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甲醇-空气层流火焰速度的数值研究和预测模型

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化工学报 2019年第8期70卷 3011-3020页

作者：杨协和沈文锋张扬张海张建胜吕俊复清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室

收集总结分析了现有的甲醇层流火焰速度的实验数据,比较了三种典型的描述甲醇氧化的详细化学反应机理(Li机理、USC Mech-Ⅱ和Burke机理)对层流火焰传播速度的预测精度。结果表明三种机理均能定性反映甲醇层流火焰速度的变化规律,但在富... 详细信息

收集总结分析了现有的甲醇层流火焰速度的实验数据,比较了三种典型的描述甲醇氧化的详细化学反应机理(Li机理、USC Mech-Ⅱ和Burke机理)对层流火焰传播速度的预测精度。结果表明三种机理均能定性反映甲醇层流火焰速度的变化规律,但在富燃料侧,机理计算值明显高于实验结果。反应动力学分析表明甲醇脱氢反应对层流火焰速度的影响至关重要。根据文献中的最新成果,修正了Li机理中甲醇脱氢反应的速率常数,提高了Li机理对甲醇-空气层流火焰速度的预测精度。针对工程需求,给出了两个甲醇层流火焰速度的快速预测模型,经过校核,所提出的预测模型能够较为准确地预测不同初始温度和压力下甲醇层流火焰速度。

关键词：甲醇层流火焰速度反应动力学预测模型动力学模型模拟

带压环境中CO2/H2O/N2气体稀释对合成气层流火焰速度的影响

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化工进展 2020年第11期39卷 4357-4366页

作者：朱晓宇杨卫娟张兴姚彦伊苏佳乐周俊虎浙江大学能源清洁利用国家重点实验室浙江杭州310027

合成气稀释燃烧是燃气轮机高效低污染燃烧的重要运行方式。本文以CO2、H2O和N2为稀释气体,利用数值模拟方法研究稀释比对不同压力下合成气(CO/H2/CH4)层流火焰速度(SL)的影响规律,并从自由基浓度变化、敏感性数值和生成速率(rate of pro... 详细信息

合成气稀释燃烧是燃气轮机高效低污染燃烧的重要运行方式。本文以CO2、H2O和N2为稀释气体,利用数值模拟方法研究稀释比对不同压力下合成气(CO/H2/CH4)层流火焰速度(SL)的影响规律,并从自由基浓度变化、敏感性数值和生成速率(rate of production,ROP)三个方面解析三种气体的物理和化学作用机理。结果表明,SL随燃烧压力和稀释比的增大而不断减小,其中CO2对层流火焰速度的抑制最为显著。稀释气体的物理效应对层流火焰速度的影响远大于化学效应,但CO2和H2O的化学效应不能忽略。化学效应则是通过改变H和OH自由基浓度影响SL,其中CO2稀释降低H和OH自由基浓度,H2O稀释则是降低H自由基浓度,从而降低合成气的层流火焰速度。进一步反应动力学分析发现了H/OH浓度变化在低压、加压下的主要化学反应路径,且受H2O稀释的化学反应速率对压力较CO2更为敏感。

关键词：合成气稀释燃烧层流火焰速度加压数值模拟反应动力学

PRF90+空气热流量法层流火焰速度测量与动力学分析

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燃烧科学与技术 2021年第6期27卷 585-590页

作者：韩昕璐朱燕群季然王式兴何勇刘颖祖王智化浙江大学能源清洁利用国家重点实验室杭州310027

使用热流量法测量了汽油替代物PRF90燃料(包含体积分数90%异辛烷+10%正庚烷)与空气在0.1 MPa,不同初始温度和不同当量比下的层流火焰速度.测得实验结果与反应动力学模拟进行了对比,发现使用的两个反应动力学机理中,Luong等人机理更接近... 详细信息

使用热流量法测量了汽油替代物PRF90燃料(包含体积分数90%异辛烷+10%正庚烷)与空气在0.1 MPa,不同初始温度和不同当量比下的层流火焰速度.测得实验结果与反应动力学模拟进行了对比,发现使用的两个反应动力学机理中,Luong等人机理更接近实验结果.使用实验与模拟结果推测了层流火焰速度的温度系数α,发现此系数在富燃区当量比1.5附近有一明显拐点;以此温度系数还推算了总包反应的活化能,并外插得到了更高初始温度下的层流火焰速度.

关键词：层流火焰速度温度依赖性汽油替代物热流量法

热流量法测量高压CH4/O2/N2/CO2的层流火焰速度

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燃烧科学与技术 2020年第3期26卷 193-198页

作者：王式兴王智化陈晨霖何勇朱燕群岑可法浙江大学能源清洁利用国家重点实验室杭州310027

热流量法成功应用在高压(0.5 MPa)下甲烷稀释气的绝热无拉伸层流火焰速度的测量.针对当量比为0.6~1.6、不同含氧量和固定含氧量时不同CO2稀释度的火焰速度进行了实验和动力学探究.模拟采用GRIMech和HP-Mech两个反应机理,在不同压力下均... 详细信息

热流量法成功应用在高压(0.5 MPa)下甲烷稀释气的绝热无拉伸层流火焰速度的测量.针对当量比为0.6~1.6、不同含氧量和固定含氧量时不同CO2稀释度的火焰速度进行了实验和动力学探究.模拟采用GRIMech和HP-Mech两个反应机理,在不同压力下均给出了十分吻合实验值的预测结果.层流火焰速度的相对增量独立于当量比和压力的变化.总反应级数随氧含量提高和CO2稀释度降低而增大,相同的绝热火焰温度的总反应级数相近.在不同稀释度情况下CO2对层流火焰速度的热扩散贡献在50%以上,且随着压力提高,热扩散贡献减小而化学反应贡献增加.

关键词：压力热流量法层流火焰速度富氧燃烧 CO2稀释

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三种典型低热值气体燃料的层流火焰速度测量

中国电机工程学报 2013年第8期33卷 74-80,13页

作者：翁武斌王智化梁晓晔黄镇宇周俊虎岑可法能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学) 浙江省杭州市310027

实验采用热流量炉方法,在常温常压下对3种典型低热值气体(生物质气化合成气、煤气化合成气、高炉煤气)以及甲烷和合成氨驰放气的层流火焰速度进行了测量。所测气体的当量比从0.62变化到2.09。另外,通过Chemkin对实验气体的层流火焰速度... 详细信息

实验采用热流量炉方法,在常温常压下对3种典型低热值气体(生物质气化合成气、煤气化合成气、高炉煤气)以及甲烷和合成氨驰放气的层流火焰速度进行了测量。所测气体的当量比从0.62变化到2.09。另外,通过Chemkin对实验气体的层流火焰速度进行了模拟计算。对比实验值和计算值,发现两者非常接近。比较不同种类气体的实验结果和模拟计算结果显示:由于所测低热值气体具有较低的低位发热量,其层流火焰速度普遍较低,在当量比1处,大约为20 cm/s;H2对层流火焰速度具有很大的影响,几种低热值气体中H2含量越高,其层流火焰速度越大;另外,低热值气体中的CO直接影响层流火焰速度的峰值当量比,使其偏离1,位于比较富燃的区域。

关键词：低热值层流火焰速度热流量法当量比绝热火焰

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双组分燃料的层流火焰速度模型

工程热物理学报 2012年第4期33卷 711-714页

作者：陈正北京大学工学院湍流与复杂系统国家重点实验室北京100871

以往关于层流火焰速度的理论分析均只考虑单组分燃料,本文对双组分燃料的平面火焰进行了大活化能渐近理论分析。在理论分析中,将火焰结构分为预热区、化学反应区和平衡区,并在大活化能假设下对各个区域分别求解了关于温度与燃料质量分... 详细信息

以往关于层流火焰速度的理论分析均只考虑单组分燃料,本文对双组分燃料的平面火焰进行了大活化能渐近理论分析。在理论分析中,将火焰结构分为预热区、化学反应区和平衡区,并在大活化能假设下对各个区域分别求解了关于温度与燃料质量分数的微分方程。根据每两个区域分界面上满足的结合条件,本文推导出了双组分燃料的层流火焰速度模型。该模型表明双组分燃料层流火焰速度的平方为各个单组分燃料层流火焰速度平方的加权平均。

关键词：双组分燃料层流火焰速度渐近分析

N2/CO2/Ar稀释气体对甲烷预混层流火焰速度影响的物理与化学效应研究

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N2/CO2/Ar稀释气体对甲烷预混层流火焰速度影响的物理与化学效应...

作者：王任伟华中科技大学

学位级别：硕士

随着能源危机、排放以及石油对外依存问题日益凸显,节能减排迫在眉睫。甲烷作为替代燃料其应用前景非常可观。甲烷燃烧时往往需要结合稀释气体,研究者们对稀释气体对甲烷预混层流火焰速度的影响进行了研究,主要将其分为包含稀释效应和... 详细信息

随着能源危机、排放以及石油对外依存问题日益凸显,节能减排迫在眉睫。甲烷作为替代燃料其应用前景非常可观。甲烷燃烧时往往需要结合稀释气体,研究者们对稀释气体对甲烷预混层流火焰速度的影响进行了研究,主要将其分为包含稀释效应和热效应的物理效应,以及化学效应。但现阶段还存在对三种效应影响占比研究较少、对热效应参数研究的缺乏、对化学效应的试验研究缺乏等问题,因此本文主要研究了这些方面,并以非稀释物理效应取代了热效应。主要研究内容与研究结果如下。本文以三种特点的代表性稀释气体为研究对象,对稀释甲烷预混层流火焰速度的研究结果表明,CO/N/Ar的加入总是导致层流火焰速度下降,相同工况时各稀释气体对应的层流火焰速度总为CO层流火焰速度的下降:当稀释率升高时,稀释效应影响占比上升,非稀释物理效应无明显变化,化学效应下降;当量比升高时,物理效应影响占比均先降低后升高,化学效应先升高后降低。Ar的非稀释物理效应导致层流火焰速度上升。CO化学效应对起促进作用的R99:OH+COH+CO2的抑制作用最为显著。H和OH自由基摩尔分数与层流火焰速度正相关,受稀释气体影响与层流火焰速度一致。本文提出对非稀释物理效应各参数影响的模拟研究方法。研究结果表明,热力学参数中的比热容、输运参数中的势阱深度和碰撞直径与层流火焰速度负相关;CO的第三体效应导致层流火焰速度降低、而Ar导致升高。解耦研究结果表明各主要物性参数和参数效应间不存在有效的耦合效应。占比约90%的比热容是造成非稀释物理效应的主要因素,但约占10%的其他参数影响不可忽视。本文提出研究CO化学效应的补偿型和双平衡型试验方案,相应试验和模拟结果表明两种方案在各工况下均具有较好的适用性。给出了两种试验方案根据待研究CO稀释率计算相关试验工况方案的方法。敏感性分析和自由基摩尔分数分析结果进一步验证了两种方案的可行性。H和OH的变化趋势印证了两种方案的理论原理。

关键词：甲烷空气混合气层流火焰速度稀释气体物理效应化学效应

基于机器学习的汽油层流火焰速度和HCCI燃烧特性研究

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基于机器学习的汽油层流火焰速度和HCCI燃烧特性研究

作者：王勇湖南大学

学位级别：硕士

随着人们对于环境问题的更加重视,排放法规变得愈加严苛。而交通运输领域汽油燃料的燃烧是污染物排放的主要来源,汽油燃料的燃烧特性以及均质压燃(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)发动机的研究对于减少污染物的排放和提... 详细信息

随着人们对于环境问题的更加重视,排放法规变得愈加严苛。而交通运输领域汽油燃料的燃烧是污染物排放的主要来源,汽油燃料的燃烧特性以及均质压燃(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)发动机的研究对于减少污染物的排放和提高燃烧效率意义重大。但是汽油燃料燃烧,尤其是在HCCI等新型燃烧条件下的燃烧是一个极其复杂的过程,受环境因素、发动机结构、燃料性质等多种因素的影响。所以,迫切需要一种鲁棒预测模型,能够在不需要大量的实验测量和计算的前提下,就能获得复杂燃料在大范围发动机工况条件下的燃烧特性。为解决上述问题,论文以国家自然科学基金青年基金项目(直喷燃烧模式下汽油燃料自燃特性及多参数协同调控机理研究,批准编号:52006058)为依托,建立动力学计算-机器学习耦合模型,研究了层流火焰速度和HCCI燃烧相位以及NO排放的影响因素。论文的研究工作及创新点如下:(1)建立了四种层流火焰速度的机器学习预测模型。将四种模型进行对比后发现,梯度提升决策树模型在测试集上的表现最好,均方根误差仅为0.0084,决定系数高达0.9984。(2)基于梯度提升决策树模型,研究了各输入参数与层流火焰速度之间的关系。研究表明,温度的增加会造成层流火焰速度增加,且在对数尺度上成正比例关系。压力的增加会造成层流火焰速度降低,在对数尺度上成反比例关系。层流火焰速度在辛烷值-敏感度-当量比三元相图上的分布呈现出中速、高速和混沌三个明显区域。(3)建立了随机森林分类器,研究了各研究参数的完全燃烧边界。研究发现进气温度和进气压力会使辛烷值-敏感度-当量比完全燃烧边界扩大,而废气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR)的增加会使进气温度-进气压力-压缩比完全燃烧边界缩小。(4)建立了多层感知机模型,分析了各输入参数对HCCI燃烧正时、燃烧持续期以及NO排放的影响。研究表明,随着当量比和压缩比的提高,燃烧正时提前,燃烧持续期缩短;EGR的增加会使燃烧正时后移和燃烧持续期变长;辛烷值的增加会使得燃烧正时后移,但对燃烧持续期影响不大;压缩比、进气温度和当量比的提高均会造成NO排放的增加;而EGR的增加会造成NO的排放减少。

关键词：层流火焰速度 HCCI 机器学习燃烧相位燃烧边界 NOx排放

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Soret扩散对合成气层流火焰速度的影响

工程热物理学报 2012年第8期33卷 1445-1448页

作者：梁文恺陈正杨帆张会强北京大学工学院湍流与复杂系统国家重点实验室北京100871 清华大学航天航空学院北京100084

本文通过包含详细化学反应机理的数值模拟研究了常温常压和高温高压下Soret扩散对成气预混火焰的影响。研究重点是揭示并解释Soret扩散对合成气/空气层流火焰速度的影响。研究结果表明,合成气/空气层流火焰速度的下降主要是由H自由基的S... 详细信息

本文通过包含详细化学反应机理的数值模拟研究了常温常压和高温高压下Soret扩散对成气预混火焰的影响。研究重点是揭示并解释Soret扩散对合成气/空气层流火焰速度的影响。研究结果表明,合成气/空气层流火焰速度的下降主要是由H自由基的Soret扩散导致的,而H_2分子Soret扩散的影响几乎可以忽略不计。这是因为主反应区和H自由基的Soret扩散是强烈耦合的。由于H自由基Soret扩散流量的增强,Soret扩散对燃烧流量的影响会随着初始温度和压力的升高而增强。

关键词： Soret扩散合成气层流火焰速度