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。

超临界水甲烷制氢的分子动力学研究

煤-超临界水气化过程中重要中间产物挥发分的反应机理尚未明晰,采用反应分子动力学方法对重要挥发分组分甲烷(CH_(4))在超临界水氛围的反应机理及制氢机制进行了探究。系统比较了反应模拟时间和燃料分子规模对目标反应体系关键组分数时程和重要反应通道占比的影响,量化分析了反应温度、反应压力、CH_(4)质量分数对超临界水相反应中CH_(4)消耗路径和H_(2)生成反应的影响规律。仿真结果表明,CH_(4)在超临界水中氧化可转化为H_(2)、CO及少量C基中间体,H_(2)O+—H→-OH+H_(2)是贡献H_(2)生成的主导反应,反应过程中—OH自由基和—H原子的相对数量显著影响H_(2)产量。降低反应温度和压力对CH_(4)主要氧化路径影响较小,但H_(2)净产量增加;降低CH_(4)质量分数,H_(2)净产量先增加后减少,存在“最佳质量分数”。研究结果可为优化煤-超临界水气化过程中挥发分组分高效制氢方案提供参考。

壁面冷却空气对贫油吹熄特性影响的激光诊断研究

针对燃烧室中冷却壁面的冷却气膜会影响燃烧室内的流场、改变回流区结构,从而影响贫油吹熄特性这一问题,在一带有气膜冷却的旋流燃烧室上开展了不同壁面空气占比下的贫油吹熄极限测量。结果表明:壁面冷却空气占比达到0.2时,不同燃油流量下,以全局空气流量计算,燃烧室吹熄当量比降低的范围在0.09~0.1之间;以主流空气计算,吹熄当量比降低范围在0.01~0.028之间。为了更加深入研究这一规律的原因,开展了平面激光诱导荧光(PLIF)激光诊断测量,可知引入壁面冷却空气后,OH基更集中分布在靠近燃烧室底部的火焰根部。在稳定火焰工况中,与近吹熄火焰相比,在燃烧室底部附近的火焰中央有大量OH基分布,这将有助于火焰的稳定,并拓宽贫油吹熄极限。米氏散射实验结果表明,引入壁面冷却空气后可使燃油液滴更集中分布在燃烧室底部附近,这将导致根部火焰局部当量比提高,易于形成稳定的火焰。结合所得实验结果,在所使用的旋流模型燃烧室内,加入占比为0.2的壁面冷却空气,可以拓宽燃烧室的贫油吹熄极限,有助于火焰的稳定。研究结果有望对带有冷却气膜的燃烧室的燃烧稳定性调控问题提供一定的理论指导。

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.

预混火焰中热声振荡非线性特征的实验研究

针对旋流预混火焰热声不稳定性开展了实验研究.主要关注当量比对热声振荡系统非线性动力学行为的影响规律.实验结果表明,随着当量比从贫燃向富燃增大,火焰发生了Hopf分岔,火焰也经历了稳定燃烧、准周期振荡(拍振)、极限环振荡、准周期振荡以及稳定燃烧的模态转变过程.长燃烧室中火焰宏观结构的转变伴随着火焰动态模式的改变.当发生极限环振荡时,声压-火焰-涡流耦合作用致使反应区表现出大幅度的周期对流运动.

预混预蒸发正庚烷湍流火焰结构的实验研究

采用预混伴流射流燃烧器(PPJB)研究了初始温度400 K的预蒸发正庚烷/空气混合物在薄反应区的湍流火焰结构.采用热线风速仪标定冷态湍流流场,CH-PLIF测量湍流火焰反应区结构,共振OH-PLIF测量湍流火焰结构特征.结果表明:高湍流条件下,反应区厚度在不考虑三维效应时最大厚度为层流火焰厚度的1.6倍,其可支持薄反应区理论对预蒸发液体燃料湍流火焰的适用性.火焰面褶皱比和湍流燃烧速度的增加与湍流强度的提升不匹配.通过对火焰面曲率和平均火焰面密度的分析,发现高湍流条件下,褶皱尺度、大小和数量变化不大.一方面,湍流可能会减弱非均匀扩散造成的差异;另一方面,更可能是由于对褶皱结构的不完全捕捉和对3D效果的忽视而引发对火焰褶皱的低估.

非线性拉伸对层流燃烧速度提取的影响

基于理论模型推导出一种非线性NLC层流燃烧速度外推方程,并采用定容燃烧弹获取甲烷/空气、正丁烷/空气和氢气/空气的火焰发展历程。基于文献常用和本文提出的4种线性和非线性外推方程研究4种典型火焰中非线性拉伸对层流燃烧速度提取的影响。研究结果表明:随着马克斯坦长度的增加,非线性拉伸的影响增加,不同方程测量的层流燃烧速度差异增加。其中,本文提出的非线性NLC模型得到的结果与实验结果吻合最好,测量层流燃烧速度精度最高;非线性LC和NLS模型表现居中,而线性LS模型明显高估层流燃烧速度。另外,可以采用高精度非线性模型并适当增加初始火焰半径的策略减小非线性拉伸的影响,从而提高层流燃烧速度的测量精度。

旋转滑动弧等离子体对稀燃旋流火焰影响的实验研究

等离子体助燃技术被认为是非常有前景的燃烧调控技术,具备显著增强极端条件下的点火和火焰稳定燃烧性能的潜力.滑动弧放电等离子体具有能量强、电弧作用范围广以及适用于高压等优点,文章实验研究了三维旋转滑动弧放电等离子体对稀燃预混钝体旋流甲烷/空气火焰的影响规律.研究了等离子体的特性,包括电学特性、运动特性、光学特性以及温升效应.利用OH-PLIF得到了旋流火焰结构以及火焰结构转变过程,并且研究了等离子体对稀燃吹熄极限的拓展作用.最后利用气体排放仪测量了燃烧室出口处旋流火焰污染物NO_(x)排放.结果表明旋转滑动弧放电能够产生大量的活性自由基,可以增强燃烧中的化学链式反应,另外整体热效应比较弱,主要体现为局部加热作用,放电特性与空气流量和施加电压密切相关.旋转滑动弧能够提高火焰稳定性并且有效拓展吹熄极限,这主要是因为旋转滑动弧放电可以作为点火源和火焰稳定器,能够点燃混合气并且形成外回流区火焰,使得火焰根部更加稳定.对于旋转滑动弧放电等离子体对旋流火焰污染物排放的影响,研究发现等离子体放电能够增加NO_(x)排放,NO的形成来源于等离子体放电,燃料的加入使得NO的含量低于空气中放电时NO的含量.旋转滑动弧放电导致NO的排放最少增加65%,且NO的排放随着当量比降低而降低.

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。

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。

CH_(4)/NH_(3)/空气预混稀燃火焰结构及吹熄特性实验研究

本实验对稳定在钝体旋流燃烧器上的NH_(3)/空气及NH_(3)/CH_(4)/空气预混稀燃紧凑火焰开展了宏观结构及吹熄特性的研究.CH_(4)/空气预混火焰也被用于对比.利用PIV和OH-PLIF同步测量技术捕获流场和瞬时OH分布,获得火焰-流场耦合信息.结果表明,NH_(3)/空气火焰面的流体过量拉伸是导致其局部熄火,促使火焰整体吹熄的主要原因.NH_(3)/CH_(4)/空气火焰根部在临吹熄时也出现过量拉伸和局部熄灭,这将导致火焰最终吹熄.过量拉伸的主要来源为流体剪切变形.NH_(3)/空气火焰的内剪切层涡会进一步促进火焰吹熄.掺混CH_(4)能极大地提高极限拉伸率,增强稀燃火焰稳定性,拓宽火焰的稀燃极限.同时掺混CH_(4)也使火焰的燃烧速度及温度提高,有利于稳定火焰.

单颗粒铁粉燃烧特性及产物形貌分析

在国家“双碳”目标下,化石燃料的无碳替代利用变得十分重要。金属燃料是一类新型的无碳燃料,其中微米铁粉被认为是最具潜力的金属燃料。然而,目前对铁粉燃烧机理的理解尚处于起步阶段。为了研究单颗粒铁粉的燃烧特性,基于振动-夹带流原理设计了一种新型铁粉燃烧器,实现了单颗粒铁粉稳定供给,并在热氛围中快速燃烧。研究了粒径主要集中在50~65 μm内的单颗粒铁粉在稀燃甲烷/空气热氛围中点燃和燃烧过程。观察到单颗粒铁粉的燃烧过程主要分为燃烧迟滞、正常燃烧和产物凝固三个阶段。采用高速摄像机拍摄了单个铁粉颗粒的燃烧历程,发现了典型的燃烧亮度反常现象,同时观察到铁粉颗粒的运动速度在燃烧后期发生突变。另外,通过对燃烧中间产物与最终产物进行采样分析,表明单颗粒铁粉在燃烧初期发生熔化,在燃烧过程中产生气体并膨胀,最终发生破裂形成空心薄壁球体。

超临界水氛围下萘开环机理

超临界水气化技术是一种煤炭高效清洁低碳利用的新型技术,可以将煤直接转化为氢气、二氧化碳等产物,并将煤中的氮、硫、重金属等污染物以固体无机盐的形式沉淀。芳香烃开环反应是超临界水煤炭气化过程的关键速控步之一,运用分子动力学模拟软件LAMMPS对最简单的多环芳香烃萘,在超临界水氛围、不同温度和当量比下对开环反应过程进行模拟,结合自编程分析了原子键级变化并提取了基元反应,实现了定量化的反应动力学分析。模拟结果表明,萘分子数在高温下呈指数下降,反应速率与当量比呈弱相关。反应路径分析显示,萘的开环路径主要包括热解反应、脱氢反应和OH自由基加成反应,脱氢反应和OH自由基加成反应的通道分支比随着温度降低线性增加。物种通量分析结果表明,氢原子和水分子生成OH自由基和氢气分子反应是OH自由基的主要生成通道,萘分子的热解是氢原子生成的主要通道;水分子热解生成氢原子和OH自由基反应接近平衡,对OH自由基贡献有限。开环反应的定量分析结果可以在超临界水氛围芳香烃详细反应动力学机理上提供参考。

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.

改性双基推进剂粉末自着火行为实验研究

为降低推进剂意外着火带来的危害,需要对典型改性双基推进剂的自着火行为及热安全性开展研究。使用快速压缩机实验平台,结合高速成像及动态压力采集技术,发展并验证了超快热刺激方法,开展了改性双基推进剂在快速热加载环境(加热速率大于104K/s)下的响应实验,获得了含环三亚甲基三硝胺(RDX)改性双基推进剂典型自着火行为,以及含环四亚甲基四硝胺(HMX)和1,1-二氨基2,2-二硝基乙烯(FOX-7)改性双基推进剂的着火临界条件。结果表明:在1.0 MPa、901.2 K时,含HMX改性双基推进剂未发生着火,而压力升高至3.0 MPa,推进剂样品发生明显的着火现象;对于含HMX和FOX-7改性双基推进剂,其着火临界温度均随压力的增加而降低;在相同压力下,含FOX-7改性双基推进剂的临界着火温度低于含HMX改性双基推进剂的临界着火温度。

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。

近吹熄RP-3旋流喷雾火焰结构实验研究

贫油燃烧是先进低排放航空发动机燃烧组织方式之一,但是会带来吹熄的问题.本研究针对不同热功率下RP-3航空煤油旋流喷雾火焰开展了激光诊断研究,进行了OH/Kerosene-PLIF同步测量以及OH-PLIF/CH^(*)自发光同步测量,阐述了喷雾燃烧稀燃吹熄机制.研究表明,不同热功率下吹熄极限几乎一致,并且近吹熄工况下火焰结构相似.在近吹熄条件下,一方面燃烧室下游的冷空气回流至内回流区,造成内回流区温度降低,另一方面燃油蒸发造成火焰根部的不稳定,两者相互作用导致了火焰的局部熄火,乃至整体吹熄.

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.