采用详细化学反应机理模拟燃烧污染物生成的研究进展

结合燃烧污染物数值模拟研究的发展和现状,阐述了采用详细化学反应机理进行模拟的方法,重点介绍了详细化学反应机理模型以及机理简化方法,概括综述了湍流燃烧模拟方法,并结合具体实例,展示了这个领域取得的成果,最后通过分析,指出了发展前景和可以取得突破性进展的方向.

基于详细化学反应动力学的激光点火模型

为研究含能材料在激光作用下的点火特性,从基本守恒方程组出发,基于详细化学反应动力学模型,建立了含能材料激光点火的气相模型。利用所建立的模型对RDX在激光辐照下的点火过程进行了数值模拟,得到了点火过程中的瞬时温度分布和组分分布,对点火特性进行了分析。计算得到的不同激光功率密度下的RDX点火延迟时间与文献结果一致。

基于并行及耦合详细化学反应机理的煤层气发动机燃烧过程多维模拟

建立了耦合详细化学反应动力学的多维CFD模型,并基于MPI(message passing interface)建立了发动机并行模拟计算平台,以此为基础,开展了煤层气发动机多维仿真模拟工作.研究了缸内组分瞬态分布规律和过量空气系数、氮气体积分数对煤层气发动机缸内燃烧性能的影响.结果表明,发动机缸内中间组分分布具有良好的规律性.随着过量空气系数、氮气体积分数的增加,发动机动力性能变差,燃烧期增加,同一曲轴转角下NO生成量明显下降.同时,采用并行计算后,单循环的计算时间相对于串行程序大大降低.

基于详细化学反应机理的DME发动机三维湍流燃烧模拟

采用基于详细化学反应机理的三维湍流燃烧数值模拟,研究直喷柴油机燃用二甲基醚(DME)的伴有化学反应的流动燃烧现象。模拟预测的缸内压力随曲轴转角的变化及NO排放浓度与实验相符。分析了计算所得的曲轴转角随缸内流场速度、温度和组分浓度的分布历程,结果表明甲醛在低中温下相对稳定,随着温度的升高,氧化反应加速进行,而由于流动及壁面传热等效应,甲醛作为不完全燃烧产物存在于排气中。

采用详细化学反应机理的火焰面模型模拟煤油两相燃烧流场

基于可实现的k-ε湍流模型、颗粒随机轨道模型、火焰面模型和航空煤油详细化学反应机理对模型燃烧室内两相燃烧流场进行了数值模拟.其中详细反应机理由替代燃油(80%质量分数的正癸烷,20%质量分数的1,2,4-三甲基苯)的反应机理和NOx的反应机理组合而成.通过与实验数据的比较,考察采用该详细化学反应机理的火焰面模型模拟RP-3航空煤油燃烧流场的准确性,特别是污染物排放计算的精度.结果表明:稳态火焰面模型模拟的温度场和CO2生成量与实验数据吻合较好,而预测的NO排放量与实验值偏差较大;非稳态火焰面模型显著提高了NO的预测精度,在工况1(来流马赫数为0.16,进口温度为537 K,油气比为0.004 8,常压)条件下与实验数据吻合较好,但在工况2(来流马赫数为0.155,进口温度为523 K,油气比为0.010,常压)条件下仍过高估计了NO的排放量.

详细化学反应模型中温度修正项特性研究

本研究主要讨论了爆轰过程中混合气体比热比的变化、详细化学反应模型中温度修正项的函数表达形式、以及活化能对化学反应动力学特性的影响.通过对传统Arrhenius定律的分析完善,提出了具有温度指数修正的总包一步爆轰计算模型.采用几个常用的爆轰计算模型,对满足化学当量比的H2/Air混合气体,开展了爆轰特性的数值模拟对比研究.计算结果表明,新提出的爆轰计算模型能够得到的胞格尺度与实验值符合良好,首次实现了爆轰波胞格尺度的定量数值模拟.论文进一步建立了总包反应模型与详细化学反应模型之间的关系,讨论了详细化学反应模型中温度修正项的物理意义.

HDMR方法模拟包含详细化学反应机理的均质着火过程

基于详细化学反应机理的燃烧数值模拟是当今燃烧领域的重要研究方向。由于燃烧问题涉及众多的化学反应和广泛的特征时间范围,如何实现燃烧问题的高效精确数值模拟一直是目前研究难点。本文将HDMR方法应用于模拟零维均质着火过程中,通过与完全求解刚性微分方程组的结果相比较,验证了HDMR方法在处理详细化学反应机理方面的计算精度与效率。

详细化学反应动力学动态自适应加速

详细化学反应机理应用于三维、高度瞬态的湍流燃烧数值模拟时,计算成本巨大.为此,本文提出了一种基于动态自适应建表(ISAT)和动态自适应化学(DAC)的化学反应动力学动态自适应加速方法.该方法基于组分空间的低维流形特性,采用主成分分析法将燃烧区域中的网格节点(或颗粒)从组分空间向低维空间内投影,根据投影点在低维空间内的概率密度函数来刻画系统的非均匀性,进而自适应地选择ISAT和DAC进行加速.本文通过设置内燃机模拟算例,使用甲烷GRI Mech3.0机理,初步验证了新方法的性能。计算结果表明,在保证计算精度的同时,新方法具有明显的加速优势。对于包含500个颗粒的内燃机模拟算例,加速因子可以达到使用ISAT的2.7倍、DAC的1.7倍、固定ISAT-DAC联合的1.8倍。

RP-3航空煤油模拟替代燃料的化学反应简化机理

为了建立能适用航空发动机燃烧过程反应动力学计算的国产RP-3航空煤油的化学反应机理,在化学激波管中对国产RP-3航空煤油的着火特性进行了实验测量,获得了多工况下该航空煤油的着火延迟时间。根据RP-3航空煤油的化学组成及物理特性,提出了由正癸烷、甲苯与丙基环己烷(体积百分比为0.65/0.1/0.25三种组份组成的模拟替代燃料,并形成了该替代燃料的化学反应详细机理。采用敏感性分析方法,对该详细反应机理进行了简化,形成了该替代燃料的简化反应机理。采用该简化机理对该替代燃料多工况下的着火特性进行了数值模拟,并与实验数据以及详细机理的计算结果进行了对比分析。结果表明,在不同压力与当量比下,RP-3航空煤油着火延迟时间的对数与着火温度的倒数呈直线关系,并且随着火温度、着火压力的升高以及当量比的降低,RP-3航空煤油着火延迟时间逐渐缩短;同时,在各工况下采用该简化机理计算得到的该替代燃料的着火延迟与详细反应机理的计算结果以及RP-3航空煤油着火延迟的实验值吻合良好。

耦合天然气详细反应机理的三维湍流预混火焰结构数值预测

以具有279机理的天然气燃烧为例,分别采用涡耗散概念EDC湍流燃烧模型、修正的涡旋破碎EBU湍流燃烧模型以及基于时均值的Arrhenius关系,对燃烧室内复杂的湍流反应流进行了三维数值模拟,并对预测结果进行了分析.结果表明,EDC模型可以较好地反映湍流化学作用,并且能够较好地描述各基元反应,从而为工程实际复杂燃烧情况下其有害排放、中间物质、自由基和痕迹物质生成机理的研究提供基础.

耦合详细反应动力学机理的碳氢燃料预混火焰结构数值预测

理论研究碳氢燃料、空气预混气流动燃烧过程数值计算方法 以碳氢类燃料中具有代表性的柴油为例 ,采用其最新研究的化学反应动力学机理 (包含 32 7个基元反应 ,涉及 71种组分 ) ,使用美国SANDIA国家实验室开发的CHEMKIN系列软件、PREMIX程序和LAWRENCE国家实验室开发的解刚性反应系统算法器 ,模拟了不同工况下预混火焰中温度、反应物、主产物和自由基浓度随火焰高度的变化关系 。

煤粉燃烧中NO_x和SO_x生成的详细反应机理模拟

采用详细化学反应机理与CFD方法耦合的煤粉燃烧数值模拟程序,计算了煤粉燃烧过程中CO,NO_x和SO_x等的浓度分布特性.通过与实验对照,验证了数值模拟方法的可靠性,并分析了燃烧温度和煤粉细度等因素对于NO生成的影响.结果表明温度对于NO的生成影响较大,随着温度的增加,NO的生成浓度明显增加;对于不同煤种,可能存在一个温度点,这时NO的生成速率将非常快;在计算范围内,温度对SO_2的最终生成浓度没有明显影响,而只影响SO_2的释放过程.煤粉细度对于NO生成有较小的影响.

基于详细化学动力学的甲烷热着火影响因素分析

利用化学动力学软件CHEMKIN4.1,在不同初始温度、浓度、湿度和压强下,对甲烷热着火进行了详细化学动力学模拟。通过对主要组分摩尔浓度分析和温度敏感性分析,得到了甲烷热着火过程的主要基元反应和引发热着火发生的主要原因。通过对甲烷热着火的延迟时间、热着火发生后主要生成物摩尔浓度和反应后的温度的对比分析,揭示了初始浓度、湿度和压强对甲烷热着火的影响规律。本研究可以为甲烷为主的气体如瓦斯、天然气等可燃气体的燃烧和爆炸提供理论支撑,从而有效利用这些可燃气体,降低灾害的发生。

煤粉富燃料燃烧过程中气态含S组分的详细化学动力学模拟

采用低NO_x燃烧技术的煤粉炉通常会产生高浓度的H_2S,这是高温腐蚀的主要原因之一。准确地预测含S组分(尤其是H_2S)在煤粉燃烧过程中的演化行为,对煤粉炉的设计和运行具有非常重要的意义。在前人研究的基础上,提出了一个比较准确的含S组分详细反应机理,其预测结果和课题组先前的实验数据基本相符。进行生成速率分析后,可以确定影响含S组分生成或消耗的关键基元反应,进而为高温腐蚀的防治提供一定的理论帮助。

反应动力学机理简化的研究现状及进展

综述了国内外几种主要的反应机理简化方法的研究现状 ,介绍了基于自适应化学理论的最优简化法 .最优简化法根据反应系统中的局部条件 ,自动选择与其相适应的简化反应机理模型 .通过最优简化法以及应用详细化学反应机理对 CH4/空气火焰的数值计算的比较 ,表明前者可实现在不影响计算精度的前提下 ,缩短计算耗时 。

基于CO-DAC反应机理简化的非预混射流火焰的大涡模拟

为了研究自相关自适应化学(CO-DAC)在湍流燃烧中的特性,计算了湍流非预混射流火焰Sandia FlameD的大涡模拟,使用了GRI-Mech 3.0详细化学反应机理以及CO-DAC简化方法.计算结果与实验值的对比表明,使用详细化学反应机理和CO-DAC机理简化,可以有效捕捉湍流火焰瞬时结构;可以根据燃烧场的特性,自适应地减少化学反应计算量,有效提高计算速度;可以准确模拟火焰的速度、温度分布特性;可以准确模拟火焰中重要中间组分和自由基的组分分布.

RP-3航空煤油模拟替代燃料的化学反应详细机理

在化学激波管中对RP-3航空煤油的着火特性进行了实验测量,获得了多工况下RP-3航空煤油的着火延迟时间.根据RP-3航空煤油的化学组成及物理特性,提出了由体积分数分别为0.65,0.1,0.25的正癸烷、甲苯与丙基环己烷3种组分组成的模拟替代燃料,并形成了该模拟替代燃料的化学反应详细机理.采用该化学反应详细机理对该模拟替代燃料在化学激波管中多工况下的着火特性进行了数值计算,并与实验数据进行了对比分析.结果表明:在不同压力与当量比下,RP-3航空煤油着火延迟时间的对数与着火温度的倒数呈线性关系,并且随着火温度与压力的升高以及当量比的降低,着火延迟时间逐渐缩短;同时,在各工况下采用该化学反应机理计算得到的该模拟替代燃料着火延迟时间与RP-3航空煤油着火延迟时间的实验值吻合良好.

并行建表化学加速算法研究及其在气相斜爆轰模拟中的应用

采用详细化学反应机理对气相斜爆轰问题开展数值计算时,由于组分之间的特征时间尺度相差很大,反应源项的直接积分(direct integration,DI)求解通常存在强烈的刚性及非线性现象,导致计算量很大.为了在不损失计算精度的基础上有效减少化学反应过程的计算时间,针对包含2H_(2)+O_(2)详细机理的二维斜爆轰并行计算,提出两类不同的并行策略并组成一系列并行建表化学加速算法,用以取代化学反应过程的刚性求解.结果表明,提出的所有算法均能满足二维斜爆轰计算的精度要求,并能提升反应源项的计算效率,计算结束时刻化学反应加速比最大可达3.71.通过爆轰波流场热力学状态分布规律进一步发现,并行策略的选取对计算效率的影响由状态空间内可重复区域占可达区域的比例决定.

正癸烷预混燃烧的详细反应动力学数值模拟

提出了正癸烷预混燃烧的详细化学反应机理,并对正癸烷预混燃烧过程进行了数值计算.同时,详细分析了反应物、主要生成物及多种中间组分摩尔分数的变化趋势,并分别与采用正癸烷与航空煤油为燃料的燃烧火焰的实验结果进行了对比分析.结果表明,正癸烷与航空煤油预混燃烧火焰中反应物与生成物摩尔分数的变化趋势基本一致;通过数值计算所得到的主要反应物与生成物摩尔分数的变化趋势与两种燃料(正癸烷与航空煤油)燃烧火焰的实验值基本吻合,说明该详细反应机理能很好地反映正癸烷预混燃烧过程的详细动力学特性.同时,通过反应流分析发现,正癸烷的消耗主要通过热裂解反应以及H,OH自由基的提取反应来实现.

410t/h燃煤锅炉汞释放及赋存方式转变数值模拟

运用详细汞化学反应动力学机制和涡耗散概念(eddydissipation conception,EDC)模型对410 t/h四角切圆燃煤锅炉炉内汞释放及下游烟道内汞赋存方式变化进行了模拟,得出煤粉燃烧时炉内汞的析出释放和分布规律,以及下游烟道内汞赋存形态的转变迁移特性。结果表明:在燃煤烟气中,HCl是单质汞氧化的关键组分;温度高于1 000 K时,单质汞是汞的主要赋存形式,HOCl是氧化单质汞的重要组分;温度低于900 K时,氧化态汞是主要的存在状态,氯化物形态的汞化合物含量约为92.36%、HgO含量7.64%,Cl2是产生HgCl2的重要组分;汞的氧化反应主要发生在尾部下行烟道中,HgCl2浓度随温度下降均呈迅速上升趋势。