碳?xì)淙剂先紵龔?fù)雜化學(xué)反應(yīng)過(guò)程分析

))))()()責(zé)號(hào)男男 所在和原項(xiàng)目成員的組成、特長(zhǎng)、分工及成員間相互協(xié)調(diào)配合的情況，導(dǎo)師指導(dǎo)情況(400本項(xiàng)目是在陳正老師的指導(dǎo)下的個(gè)人獨(dú)立完成的項(xiàng)目，工作量見(jiàn)部分。在研加有針對(duì)性和目的性。同時(shí)，燃燒的師兄師姐也對(duì)工作開(kāi)展和進(jìn)行給予了價(jià)值等，600字以內(nèi))模型。隨后，結(jié)合甲烷在實(shí)際應(yīng)用中摻混氫氣的事實(shí)，利用對(duì)燃燒化學(xué)反應(yīng)起始溫度(轉(zhuǎn)換溫度)的擬合公式建立了甲烷/氫氣混合的層流火焰速度模型。與的火焰速度，尤其是在內(nèi)燃機(jī)燃燒室中的高溫高壓工況。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的湍流模擬，火焰速度需要作為初始參數(shù)值，利用本文公式將大大縮短計(jì)算火焰第二部分的工作對(duì)雙組份的球形火焰過(guò)程進(jìn)行了研究。通過(guò)采用大活化方式。感謝陳正老師對(duì)諄諄教誨，感謝的師兄師姐們對(duì)幫助和支持， 工學(xué)院2012用這一表達(dá)式在滿足物理含義的基礎(chǔ)上建立了甲烷/氫氣混合的層流火焰速度模型。經(jīng)驗(yàn)證，該模型值與數(shù)值模擬的結(jié)果吻合較好。前常常造成大量的污染物排放且效率一般；另一方面，傳統(tǒng)化石的資源有限而人類對(duì)能源能量的需求卻日益增加。兩方面的因素促使人們?cè)趥鹘y(tǒng)化石之外尋找新安全的性質(zhì)[6,7]。因而，這種甲烷和氫氣的混合氣體成為一種理想的，并得到了本文的研究目標(biāo)為綜合利用多種化學(xué)反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)化的方法對(duì)原有復(fù)雜機(jī)理進(jìn)行甲烷簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)敏感性分析研究系統(tǒng)對(duì)小擾動(dòng)的響應(yīng)。該方法借助Jacobian矩陣，在積分S=ci/cik

ln

kj/k

cik

S表示敏感性系數(shù)kj表示j個(gè)基元反應(yīng)的速ci表示第i種組18個(gè)反應(yīng)的初步機(jī)理(表1)。(只考慮高溫、貧燃的工況，因而只含單個(gè)碳的中間產(chǎn)物)。118 CO26）H系統(tǒng) H+O2+MHO2+MH+OH+MH2O+MH+HO2OH+OHH+HO2H2+O2OH+HO2CH4+HCH3CH4+OHCH3CH3+OCH2O+HCH2O+OH4）CO生CHO+HCHO+MCHO+O25）CO2生根據(jù)物種和能量守恒關(guān)系列出控制方程LYs

ddYiWr

uLdxLTs

ikrLeidxcpdx krddT1Q uL

dxcpdx

lcplrLYiikrk

LYCHw1 LYCO2 LYCHw1 LYCO2 LYCHw1w2 LYCHOw3w4 LYCHOw4w5w6w7 LYHw1w4w6w11 LYHw1w3w4w6w7w9w10w11w12w14w15w16 算，舍去反應(yīng)速率較大的反應(yīng)，如R3，R4，R7，R11，R12，R17。對(duì)原方程組進(jìn)行322222R5，R13，R18可以被消去。于是上面的方程組(3)簡(jiǎn)化為L(zhǎng)YCH4LYCO2LYOLYCOwI2 LYH2wI2wIII LYH24wIwIIwIII 中的某些中間產(chǎn)物極活潑，它們參與許多反應(yīng)，但是濃度低 又短，為簡(jiǎn)化計(jì)4爾百分?jǐn)?shù)(2)1%的物種進(jìn)行穩(wěn)態(tài)近似(這種情HO即穩(wěn)態(tài)近似的物種有：OH,O,CH2O,CHO,HO2,CH3六種組分采用穩(wěn)態(tài)近似，令(3)中個(gè)各物種對(duì)應(yīng)表達(dá)式左端的算子值為0，即可得到六個(gè)約束方程，再與方程組(4)聯(lián)立，并定義經(jīng)過(guò)上述步驟初步簡(jiǎn)化后的反應(yīng)速率為wi:wIIw9wIIIw6w8w14

wIVw10 CH42H COCO CO2HH H2O2 2H同時(shí)可以寫(xiě)出速率表達(dá)式w1k1CH4w2k2CH4w6k6w8k8CHOO2w9k9fCOOHk9bCO2w10k10fO2Hk10bw14k14HMO2w15k15w16k16HHO2HO2/CHO/OH/O進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化。對(duì)HO2CHO兩種穩(wěn)態(tài)近似物，利用其生成與消耗速率的等式關(guān)系可以寫(xiě)出其表達(dá)式；而對(duì)于OH和O兩種穩(wěn)態(tài)近似物，上述方法涉及反應(yīng)較多，增加了各穩(wěn)態(tài)近似成分的相互耦合，導(dǎo)致數(shù)學(xué)上求解的。其解決方法是引入局部平衡假設(shè)，及找出高k8CH4O2k14HO2k16k17HO2Hk18HO2k6CH4Hk7CHOMk8CH4O2k1CH4Hk2CH4

OH

H2

2 2

H2H

H

2K 11 w1k1CH4

w2

CH4kk12H2H2K

w6

k6Hk7Mk8O2

k6CH4 w8

k12H2H2k12H2H2K

k8CH4HO2 k9 CO2K12Kw9 H K

H2H w

HO2H3K

K2

101112w14k14HO2 w

H2OH2 K HK

k16 HH k16k17k18

H2

表 決速步反 反應(yīng)速I(mǎi):CHI:CH4 A1:CH4HCH3IV:O2CO A9:COCO2H2A14:HO2MHO2A10:HOHwIw1wIIw9wIIIwIVk9

wIk1CH4H k9

kK99b HwkK99b H 2

CO2H2,KIIk 9bwIIIk14HO2 H 2 KK OH HHO, 10 1112 K 10fH K 漸近理論分

111210

wIwIII

H32

112 HKIV H O12 HKIV H O

10

10 I':CH+O=CO+H II':CO+H2O=CO2+HIII':O2H2

II知(K為反應(yīng)的平衡常數(shù)K假設(shè)COH2，則由(12)

CO2H2T T CO2 H2OK'T4LYCH 42LYOwI 22LYHLYCO2(wIwII 22LYHOLYCO 2LYCO2LYCO XYiWCH4；xXi；T1TTu；x1 xcp T uL0CH4uw1

WCH

；Q1 QlYCH c cTTp 2121

H2Hd21dx1d21dx1d2

I w1I ww

1

d2 211 wwIII 11dx 12 d H2O 1w1 1 1 d2 1

dx

1wI1

同時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算得到表達(dá)式d21 O22 dx2

xH2

2d2 2

2424 12424

qH21qCOxHxCHT 其中 1 ； 1 Q I'':CH+O 2H+αCO+

1H2O+ 1CO

2

III'':O

H2+α1CO 2HO+2α1

1火焰結(jié)構(gòu)示意圖 1w1Da 1CH4 ICH4 2 K XDa

1

2s2 CH4u p 4k10fXOk1LeCH

y

,

d22

2Day1y1 一是在貧和反應(yīng)I不可逆的前提下，反應(yīng)區(qū)的下游段被完全消耗，即,y :xCH1expLeCHx1LeCH，從而解得 44

x1,x1 事實(shí)上，存在一基消耗區(qū)，將反應(yīng)預(yù)熱區(qū)與反應(yīng)區(qū)相連，其位置y1,1，此區(qū)域 y1,

1, 2Da

x1=0的鄰域內(nèi)進(jìn)行分析求解。定義新的變量并結(jié)合上面關(guān)于各組分含量

H11HT1 O

3 M1.62 KLe3Le312kM

2s2 qu p0 引入變量2qx1,并由(17.2)w10 d2 4Da d

1

,z 1 40 40 1 20 20

20可以忽略，結(jié)合前面的定

0,

甲烷火焰速度求

21214214z0214,

k2k10

T0 1.5p

k1T0k14T0/RT0 從中獲得 后代入化簡(jiǎn)出的關(guān)于火 速度的12式就2以估算出4應(yīng)數(shù)值8k Le5 T2TT0s2 10 CH

5

15 q4

13 T0TT p0 模型檢驗(yàn)和甲烷火焰速度TTT0 CH sY A CH

TbT

pPT0

u

其中AT0PT0均為未知函數(shù)，但考慮到公式與反應(yīng)速率有關(guān)，結(jié)合化學(xué)動(dòng)力學(xué)AT0FexpG/T0 PT0BexpE/T0表

BEFGmn-圖2甲烷燃燒火焰速度與當(dāng)量比的關(guān)系[1]甲烷氫氣混合氣體的火焰速度模以往的用于混合氣體層流火焰速度模型為[4,5]：保持T0不變，對(duì)式(35)進(jìn)得到T0w關(guān)于壓力p，氫氣摩爾百分含量w和當(dāng)量比的表達(dá)式T0wT0

w0.0510.0015lnp00480035 1

首先對(duì)式(39)進(jìn)行驗(yàn)證根據(jù)純甲烷的計(jì)算結(jié)果 的實(shí)際變化趨勢(shì)是隨壓強(qiáng)和壓強(qiáng)p的變化示意圖。從圖中看出(39)式基本描繪出了這一趨勢(shì)。 60%以上時(shí)，主導(dǎo)機(jī)理發(fā)生了改變，僅調(diào)整T0不能4298K下對(duì)模型計(jì)算的檢驗(yàn)結(jié)果。該模型在這些工況的擬合程度較好。同時(shí)，為了考慮實(shí)際應(yīng)用中高溫、高壓對(duì)這一混合燃燒特性的影響，計(jì)算了600K,p10,20atm工況下，模型的層流火焰速度。如圖6，描述了當(dāng)量比為1時(shí)不同初始溫度下壓強(qiáng)分別為10和20atm的擬合情450K左右及以下模擬的比大。600K時(shí)的誤差雖然可以接受，但可以預(yù)見(jiàn)的是，對(duì)于更高溫度的燃燒過(guò)程。模型需要的修正。圖7反應(yīng)的是當(dāng)量比不同時(shí)高溫高壓的燃燒情況，從圖中來(lái)看，溫度298K~600K，當(dāng)量比0.8~1.2，壓強(qiáng)0.8~20atm的區(qū)間內(nèi)。 Tu=298K;=SuSu0 Tu=298K;p=量比為1，初始溫度298K；虛線和三Tu=298K;p=SuSu 5不同當(dāng)量比時(shí)層流火焰速度與氫氣體積百分含量的關(guān)系(0.8，1.0，1.2；初始溫度298K，氣壓為2atm；虛線和三角形是PREMIX的結(jié)果，實(shí)線和圓形是模型的結(jié)果)

(b)=1.0;p=(b)=1.0;p=SuSSuSu0

TuTu=600K;=Su0 Subypresentmodel氫氣體積百分含量60%Subypresentmodel0 SubyPREMIX總結(jié)及展烷火焰速度數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建將四步反應(yīng)簡(jiǎn)化到兩步，并通過(guò)簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算計(jì)算出甲烷火焰速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。這一表達(dá)式的優(yōu)點(diǎn)在于給出了火焰速度的顯加精確的結(jié)果還需要一定的改進(jìn)(比如(35)中計(jì)算T0沒(méi)有考慮當(dāng)量比等的影響)。不過(guò)反應(yīng)區(qū)的特征溫度T 0 做了修正，從而得到了甲烷/氫氣混合氣體的層流火焰速度模型。這模準(zhǔn)進(jìn)了，驗(yàn)T0合多種工況下PREMIX的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)在初始溫度298-600K，當(dāng)量比0.8-1.2強(qiáng)10-20atm大大降數(shù)模擬程的算量時(shí)成本但在度高或量很的情下，模型需修。參考文Peters,N.,andF.A.Williams."TheasymptoticstructureofstoichiometricMethane-Airflames."CombustionandFlame68.2(1987):185-207.Peters,N."Numericalandasymptoticysisofsystematicallyreducedreactionschemesforhydrocarbonflames."Numericalsimulationofcombustionphenomena.SpringerBerlinHeidelberg,1985.90-109.G?ttgens,J.,F.Mauss,andN.Peters."yticapproximationsofburningvelocitiesandflamethicknessesofleanhydrogen,methane,ethylene,ethane,acetylene,andpropaneflames."Symposium(International)onCombustion.Vol.24.No.1.Elsevier,1992.Zhang,Y.,etal."AmixingmodelforlaminarflamespeedcalculationofleanH2/CO/airmixturesbasedonasymptoticyses."Fuel134(2014):400-405.Chen,Zheng,etal."Amodelforthelaminarflamespeedofbinaryfuelblendsanditsapplicationtomethane/hydrogenmixtures."InternationalJournalofHydrogenEnergy37(2012):10390–10396.Karim,G.A.,I.Wierzba,andY.Al-Alousi."Methane-hydrogenmixturesasfuels."InternationalJournalofHydrogenEnergy21.7(1996):625-631.Akansu,S.Orhan,etal."Internalcombustionenginesfueledbynaturalgas—hydrogenmixtures."InternationalJournalofHydrogenEnergy29.14(2004):1527-1539.Seshadri,K.,andJ.G?ttgens."Structureoftheoxidationlayerforstoichiometricandleanmethane-airflames."ReducedKineticMechanismsandAsymptoticApproximationsforMethane-AirFlames.SpringerBerlinHeidelberg,1991.111-136. 者所知，有關(guān)混合的理論研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展[1]。份的燃燒過(guò)程建立球形火焰模型對(duì)于基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用都有重要意義。本文的研究目標(biāo)是結(jié)合雙組分混合平面火焰的燃燒特性研究方法[3]和球形火焰過(guò)程的研究方法，建立雙組份混合的球形火焰模型并利用大活化能漸近理論推導(dǎo)出球形火焰過(guò)程中混合各種參數(shù)對(duì)于燃燒過(guò)程的影響,從而對(duì)燃組分反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，并從穩(wěn)態(tài)求解和非穩(wěn)態(tài)求解兩方面分析兩種的著火熄火行行AP;B

wYB A

A wYBexpEB RB R 其中wi,Yi,Bi,Ei,R0,,T分別為對(duì)應(yīng)某 CpT

r2Tqwq t r

B

2YAtA r2Ar

r

t r

即rRt/

UdT

dR2dTqwq R2d d A B D/ A

R2dYA

A R2d dA D/d dY B

Ud

其中UdRt/dt為火焰

在大活化能假設(shè)下，按照(圖)的結(jié)構(gòu)，將火焰結(jié)構(gòu)分為預(yù)熱區(qū)(0)，反應(yīng)區(qū)0附近)和平衡R0)。大活化能的假設(shè)下，化學(xué)反應(yīng)只有在足夠高的溫R,dT0,dYA0,dYB ,TTu,YAYA,u,YB UdT

dR2dT R2d d A R2 R2d d B dYD/dR2dYB B R2d d TTTTYYT

YY YYY TTY Y dT/ddY/d

T()TCs2eUs/ds s2eUs/

1 2Y() s2eUs/DAds s2eUs/DA 3 4Y() s2eUs/DBds s2eUs/DB 5 6 到如下的方程，其中Tb是混合燃燒后的溫度。T()T，Y()0，Y() 假設(shè)化學(xué)反應(yīng)區(qū)的漸近解為

X/ Tin(X)01(X)YA,in(X)01(X)YB,in(X)01(X

limTin(X)limT(X)0Tb1 X Xlim (X)limY(X) X X limX

(X)X

Y(X)01 BBX

dTin/dXX

dT/dXd1()/dX lim /dXlimdY/dXd()/dX X X X

/dXX

dY/dXd1()/dX BBT(X)T

s2eUs/ds(XCR2eUR/ s2eUs/ Y(X)

1 2 s2eUs/DAds(XCR2eUR/DA

s2eUs/DA Y(X)

3Rs2eUs/DBds(

s2eUs/DB 3

C1

Tu)

3s2eUs/R

4

RC3YA,u/s2eUs/DAR

C5

/s2eUs/DBR

1()1()

1 d (TT)R2eUR R

s2eUs/

d R2eUR/ s2eUs/DARd R2eUR/

s2eUs/DBRd 1AqABqBddXd

2(D) 1AddXd 1BdX聯(lián)立消去化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)i得到方程d d d

1(D)A 1(D)B 1 dX dX dX 利用(12)進(jìn)行積分1D1qAD1qB， 1qA1qB1 1Cp Cp1YA,u/(D) YB,u

11CP ,1CP 1

(TT R2eUR/ R2eUR/ s2eUs/

s2eUs/DA

s2eUs/DB

1

UR1Le

s2eUs/

1

UR1Le

2Usss LeA

2Us/

LeBe

2Us/q Rs RsqT01Tb

22q

E

22q

E

0 A

0 B 1)2] A

AeRTeR0T2 B

BeRTeR0T q q

b

q q

b A B A B Aexp(A) A Bexp(B) B 2R0T22Eq2R0T22EqE2 T2DR0TqYq2A A BE T2BR0TqYq A BR2eUR

R

2eUs/2LeB2LeBAexp Zad,ad,ASLSL,

定義無(wú)量綱數(shù)R U TT 0 Tb f L ad, u E T q Aad, AA,u ad,

R0T

ad, ad, qqB;BBB;DDB;EEB;Y

AD1 代入化簡(jiǎn)后得到(之后的表達(dá)式中省去上標(biāo)的記號(hào)，即aa

1

1111eb1Tb,AT1Zad Tb,AEe1b,As2eUs R

b,A2Rs 1 2Rs 1 1 Re A Y Re A ATb,ALe1 2ULe 1Y2 AA

s

s ds將(30)式代入(29)式中可得到火焰速度 關(guān)于一系列燃燒的物理性質(zhì)(Le,q,E)的表達(dá)式，隨后同樣可解出火焰溫度T與燃燒物性參數(shù)的關(guān)系圖像1R2eULeA s 2ULeAs 2RR模型應(yīng)該可1R2eULeA s 2ULeAs 2RRTb,A

1T2

b,

2

b,A

b,ad1

ZRseZ

b,A 21 1T 21 b, b,A與參考文獻(xiàn)[2]中得到的單組份球形火焰模型的結(jié)果一致，如圖2所示。在火焰半的參考值是平面火焰的結(jié)果，因而各條曲線都趨向無(wú)量綱數(shù)為1對(duì)應(yīng)的位置。同時(shí)，1LewisLewis3U2U102

10-

R

LewisLewisT10

10-

RqBEY1LeA并令Le變化LeA0.5,1,2，對(duì)模型中的方程組進(jìn)行求Le=出Le影響不顯著。6U4U2010- 10- R圖3路易斯數(shù)對(duì)層流火焰速度的影響實(shí)線，帶點(diǎn)虛線和虛線分別為????0.5,1,2210.510- R圖4 ??????=0.5，路易斯數(shù)對(duì)絕熱燃燒溫度的影響；三條曲線從上到下依次為????=0.5,1,2。q按照類似的方法，在LeA0.5,1,2的情形下假設(shè)EBLeY1， 圖6所示為L(zhǎng)eA0.5時(shí)不同放熱比情況下絕熱燃燒溫度的變化情形。很容易 UU5010- 10- R圖5放熱量對(duì)層流火焰速度的影響=210.510- R圖6??????=0.5，放熱量對(duì)絕熱燃燒溫度的影響；三條曲線從上到下依次為??=0.5,1,2。E7qE0.5(16～17比q為2(放熱量變兩)時(shí)焰速度增效果顯。是因隨8活UU5010- 10- R圖7活化能對(duì)層流火焰速度的影響=2110- 10- R圖8??????=0.5，活化能對(duì)絕熱燃燒溫度的影響；三條曲線從上到下依次為??=0.5,1,2?？偟恼f(shuō)來(lái)，雙組份所形成的球形火焰的特性與兩種組分的性質(zhì)密切相最小點(diǎn)火能在研究中默認(rèn)了火焰已經(jīng)被點(diǎn)燃并向外，因而曲線只顯示了火焰穩(wěn)定后的的情形，也即點(diǎn)火問(wèn)題。眾所周知只有外加一定大小的初始能量，才能夠點(diǎn)學(xué)模型對(duì)于火焰點(diǎn)燃的過(guò)程進(jìn)行求解是有意義的[4,5]。標(biāo)題中最小點(diǎn)火能Q 含義就是使得火焰能夠點(diǎn)燃并向外的最小初始能量值的無(wú)量綱結(jié)果， p0CS pQQ40(TT 在本課題的研究中，為敘述方便，在后續(xù)的文章中將用不帶記號(hào)的Q代表Q。由R,R2dTQ,dYA0,dYB ,TTu,YAYA,u,YB 1111e1TE1eZ1b,TR2eURQR2eUR1T2b,s2eUsRT

1

b,A RDR2eULe R

QR2eURLe1Y2ULe

qYD1Y2

RRs A RR

s

s ds不妨按照檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)4中采取的方法對(duì)于上面的模型進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)qBDEY1時(shí)容易得到與文獻(xiàn)[4]中相同的結(jié)果。由于本模型中引入了無(wú)量綱U10-U10-10-10-10- 10- RU10-U10-10- R9外加點(diǎn)火能量Q后層流火焰速度與距離點(diǎn)火核長(zhǎng)度的關(guān)系圖；上圖為路易斯數(shù)為12對(duì)方程(35-36)進(jìn)行求解得到圖9，圖9中實(shí)線即是給予足夠大的初始能量后火Q值稱為最小點(diǎn)火能。從圖像的大小只影響點(diǎn)燃過(guò)程，對(duì)于穩(wěn)定后的火焰并不產(chǎn)生影響(曲線在火焰穩(wěn)定后全部相交在一起)。在本文所模型中，可以分別研究不同活化能，不同放熱量和不同路易斯數(shù)對(duì)最小點(diǎn)火能的影響。分別固定LeA1,2,每次控制一個(gè)變量進(jìn)行數(shù)值如圖10，隨活化能增加，E很小和E較大時(shí)最小點(diǎn)火能的大小變化緩慢甚至在某之前的定義，E為活化能的比值。假設(shè)組分A活化能不變，E很小時(shí)，說(shuō)明B的活化能非常小，因而很容易點(diǎn)燃B。在E=1附近兩種組分的活化能大小相當(dāng)，兩者均不易點(diǎn)燃。這時(shí)活化能的增加將極大程度地影響點(diǎn)火的過(guò)程。E很大時(shí)，A活化能不變，B活化能比較大。此時(shí)A相對(duì)容易點(diǎn)燃，點(diǎn)火主要作用在A上，B活化能的改變對(duì)點(diǎn)火

10 E

0 1 E圖 最小點(diǎn)火能的影響變得小了很多可以的是在那之后即便q繼續(xù)增加，Qc也不再 420 q

0 1 q11最小點(diǎn)火能與放熱量之間的關(guān)系0.5~212312345 4 0

210 圖 本文首先基于大活化能假設(shè)下的漸近理論對(duì)雙組份燃燒的球形火焰過(guò)程進(jìn)行了理論建模分析，推導(dǎo)出了雙組份的球形火焰過(guò)程的層流火焰速度能對(duì)于火焰的影響，建立模型研究了最小點(diǎn)火能的變化趨勢(shì)。陳正.雙組分的層流火焰速度模型[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2012,33(004):711-WuYC,ChenZ.Asymptoticysisofoutwardlypropagatingsphericalflames[J].ActaMechanicaSinica,2012,28(2):359-366.高翔.混合的層流火焰速度.本科生ChenZ,BurkeMP,JuY.Onthecriticalflameradiusandminimumignitionenergyforsphericalflameinitiation[J].ProceedingsoftheCombustionInstitute,2011,33(1):1219-1226.H.Zhang,Z.Chen*,“Sphericalflameinitiationandpropagationwiththermallysensitiveintermediatekinetics,”CombustionandFlame,158(2011)1520-1531.的師兄師姐對(duì)指導(dǎo)與幫助。感謝國(guó)家創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃的支持。感謝科研訓(xùn)張?jiān)剑校?993年12月26日出生于省洛陽(yáng)市，2012年獲得高中學(xué)生應(yīng)用力學(xué)專業(yè)學(xué)校期間學(xué)習(xí)認(rèn)真努力，曾獲得國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金，金龍魚(yú)獎(jiǎng)學(xué)金，三好學(xué)生等榮譽(yù)；同時(shí)，積極參加各項(xiàng)創(chuàng)新賽事，先后獲得大學(xué)生數(shù)學(xué)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽市一等獎(jiǎng)，“江澤涵杯”數(shù)學(xué)建模競(jìng)陳正，男，工學(xué)院研究員，博士生導(dǎo)師，從事燃燒與能源方向的研究，具體的研究領(lǐng)域有：替代的燃燒特性、多尺度燃燒過(guò)程的自適應(yīng)數(shù)值模擬、等離子體助燃機(jī)理、極溫高壓、超音速、微重力、近燃燒極限等)燃燒過(guò)程等、化 學(xué)術(shù)會(huì) ：154247甲烷/氫氣混合的層流火焰速度模張?jiān)?，李子森，陳工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家100871* :原有純甲烷燃燒模型中的轉(zhuǎn)換溫度(Cross-overtemperature)進(jìn)行修正，得到了描述甲烷/氫氣混合 百分含量小于60%時(shí)，該模型值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果在較大工況范圍內(nèi)吻合較好。與此同時(shí)，諸多學(xué)者也針對(duì)混合的火焰速度模型進(jìn)行了研究[5-9]，Law和他的合作者提出了H2/碳?xì)涞木€性混合模型[5]；DiSarli等針對(duì)H2/CH4提出了L-C模型[6]，Hirasawa基于火焰溫度提出了混合火焰速度模型[7]；Chen等提出了針對(duì)雙組份的平方率模型[8]；Zhang等提出了關(guān)于合成氣的火焰速度模型[9]。然而，這些模型有其各自的使用范圍及限制。例文獻(xiàn)[8]需要確定參數(shù),文獻(xiàn)[6]中的模型適用的工況范圍不夠廣泛。因此，適合于較大工況范對(duì)甲烷/氫氣混合在不同工況下的層流火焰速度公式。隨后將該模型結(jié)果與PREMIX[14]的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。在下文中，我們首先闡述了模型的構(gòu)建過(guò)程，隨后結(jié)合PREMIX結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證分析，最后對(duì)本工作進(jìn)行了總結(jié)和展望。.,1CH4四步反應(yīng)機(jī)理及相關(guān)參數(shù)反應(yīng)速 A1:CH4+H A9: A14:H+O2+M A10: wIk1CH4 k9fH k9 2 9 9b 9b wIIKHCOH2Ok kKCO2H2,KII 2 9 9b 9b w

2OH3

HHO,

K 10

3

IV10f11K11K12k10f K11K12k10f 2 CH+O=2H+αCO+2αHO+1-α 2 1+α O+2H+αCO=2HO+2α2 1+α CH4火焰速度模型公式k2k10

T0 1.5pk1T0k14T0/RT0 1k KLe5 T22TT0 810 CH 0 IV5H3

Su15kq4

1

HOp0 TTT0SS CH

upPT0 A(T0P(T0)T0是轉(zhuǎn)換溫度(Cross-overTemperature)。這一溫度的物關(guān)，結(jié)合Arrhenius公式，可認(rèn)為A(T0)和P(T0)具有如下形式[16]AT0FexpG/T0PT0BexpE/T0

在上述關(guān)于純甲烷的研究中，轉(zhuǎn)換溫度(Cross-overtemperature)T0被認(rèn)為只是壓力的函數(shù)，見(jiàn)式(5)。不同于Peters對(duì)于混合層流火焰速度的建模方法[16]，本文對(duì)T0的數(shù)值在不同(3)和(4)進(jìn)行擬合得到T0關(guān)于壓力p、氫氣占甲烷/氫氣混合的體積百分含量w和當(dāng)量比的 T00 w0.0510.0015lnp00480wT

1 基于以上分析，將式(4)和(8)聯(lián)立，我們得到針對(duì)純甲烷及甲烷/氫氣混合在不同工況下擬中，采用GRIMech3.0Soret擴(kuò)散效應(yīng)。計(jì)算域多的網(wǎng)格。計(jì)算中的網(wǎng)格數(shù)都大于700從而保證火焰結(jié)構(gòu)的計(jì)算的較高精度和無(wú)網(wǎng)格依賴性。T01所示是利用(8)式計(jì)算出的純甲烷所對(duì)應(yīng)的T0隨當(dāng)量的結(jié)果定性一致。這說(shuō)明我們對(duì)T0的模型構(gòu)建符合其物理規(guī)律。

隨后我們驗(yàn)證了模型對(duì)甲烷/氫氣混合層流火焰速度的結(jié)果。圖2所示是不同壓強(qiáng)于CH4的反應(yīng)模型進(jìn)行修正，因而僅調(diào)整T0不能得到滿意的結(jié)果，會(huì)出現(xiàn)較大的偏離。此外，為了考慮實(shí)際應(yīng)用中高溫、高壓對(duì)這一混合燃燒特性的影響，計(jì)算了Tu=600K,p=10,20atm工況下，模型的層流火焰速度，其結(jié)果如圖4所示。有結(jié)果可知，模型在450K左右及以下模擬的比較準(zhǔn)確，而隨著溫度的升高化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程變得更加劇烈和復(fù)雜，因SSu0 w始溫度298K；虛線和三角形是PREMIX的結(jié)果，實(shí)線和圓形是模型的結(jié)果)TuTu=298K;p=SuSu15 w氣壓為2atm；虛線和三角形是PREMIX的結(jié)果，實(shí)線和圓形是模型的結(jié)果)

=1.0,p= 600KSuSu 298K0 w =1.0,p=Su Su0 w圖TuTu=600K;=SuSu 百分含量60%；虛線和三角形是PREMIX結(jié)果，實(shí)線和圓形是模型預(yù)DashedDashed:10%SuSubymodel0 SubyPREMIX圖6模型的層流火焰速度與PREMIX計(jì)算得到的層流火焰速度間的關(guān)AkansuSO,DulgerZ,KahramanN,Veziro?luTN.Internalcombustionenginesfueledbynaturalgas—hydrogenmixtures.IntJHydrogenEnerg,2004;29(14):1527-39.KarimGA,WierzbaI,Al-AlousiY.Methane-hydrogenmixturesasfuels.IntJHydrogenEnerg,LawCK,SungCJ,WangH,LuTF.Developmentofcomprehensivedetailedandreducedreactionmechanismsforcombustionmodeling.AiaaJ,2003;41(9):1629-46.G?ttgensJ,MaussF,PetersN.yticapproximationsofburningvelocitiesandflamethicknessesofleanhydrogen,methane,ethylene,ethane,acetylene,andpropaneflames.Symp(Int)onCombust,1992;24(1):129-YuG,LawCK,WuCK.Laminarflamespeedsofhydrocarbon+airmixtureswithhydrogenaddition.CombustFlame,1986;63(3):339-47.DisarliV,BenedettoA.Laminarburn