基于激波管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的甲烷燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究.pdf

1、如何更環(huán)保、更安全地使用能源是當(dāng)今社會(huì)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(jìn)行燃燒相關(guān)機(jī)理研究的重要手段。本文建立了一套激波管實(shí)驗(yàn)裝置，在這個(gè)平臺(tái)上對(duì)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(jìn)行了研究，并對(duì)激波管內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。 首先，建立了激波管的基本實(shí)驗(yàn)裝置(包括激波管及其配氣、壓力測(cè)試和光譜測(cè)量系統(tǒng))。同時(shí)，研制了低壓大電流的電熱式電控破膜裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)激波產(chǎn)生時(shí)機(jī)的控制(控制精度±1

2、ms)，而且對(duì)測(cè)控設(shè)備電磁干擾小，不對(duì)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生污染。還研制了基于Atmega單片機(jī)的可編程時(shí)序控制器，完成對(duì)激光器預(yù)熱、激波產(chǎn)生和到達(dá)、反應(yīng)進(jìn)程檢測(cè)觸發(fā)、診斷激光發(fā)射和ICCD曝光時(shí)序的總體同步控制，進(jìn)而搭建了基于Nd:YAG激光器的PLIF測(cè)量平臺(tái)。利用該平臺(tái)對(duì)激波壓縮后的流場(chǎng)進(jìn)行了丙酮示蹤PLIF測(cè)量，定量分析結(jié)果與理論計(jì)算相符，既驗(yàn)證了電熱破膜方式的可靠性，也表明了PLIF用作激波管實(shí)驗(yàn)的流場(chǎng)顯示的可行性。這種高時(shí)間和空間分辨

3、率的測(cè)試手段在激波管實(shí)驗(yàn)上的成功嘗試，為激波與氣相物質(zhì)相互作用的機(jī)理研究提供了新的思路和方法。 其次，對(duì)激波誘導(dǎo)當(dāng)量比甲烷/空氣混和物點(diǎn)火的反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了化學(xué)發(fā)光數(shù)字成像和OH-PLIF的可視化測(cè)量。在不同強(qiáng)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(qiáng)點(diǎn)燃和弱點(diǎn)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(cè)量結(jié)果相互印證，也與前人的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析結(jié)論

4、一致。由于在弱點(diǎn)燃工況下，誘導(dǎo)區(qū)的著火延遲期相對(duì)于激波傳播時(shí)間來說較長(zhǎng)，導(dǎo)致不可消除的湍流、壓力波等因素造成的擾動(dòng)作用更為明顯，反應(yīng)特征出現(xiàn)顯著的不均勻性。弱點(diǎn)燃工況的不同階段都存在OH分布或化學(xué)發(fā)光相對(duì)于周圍強(qiáng)很多的熱點(diǎn)：這些化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈的熱點(diǎn)在點(diǎn)火初期呈核狀，隨后交織成斑狀，促進(jìn)了火焰面的形成；而后，位于未燃?xì)怏w和火焰面交界處的熱點(diǎn)，加速了火焰面的推進(jìn)。隨著誘導(dǎo)激波的增強(qiáng)，這種不均勻性顯著減小，在強(qiáng)點(diǎn)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(jì)算平臺(tái)，采用空間項(xiàng)三階MUSCL格式，時(shí)間項(xiàng)二階隱式，Roe-Flux差分裂格式，RNGk-ε模型，基于密度法的時(shí)間導(dǎo)數(shù)預(yù)處理法和雙重時(shí)間步進(jìn)格式求解二維N-S方程，模擬了激波管內(nèi)激波形成、推進(jìn)、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(gè)非定常流過程，計(jì)算結(jié)果與前的結(jié)果定性一致，指出了影響5區(qū)實(shí)驗(yàn)條件的關(guān)鍵因素。 最后，在激波管平臺(tái)上，用OH*和CH*光譜，測(cè)量了超低濃度甲

6、烷的點(diǎn)火延遲時(shí)間，并與詳細(xì)機(jī)理、經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式和一些簡(jiǎn)化機(jī)理進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)GRI-Mech3.0詳細(xì)機(jī)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(diǎn)火延遲時(shí)間經(jīng)驗(yàn)公式。該活化能修正的方法可能同樣適用于總包反應(yīng)機(jī)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(dāng)甲烷濃度低時(shí)，在與氧氣競(jìng)爭(zhēng)的反應(yīng)中(如H+O2＜=＞05{+