 甲烷燃烧机理
• 5.2.4 Senkin简介
• 5.2.5 模型求解过程
• 5.2.6 敏感性分析
• 5.3 点火延迟时间的测量
• 5.3.1 测量方法
• 5.3.2 测量工况
• 5.4 结果和分析
• 5.4.1 模型假设的一些基本问题
• 5.4.2 经典模型的点火延迟时间预测
• 5.4.3 点火延迟时间计算值与实验值的比较
• 5.4.4 点火延迟时间随浓度的变化
• 5.4.5 低浓度工况下点火延迟时间的拟合
• 5.4.6 敏感性分析
• 5.5 小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果