基于激波管实验平台的甲烷燃烧化学动力学机理研究

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FIuent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，RNGk-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-Mech3.0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＜=＞05{+OVS.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+02＜=＞O+CH3O占绝对主导地位。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1研究背景和现状

1.1.1能源、环境、安全

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初边值条什

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点火延迟时间随压力的变化

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