基于激波管實驗平臺的甲烷燃燒化學(xué)動力學(xué)機理研究.pdf

1、如何更環(huán)保、更安全地使用能源是當今社會發(fā)展面臨的主要問題，而燃燒則是能源獲取的最主要方式。激波管是進行燃燒相關(guān)機理研究的重要手段。本文建立了一套激波管實驗裝置，在這個平臺上對甲烷，特別是低熱值的超低濃度甲烷燃燒的基礎(chǔ)性問題進行了研究，并對激波管內(nèi)的流場進行了數(shù)值模擬。 首先，建立了激波管的基本實驗裝置(包括激波管及其配氣、壓力測試和光譜測量系統(tǒng))。同時，研制了低壓大電流的電熱式電控破膜裝置，實現(xiàn)對激波產(chǎn)生時機的控制(控制精度±1

2、ms)，而且對測控設(shè)備電磁干擾小，不對化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生污染。還研制了基于Atmega單片機的可編程時序控制器，完成對激光器預(yù)熱、激波產(chǎn)生和到達、反應(yīng)進程檢測觸發(fā)、診斷激光發(fā)射和ICCD曝光時序的總體同步控制，進而搭建了基于Nd:YAG激光器的PLIF測量平臺。利用該平臺對激波壓縮后的流場進行了丙酮示蹤PLIF測量，定量分析結(jié)果與理論計算相符，既驗證了電熱破膜方式的可靠性，也表明了PLIF用作激波管實驗的流場顯示的可行性。這種高時間和空間分辨

3、率的測試手段在激波管實驗上的成功嘗試，為激波與氣相物質(zhì)相互作用的機理研究提供了新的思路和方法。 其次，對激波誘導(dǎo)當量比甲烷/空氣混和物點火的反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)進行了化學(xué)發(fā)光數(shù)字成像和OH-PLIF的可視化測量。在不同強度激波的誘導(dǎo)下，誘導(dǎo)區(qū)的溫度不同，直接導(dǎo)致了甲烷/空氣混合物的空間放熱率不同，從而形成了強點燃和弱點燃兩種典型的反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)特征，其化學(xué)自發(fā)光特征、壓力特征和OH-PLIF分布的測量結(jié)果相互印證，也與前人的實驗和計算分析結(jié)論

4、一致。由于在弱點燃工況下，誘導(dǎo)區(qū)的著火延遲期相對于激波傳播時間來說較長，導(dǎo)致不可消除的湍流、壓力波等因素造成的擾動作用更為明顯，反應(yīng)特征出現(xiàn)顯著的不均勻性。弱點燃工況的不同階段都存在OH分布或化學(xué)發(fā)光相對于周圍強很多的熱點：這些化學(xué)反應(yīng)強烈的熱點在點火初期呈核狀，隨后交織成斑狀，促進了火焰面的形成；而后，位于未燃氣體和火焰面交界處的熱點，加速了火焰面的推進。隨著誘導(dǎo)激波的增強，這種不均勻性顯著減小，在強點燃工況反應(yīng)區(qū)呈規(guī)則的爆轟波結(jié)構(gòu)。

5、 再次，搭建了并行化FIuent計算平臺，采用空間項三階MUSCL格式，時間項二階隱式，Roe-Flux差分裂格式，RNGk-ε模型，基于密度法的時間導(dǎo)數(shù)預(yù)處理法和雙重時間步進格式求解二維N-S方程，模擬了激波管內(nèi)激波形成、推進、反射以及激波與邊界層相互作用、激波與接觸面相互作用的整個非定常流過程，計算結(jié)果與前的結(jié)果定性一致，指出了影響5區(qū)實驗條件的關(guān)鍵因素。 最后，在激波管平臺上，用OH*和CH*光譜，測量了超低濃度甲

6、烷的點火延遲時間，并與詳細機理、經(jīng)典經(jīng)驗公式和一些簡化機理進行了對比，發(fā)現(xiàn)GRI-Mech3.0詳細機理完全適用于超低濃度甲烷氧化歷程的研究。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，表觀活化能與甲烷濃度成冪律關(guān)系的規(guī)律，并得到溫度1100～1900K、常壓條件下甲烷的點火延遲時間經(jīng)驗公式。該活化能修正的方法可能同樣適用于總包反應(yīng)機理。此外，通過局部和總體敏感性分析，探討了低濃度甲烷燃燒的反應(yīng)特征。當甲烷濃度低時，在與氧氣競爭的反應(yīng)中(如H+O2＜=＞05{+