甲醇高压热解和氧化的实验及动力学研究

利用流动反应器对甲醇的高压氧化及热解特性进行实验研究,在此基础上对已发表的甲醇化学反应动力学模型进行验证,并对宽裂解度范围的甲醇裂解气氧化特性进行模拟。研究结果表明:高压可以有效促进燃料的氧化;掺混甲醇裂解气可以有效降低甲醛的排放量。甲醇及其裂解气产生的活性自由基加快了燃料的化学反应速率,通过HO2自由基间接控制了下游链分支反应,生成大量OH自由基,改变了甲醛消耗路径中各反应的敏感性系数。

NH_(3)/H_(2)预混合气激光点火特性实验

基于定容燃烧弹,在不同初始压力、当量比和掺氢比条件下,对NH_(3)/H_(2)预混合气进行了激光点火实验研究,分析了不同条件下的火焰发展形态及最小点火能量EMI.研究发现,随掺氢比的增加,火焰受浮力的影响减弱,火焰边界逐渐清晰;升高压力能降低混合气的EMI,但不同当量比混合气的EMI受压力改变的影响程度不同;纯氨气的火焰发展极不稳定且EMI极高,掺混H_(2)后能极大降低EMI,可以有效拓宽氨气的可燃使用范围,其中掺氢比为10%时,EMI降低效果最明显.

基于化学杂化和官能团相似耦合方法的RP-3航空煤油反应动力学简化模型构建

真实航空燃料通常包含几十至上百种组分,直接构建其化学反应动力学模型十分困难。本文利用官能团相似法(SCFG),结合实测RP-3航空煤油组分比例,提出了RP-3四组分模型替代物。利用流动反应器,获得了温度为550~1150K,压力为0.1 MPa下RP-3热解数据,基于化学杂化方法(Hybrid Chemistry),构建了以真实RP-3为单一原始组分的航空煤油化学反应动力学模型(XJTURP3-2021),模型得到宏观点火延迟、层流火焰速度以及微观组分浓度系统验证。基于误差传递的直接关系图法(DRGEP)和全局敏感性分析(FSSA)对模型进行简化,获得含41种组分、212个基元反应的RP-3简化模型(XJTURP3r-2021)。与详细模型和实验数据对比发现,XJTURP3r-2021能较好地复现热力边界对RP-3基础燃烧特征影响规律,为解决CFD仿真对反应源项初始组分数量约束和计算精度固有矛盾提供新思路。

等离子体辅助铈基催化剂催化氨制氢的性能研究

以铈基纳米球(CeO_(2)-S)为载体,掺杂3d过渡金属(Fe、Co和Ni),研究金属掺杂CeO_(2)基催化剂在氨分解制氢反应中的催化性能。采用X射线衍射仪(XRD)、高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)、能量色散X射线能谱(EDX-mapping)、拉曼(Raman)等表征方法对催化剂的理化性质进行分析。结果表明,与单金属掺杂相比,双金属共掺杂的CeO_(2)基催化剂增加了催化剂的氧空位,促进了电子从CeO_(2)载体向活性金属的转移,进而促进氨分解。在非热平衡等离子体(输入电压8000 V)辅助催化氨分解反应中,FeCo/CeO_(2)-S催化剂的H2生成速率最高,达到29.3 mmol/(g_(cat)·min),并在550℃下实现NH_(3)的完全转化。等离子体与催化剂协同可进一步提高氨分解制氢的性能,为能源载体制氢提供一种新思路。

等离子体催化铁系金属催化剂氨分解制氢研究进展

氢能作为一种零碳二次能源被广泛应用于各种工业领域.氨作为一种储氢载体,具有储氢量高(17.6 wt%)、能量密度高和易液化等特点,其分解产物只有氢气和氮气,符合国家“碳达峰,碳中和”的战略发展方向.但是氨分解的活化能高,反应条件较为苛刻.因此,开发安全、高效、低成本的氨分解制氢技术对于氢能发展具有重要意义.文章首先阐明了氨分解反应的基本原理,介绍了铁系金属催化剂催化NH3分解制氢的研究进展,Fe,Co和Ni基催化剂的NH3分解活性较高,因为其金属−氮的结合能适中,之后从调控活性金属中心出发,通过加入第二金属、调控形貌、缺陷/掺杂、构建金属−载体相互作用等方面设计提高氨分解的活性,并采用多种表征方法揭示催化剂的构效关系.除铁系催化剂外,还重点介绍了提高氨分解效率的等离子体技术,回顾了等离子体的原理、种类、作用机制以及在辅助催化氨制氢方面的协同效应.文章综述了催化NH3分解的反应机理,介绍了目前氨分解制氢催化剂设计的最新进展,总结了提高NH3分解制氢的策略,强调了等离子体在辅助催化NH3分解的优势.对于今后氨分解制氢催化剂的开发和应用具有一定的参考价值,期望为未来氨制氢的技术发展和工业化应用提供新思路.

基于定容燃烧弹的正丁醚压力振荡特性试验研究

基于定容燃烧弹实验平台,在环境压力为0.05~0.20 MPa、温度为423~453 K、当量比为0.7~1.6条件下开展正丁醚的压力振荡特性试验研究,获得正丁醚燃烧过程中的燃烧压力、火焰形态、燃烧弹振动、声压实验数据并对其进行分析。研究结果表明:正丁醚在较低温度、较高压力下,当量比为1.5左右时产生的压力振荡强度最大,燃烧过程中的压力、振动、声压、亮度等信号具有相同的变化规律,均呈现出随温度增加缓慢降低、随压力增加显著增强、随当量比增加先增后减的趋势。随着压力振荡强度增大,振荡的主频向高频方向移动。正丁醚的火焰不稳定性与压力振荡的产生存在一定关系。

乙酸基+O_(2)及其分解异构化反应速率常数计算和不确定度分析

为了构建准确乙酸燃烧化学反应动力学模型,进行了乙酸基与O_(2)及其分解异构化高精度的量子计算。利用CCSD(T)-F12/cc-pVTZ-F12//B2PLYPD3/cc-pVTZ算法,得到了反应体系势能面,并基于多参考态方法CASPT2/CBS//CASPT2/cc-pVTZ,获得无势垒反应势能面。通过气相单分子反应理论(RRKM)和主方程理论求解了温度和压力相关的速率常数,利用可变反应坐标过渡态理论求解无势垒反应乙酸基与O_(2)加成反应的速率常数。结果表明:在低压或者高温条件下,超过99%的化学活化的O_(2)CH_(2)CO_(2)H自由基直接分解为CH_(2)O_(2)H+CO_(2)。随着压力升高,化学活化的O_(2)CH_(2)CO_(2)H碰撞稳定后生成O_(2)CH_(2)CO_(2)H,O_(2)CH_(2)CO_(2)H则在后续反应中分解为CH_(2)O_(2)H+CO_(2)。乙酸自由基在分解时,CO_(2)+CH_(3)产物通道占据主导地位。基于计算结果改进了原有乙酸模型,改进后的模型能够更好地预测层流燃烧速度,并且乙酸基存在更多的消耗路径,与量化计算结果一致。

采用神经网络与贝叶斯反演法自动优化乙酸化学反应动力学模型

为了解决传统化学反应动力学模型构建效率低、不确定度无法准确衡量的问题,提出了基于实验数据驱动的模型智能化构建方法。利用人工神经网络和马尔可夫蒙特卡罗链加速贝叶斯反演法的求解,基于层流火焰速度实验数据自动优化乙酸模型。仿真结果表明:通过增加神经网络样本数和隐藏层数使测试集的误差小于1%,满足化学反应动力学替代模型的要求;神经网络能够产生大量样本,有效减少马尔可夫链取样过程的误差以提高收敛效率;利用层流火焰速度实验数据约束后,反应CH_(2)CO_(2)H+H=CH_(2)CO+H_(2)O的速率常数的后验概率相对于先验概率发生了显著变化,均值在优化后增大了10倍,误差明显减小,该反应对乙酸层流速度的影响最为显著;优化后的化学反应动力学模型能够准确预测不同温度下的层流火焰速度,并且约束后的模型不确定度明显降低。研究结果可为化学反应动力学模型的实际工程应用提供参考。

高压氨氧化中N_(2)O的实验与动力学研究

在流动管平台上进行了接近发动机运行压力的氨气氧化实验,关注N_(2)O的生成和消耗.压力为5.0 MPa,温度从600~1250K,当量比从0.13~1.0.用近年来发表的氨气氧化的动力学模型开展模拟计算和动力学分析,对各模型在高压工况下对N_(2)O的预测能力进行评估和分析.根据最新的计算结果调整NH_(2)和NO_(2)反应的分支比,并在Stagni模型上更新了相关反应的反应速率,添加了N_(2)O缺失的反应路径.模型优化后在不同当量比下对N_(2)O的预测能力均得到了提升.

燃烧室燃烧与排放特性试验与数值计算

为了探寻燃烧室进口空气温度、压力以及油气比对点熄火边界、温升、燃烧效率以及主要排放物摩尔分数的影响规律,对航空发动机燃烧室在多工况下的点熄火特性、出口温度分布与主要排放物摩尔分数进行了试验测试。分别采用正癸烷的简化反应机理与C12H23燃料的单步反应机理,对该燃烧室火焰筒内流场结构、温度场、中间组分与主要排放物摩尔分数分布特性进行了数值计算,并与相应试验数据进行了对比分析。结果表明:随着燃烧室进口空气温度、压力以及油气比的提高,燃烧室燃烧效率、温升、出口平均温度与NOX摩尔分数逐渐提高,而UHC与CO摩尔分数逐渐降低;与采用C12H23燃料单步反应机理相比,采用正癸烷的简化反应机理计算得到的火焰筒内流场与温度场分布更为合理,火焰筒出口温度场分布以及主要排放物摩尔分数与相应试验数据更为接近,计算精度得到较大提高。

火花点火发动机燃用CNG/H_2混合燃料配合EGR的性能和排放研究

在一台火花点火天然气发动机上开展了不同掺氢比和EGR率下发动机性能和排放的试验研究。研究结果表明:引入EGR后发动机输出功率下降,但掺氢可以提高大EGR工况下发动机的输出功率。有效热效率随EGR率的增大呈现先升高后降低的趋势;小EGR率下,有效热效率随掺氢比的增加而降低,而大EGR率下,有效热效率随掺氢比的增大而升高。天然气掺氢后NOx排放增加,EGR引入使NOx排放降低,这种降低作用在大掺氢比下更显著。因此,相对于小EGR率工况,大EGR率工况下天然气掺氢表现出更好的性能和排放效果。HC排放随EGR率的增大而增加,随掺氢比的增加而降低。CO和CO2都随EGR率的增加变化不大,随掺氢比的增加而降低。研究表明,天然气掺氢结合EGR可实现火花点火发动机高效低污染燃烧,并能满足欧Ⅳ排放标准。

碳酸二甲酯着火化学反应动力学模型研究

利用激波管测量了碳酸二甲酯(DMC)在不同压力、温度、当量比和燃料浓度下的着火延迟期,并给出了着火延迟期的Arrhenius拟合关联式.对现有的DMC化学反应模型Glaude模型预测混合气着火过程进行了验证,Glaude模型预测的着火延迟期明显高于试验测量值.基于试验数据和理论分析,提出了一个DMC化学反应模型Present模型.Present模型能够很好地预测DMC的着火延迟期,并且在预测扩散火焰物种浓度方面也取得了很好的效果.通过对着火过程进行化学反应路径分析可知,DMC燃料分子的消耗主要靠脱氢反应,而燃料单分子分解反应消耗的燃料所占的比例较小.

二甲醚对正丁烷着火延迟期影响的机理研究

利用激波管试验平台和Chemkin软件对二甲醚/正丁烷混合燃料在不同掺混比、不同温度和压力下的着火延迟期进行了试验测量和化学反应动力学分析.基于试验数据,提出了一个新的化学反应机理New Mech C5,能够很好地预测正丁烷、二甲醚及其混合物的着火延迟期.结果表明,随着混合气中二甲醚掺混比例的增加,二甲醚/正丁烷的着火延迟期缩短,这主要是二甲醚的加入导致着火过程中自由基池浓度的增加.敏感性分析发现,在高温试验条件下,影响着火延迟期的主要反应为小分子自由基反应.混合燃料中二甲醚比例增大时,无论是二甲醚还是正丁烷的第一步脱氢反应比例均降低,单分子分解反应比例增大.

火花点火发动机燃用天然气/氢气混合燃料配合EGR的燃烧特性

在一台天然气/氢气混合燃料火花点火式发动机上,开展了不同掺氢比和不同废气再循环(EGR)率下发动机的燃烧特性研究。研究结果表明:掺氢比一定时,火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期均随EGR率的增加而增加;EGR率一定时,火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期均随掺氢比的增加而缩短,氢气的加入对火焰发展期的改善作用比对快速燃烧期的改善作用更明显。掺氢比的增加可降低平均指示压力的循环变动系数,相同平均指示压力循环变动系数下掺氢可允许使用更大的EGR率,大EGR率时天然气掺氢对平均指示压力循环变动系数的降低效果更为明显。

火花点火天然气掺氢发动机结合EGR时的循环变动规律

在火花点火式天然气掺氢发动机上,开展天然气掺氢结合EGR时发动机循环变动的试验研究,分析了不同EGR率和掺氢比时发动机燃烧循环变动规律.结果表明,对于给定的燃料,随EGR率的增加,缸内最高压力和最大压力升高率下降,循环变动增加,缸内最高压力和最大压力升高率与其对应的曲轴转角之间的相关性减弱.平均指示压力下降且分布趋于分散,平均指示压力与其对应的缸内最高压力对应的曲轴转角之间的相关性减弱.对于给定的EGR率,随着掺氢比的增加,燃烧稳定性增强,循环变动下降.EGR率对平均指示压力的循环变动系数的影响呈非线性关系,小EGR率时对循环变动系数的影响较小,大EGR率时循环变动系数随EGR率的增加而大幅度增加.高转速下由于缸内气体运动增强,发动机可在较大的EGR率下保持较低的循环变动系数.增加掺氢比可使发动机运行在较高的EGR率下而保持较低的循环变动系数.

不同初始温度下甲烷-空气混合气层流燃烧速率的测定

利用高速纹影系统在定容燃烧弹中用球形火焰法测量了不同当量比和不同初始温度下的甲烷-空气混合气的层流燃烧速率。研究结果表明:拉伸火焰传播速率、无拉伸火焰传播速率和无拉伸层流燃烧速率均随初始温度的增加而增加。Markstein长度值随燃空当量比的增加而增加,随初始温度的增加而略微减小。浓混合气的甲烷-空气前锋面火焰稳定性比稀混合气高。不同初始温度下的无拉伸层流燃烧速率在化学计量比处达到最大值。基于试验数据拟合出无拉伸层流燃烧速率与当量比和初始温度的经验公式。

天然气掺氢配合废气再循环发动机的性能及排放研究

在一台火花点火天然气发动机上开展了不同掺氢比φ(H2)和废气再循环率下发动机性能和排放的实验研究.研究结果表明:引入废气再循环(EGR)会使发动机功率降低,但掺氢可以提高大值工况下的发动机功率.有效燃油消耗率随的增大呈现先减小后增大的趋势,在为5%时达到最低,有效燃油消耗率随φ(H2)的增大而降低.天然气掺氢后NOx排放增加,引入EGR使NOx排放得到降低,此降低效果在大掺氢比情况下更为显著.在较大时,天然气掺氢具有较好的效果.HC和CO排放随的增大而增加,随φ(H2)的增大而降低.当为10%、φ(H2)为20%时,发动机可获得较好的综合性能.

二甲醚/氢气稀混合气的着火特性

利用激波管测量了二甲醚(DME)/氢气(H2)/氧气(O2)/氩气(Ar)稀混合气在宽广条件下的着火延迟期,并利用Chemkin软件对着火过程进行了模拟计算.实验结果表明,当混合气中H2的摩尔分数2HX<80%时,着火延迟期呈现出了典型的Arrhenius温度与压力依赖性;当80%<2HX<98%时,着火延迟期与温度仍呈现出Arrhenius关系,但是压力越高全局活化能越高;当2HX>98%时,着火延迟期与温度和压力都呈现出复杂的依赖关系.实验结果和计算结果均表明,随着H2混合比例增加,DME/H2混合气的着火延迟期呈现非线性的变化规律而且模型NUIG C4可以很好地预测出实验结果.通过自由基浓度分析和标准化H自由基消耗速率分析解释了上述现象.

RP-3航空煤油模拟替代燃料的着火延迟特性

为了获得一种新的国产RP-3航空煤油模拟替代燃料的着火延迟特性,在化学激波管中完成了初始压力分别为0.1MPa与0.3MPa,当量比分别为0.5,1.0与1.5,着火温度为1000~1700K条件下该模拟替代燃料着火延迟时间的试验测试,分析了初始压力与当量比对该模拟替代燃料着火延迟时间的影响规律,并与相应工况条件下RP-3航空煤油的着火延迟特性进行了对比分析。结果表明,不同工况条件下,该模拟替代燃料的着火延迟时间的对数与着火温度的倒数呈线性关系;其着火延迟时间随当量比的降低或着火温度、初始压力的升高逐渐缩短;相同工况条件下,该模拟替代燃料的着火延迟时间与RP-3航空煤油的着火延迟时间吻合较好。

汽油层流燃烧速度的测量及其替代物模型研究

针对实际汽油组分复杂导致数值模拟研究困难的问题,采用球形火焰法,在定容燃烧弹上测量了初始温度分别为358、403、448 K,初始压力分别为0.1、0.2、0.5 MPa,当量比为0.8～1.5工况下,实际汽油、正庚烷、异辛烷、甲苯、异辛烷/正庚烷混合燃料(PRF)、甲苯/异辛烷/正庚烷混合燃料(TRF)的层流燃烧速度,分析了初始温度、压力以及当量比对汽油的层流燃烧速度的影响规律,对比了不同替代物模型对实际汽油的层流燃烧速度的预测结果。基于实验结果,构建了适合我国汽油的双组分和三组分汽油替代物模型,对比结果表明,在本研究的实验工况范围内,三组分汽油替代物模型比双组分汽油替代物模型能够更好预测实际汽油层流燃烧速度。应用Chemkin软件和KAUST清洁燃烧研究中心近期发展的汽油替代物机理,对本研究实验数据进行了数值仿真,该机理对实验数据给出了合理预测。利用本研究提出的汽油替代物模型,可对实际汽油的层流燃烧速度进行合理的预测。