含磷化合物抑制甲烷火焰的数值分析研究

摘要

能源问题和环境问题在全球经济飞速发展的今天日益凸显，所以燃烧安全和清洁灭火的研究也越来越受重视。多年来一直使用的卤代烷灭火剂逐渐被禁止生产和使用，在广大学者寻求新型清洁高效灭火介质的研究中，含磷抑制剂由于其高效、低烟、无毒、无卤等特点，而得到大家的青睐，并被作为最理想的卤代烷替代物而广泛使用，也成为科研工作者们研究的热点。
　　目前，国内外学者对含磷化合物的火焰抑制机理已经展开了大量研究，但是最近的研究发现，在极贫燃环境中含磷抑制剂非但不能抑制火焰的燃烧，反而表现出增强燃烧的作用，这给火灾防治和消防扑救带来巨大的潜在威胁。火焰抑制剂的抑制效果是物理效应和化学效应综合作用的结果，物理效应一般由于吸热冷却和稀释作用而抑制燃烧，并且通常含磷抑制剂的抑制作用中化学抑制作用占主导地位，化学效应通过催化火焰中H和OH的重组来破坏燃烧链式反应，达到灭火效果。那么，在这种极贫燃条件下，含磷抑制剂的这种增强燃烧现象到底来源于哪里，是什么反应在起作用，成为一个值得研究的课题。并且，作为化学火焰抑制剂，我们也一直关注的是它的化学效应和化学反应机理，忽视了含磷抑制剂物理效应的研究，更没有对化学效应的这种两面性展开进一步探究。同时，由于实验的方法不能有效地将物理效应和化学效应进行分离，所以对化学效应进行更深入地研究甚至是解耦显得尤为困难。随着气相化学反应动力学和计算机水平的飞速发展，数值模拟方法结合详细化学反应动力学机理已经能对低维层流火焰的精细结构和燃烧特性进行精确的计算和预测，成为当前燃烧化学常用的一种研究手段。由于湍流燃烧的复杂性，目前主要借助层流燃烧研究化学反应动力学机理和模型。因此，本文采用数值计算结合详细化学反应机理的方法，就含磷抑制剂对甲烷层流预混火焰的抑制效应展开了研究，将含磷抑制剂的物化效应进行了有效分离，并且进一步解耦了含磷抑制剂的化学效应。
　　本文首先运用CHEMKIN PRO软件结合详细的化学反应动力学机理，以DMMP为例，比较研究了含磷抑制剂对贫燃和富燃条件下甲烷-空气火焰的化学抑制过程，发现DMMP对甲烷火焰的抑制作用主要是通过PO2和HOPO以及PO2和HOPO2两个催化循环反应来促进燃烧反应区H和OH的重组，并且前者更加高效，所以含磷抑制剂对富燃火焰的灭火效果更好。其次，本文将含磷抑制剂的初级热解产物分为含磷部分和碳氢部分，对极贫燃条件下含磷抑制剂增强燃烧的现象进行研究并作出了合理解释。最后，本文通过人为干涉化学反应链中相关基元反应的化学反应过程，引入惰性物质对含磷抑制剂的物理效应和化学效应进行了有效分离，并且创新性地提出利用热解产物中起主要催化作用的小分子替代初始抑制剂的方法，将含磷化合物的整体化学效应解耦成热解效应和催化效应两部分，进而对各部分效应在不同条件下的相互作用关系进行了对比研究。研究发现:物理效应一直处于火焰抑制区，在抑制剂添加量小于等于2％情况下，当初始当量比小于0.6时，促燃作用在化学效应中占主导地位，这是因为在贫燃环境下，碳氢化合物氧化过程中的活性自由基重组减少了，从而放热反应比化学反应链中的其他反应更加高效。本文所得结论，可以为火焰抑制剂的机理研究和新型复合灭火剂的生产研发及使用提供了理论指导和科学依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．2．含磷化合物火焰抑制机理研究

1．2．3．含磷抑制剂的促燃现象

1．2．4．火焰抑制效应物理和化学作用的分离研究

1．3 研究内容及章节安排

1．4 研究思路

第2章 数值计算方法及物化效应解耦模型

2．2 层流预混火焰模型

2．2．1．一维自由传播火焰模型

2．2．2．预混火焰的数值求解方法

2．3 层流火焰速度

2．3．1．层流火焰传播理论

2．3．2．层流火焰速度对火焰抑制效果的评价

2．4 火焰抑制剂的物化效应解耦模型

2．4．1．火焰抑制剂的物理效应和化学效应

2．4．2．抑制剂的催化效应和热解效应

2．4．3．火焰抑制剂的各部分效应对降低火焰速度的相对贡献

第3章 DMMP对甲烷层流火焰抑制机理的研究

3．1 引言

3．2 数值模型及计算方法

3．3 模型的验证

3．4 结果分析与讨论

3．4．1．DMMP对火焰燃烧特性的影响分析

3．4．2．DMMP对甲烷火焰的抑制机理分析

3．5 本章小结

第4章 含磷化合物抑制甲烷屡流火焰的物化效应研究

4．1 引言

4．2 化学反应动力学模型和初始条件

4．3 结果分析与讨论

4．3．1．合磷火焰抑制剂的增强燃烧现象及原因

4．3．2．含磷抑制剂的物理效应和化学效应的解耦

4．3．3．解耦含磷火焰抑制剂化学效应中的催化效应和热解效应

4．3．4．合磷抑制剂的物化学效应及其分量间的相互比较

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 本文的主要工作内容及结论

5．2 下一步工作展望

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