一、层流预混火焰PAHs形成的反应机理模型(论文文献综述)
王乔[1](2021)在《含氧混合燃料预混层流火焰特性研究及化学动力学分析》文中研究指明燃料燃烧在未来相当长时期内仍将是能源利用的主要形式,先进动力装置的开发对于能源高效利用与环境可持续发展至关重要。在发动机燃料设计的研究中,含氧燃料被认为是一类理想的替代燃料,在实际应用中,含氧燃料往往与汽油、柴油燃料以不同方式混合应用于发动机中。系统的对燃料基础燃烧特性以及化学反应动力学的研究是进行燃烧技术开发的必要前提。以往的研究大都针对单质燃料,而针对混合燃料的研究十分有限,关于混合燃料各组分之间在燃烧反应中的耦合作用以及竞争/促进机制的研究仍无定论。层流燃烧是研究燃烧机理的重要内容,它是发展与验证燃料燃烧化学反应动力学机理的重要手段。本研究在国家自然科学基金项目的资助下,面向内燃机燃料设计和高效清洁燃烧技术开发的需求,针对含氧混合燃料燃烧应用中的基础性问题开展研究。以目前极具应用前景的三种含氧燃料:聚甲氧基二甲醚(PODE)、碳酸二甲酯(DMC)、正丁醇(NB),以及商用92#汽油为研究对象,采用试验和模拟相结合的方法系统的研究了不同官能团含氧燃料、烃类燃料及两者的混合燃料的预混层流火焰特性以及燃烧化学反应动力学。探索了含氧燃料分子结构对层流燃烧特征(火焰传播、层流火焰速度、Markstein长度、火焰不稳定性、火焰化学结构等)的影响,提出了用于表征实际燃料层流燃烧特征的模型燃料配方方案,研究确定了含氧燃料掺混对烃类燃料层流燃烧速度和火焰不稳定性的影响程度和范围,揭示了燃料分子结构对层流燃烧特征影响的内在热力学机制和动力学机制。研究中基于球形膨胀火焰与高速纹影测试方法,设计搭建了燃料预混层流燃烧试验平台,并开发了火焰图像处理算法,实现了宽范围初始条件下燃料/空气混合气预混层流燃烧特征的试验测量。基于化学动力学软件Chemkin-Pro搭建了可燃混合气的火焰化学分析平台,实现了含氧混合燃料化学反应简化机理的构建,以及层流火焰化学结构的模拟分析。研究结果表明:1、含氧燃料分子结构对层流燃烧特性有显着影响。相同条件下,三种含氧燃料的层流燃烧速度由大到小依次为:PODE3>NB>DMC,这一结果的动力学机制来源于燃料特异性的初始裂解反应路径和由此产生的不同反应活性的中间产物。不同含氧燃料的层流火焰不稳定性亦有较大差异,PODE3的火焰稳定性优于DMC和NB,这是由于其更快的火焰速度和更强的火焰拉伸。2、以正庚烷、异辛烷和甲苯为代表性组分构建的三组分模型燃料(TRF)能够在整个当量比范围内准确表征实际燃料的层流燃烧特性,且性能优于正庚烷和异辛烷组成的二组分模型燃料(PRF)。确定模型燃料配方方案时应以实际燃料的热值、H/C比和分子量为目标参数,同时兼顾实际燃料中各个族系组分比例。3、掺混不同含氧燃料对烃类燃料层流燃烧特性的影响不同。掺混PODE3和NB能够提高烃类燃料的层流燃烧速度,而掺混DMC使得烃类燃烧的层流燃烧速度降低。混合燃料的层流燃烧速度基本随着含氧燃料的体积掺混比线性变化。本研究中涉及的三种含氧燃料的层流火焰稳定性优于烃类燃料(TRF),当掺混比例较小,含氧燃料对烃类燃料火焰稳定性的影响不大,当掺混比例达到50%时,含氧燃料有助于提高烃类燃料的层流火焰稳定性。4、混合燃料之间的交叉反应是通过各燃料组分燃烧物种池之间的相互作用而产生的。含氧燃料特殊的燃烧反应路径能够增加层流火焰中活性物种的浓度,特别是含氧物种HO2、HCO和CH2O等。这些物种能够对烃类燃料的消耗反应路径产生影响,进而影响层流燃烧特性和燃烧产物等。5、基于可迁移性的燃烧核心机理和燃料特异性燃烧反应机理相结合的方法可以快速构建混合燃料的燃烧反应机理。研究中所采用的组合机理简化方法可以准确的提取燃料燃烧反应主要特征,所发展的混合燃料简化机理可以准确模拟PODE3/DMC/NB/TRF混合燃料的层流燃烧特性、自燃着火特性以及污染物生成特性。
田东旭[2](2021)在《航空模型燃料反应动力学及碳烟生成机理研究》文中研究表明化石燃料的清洁高效利用是当今社会面临的重要课题。进入21世纪以来,世界航空事业快速发展,航空燃料的消耗量快速增加。当燃料燃烧不充分时,会影响发动机的工作效率,并产生大量的碳烟对环境造成污染。因此,提高航空燃料的燃烧效率,降低燃烧过程中的污染物排放,对实现化石燃料的节能减排具有重要意义。航空燃料起源于20世纪中期,经过几十年的发展,现在已经有多种类型的航空燃料被应用于军用和民用的航空飞机中。对航空燃料开展反应动力学研究有助于理解燃料的消耗过程、分析燃烧过程中污染物的生成机理以及优化发动机的燃烧室设计。然而,实际航空燃料的组分复杂,很难直接对其构建详细的反应动力学机理进行研究。为了研究航空燃料的燃烧化学机理,近年来模型燃料被广泛应用于机理的建立。此外,乙炔作为生成碳烟的重要前驱体,也受到了越来越多的关注。本文立足于航空模型燃料反应动力学及碳烟生成机理研究,通过开展实验与构建反应动力学机理,重点研究芳烃组分的消耗和生成过程。首先,本论文介绍了化石燃料在利用过程中所带来的危害,航空燃料的发展过程和主要型号,中国航空燃料近年来的发展趋势以及开展航空模型燃料反应动力学研究的重要性。简要的总结了近年来与碳烟生成、乙炔、异丙苯和航空模型燃料相关的研究现状和不足,介绍了用于反应动力学研究的实验装置,如流动管反应器、层流预混火焰实验装置以及快速压缩机等。最后,根据以上讨论内容提出了本文的研究内容和目的。其次,对论文研究中所涉及到的实验装置和模拟方法进行了详细介绍。本文中使用的实验装置为流动管热解装置和高压射流搅拌反应器。在第2章中,详细的介绍了这两个实验装置的构造和使用方法并对两个装置内的温度分布进行了测量。同时开展了乙炔的常压贫燃氧化实验,验证了高压射流搅拌反应器装置的可靠性。介绍了 Chemkin软件的发展过程以及该软件的三个核心模块,即化学反应机理、热力学参数和传输数据。并对敏感性及反应路径分析的定义及意义进行了简要介绍。然后,为探究乙炔在高压条件下的氧化特性,通过自主搭建的高压射流搅拌反应器对乙炔开展了高压氧化实验。氧化实验压力为12 atm,化学当量比(Φ)为0.5-3.0,实验温度范围为650-900 K。实验过程中共观测到18种产物和中间体。分析实验结果可知,Φ对乙炔的初始消耗温度影响并不明显。但随着Φ的增加,中间体的产量显着增加。此外,苯、甲苯和苯乙烯仅在Φ=3.0时检测到。同时,构建了包含299个组分和2041个反应的详细反应动力学机理。该机理可以很好地重现乙炔高压下的氧化过程。基于构建的反应动力学机理对乙炔高压氧化过程开展了反应路径分析和敏感性分析,分析表明H和OH自由基在乙炔的消耗过程中起着重要的作用。并对芳烃的生成路径进行了分析。将高压氧化结果和常压氧化结果相对比,对比结果表明压力升高对燃料的消耗和芳烃的生成有促进作用。用本机理模拟了常压实验,并比较了在不同压力下乙炔消耗路径和芳烃生成路径的差异。接着,为了研究异丙苯在变压力下的热解特性,采用同步辐射光电离和分子束质谱技术对异丙苯在0.04和1.00 atm压力下的热解特性进行了研究。异丙苯用氦气稀释至0.5%浓度,并在流动管反应器中被加热至798-1148 K。热解过程中检测到了大量的中间体,包括小分子烃类、单环芳烃和多环芳烃。更新了与异丙苯本位加成、单分子解离以及茚和萘生成消耗相关的反应速率常数,建立了一个涉及306个组分和1990个反应的详细反应动力学机理。该机理较好地再现了异丙苯的热解过程和中间体摩尔分数分布。通过构建的反应动力学机理对异丙苯的热解过程进行了反应路径和敏感性分析。此外,利用高压射流搅拌反应器对异丙苯在高压条件下的氧化特性进行了实验研究。异丙苯的氧化压力为12atm,Φ为0.4和2.0,实验的温度范围为625-950 K。实验过程中共观测到30多种产物和中间体,包括无机物、小分子烃类、含氧产物、单环芳烃和多环芳烃。甲烷、α-甲基苯乙烯、苯酚和甲醛在实验过程中有大量的生成。此外,还检测到了茚、萘、联苯和二苯乙烯。结合现有的研究成果分析了异丙苯的氧化过程,指出了开展异丙苯高压氧化反应动力学研究的必要性。最后,针对JP-8模型燃料和RP-3模型燃料,建立了涉及1181个组分和6964个反应的详细化学反应动力学机理。从组分差异、负温度系数(NTC)效应、中间产物和产物形成等方面比较了两种替代燃料的低温氧化特性。通过构建的反应动力学机理对两种模型燃料的氧化过程进行了反应路径和敏感性分析。根据反应路径分析可知,1,3,5-三甲苯主要被甲基脱除反应消耗,正丙苯的消耗主要是通过丙基的分解。敏感性分析表明,H2O2(+M)<=>OH+OH(+M)和HO2+HO2<=>H2O2+O2对1,3,5-三甲苯和正丙苯消耗的促进和抑制作用最强。此外,本机理可以重现JP-8航空燃料和RP-3模型燃料的点火延迟时间。整体而言,本机理能够合理地模拟燃料和模型燃料的宏观和微观燃烧特性,有助于加深对航空燃料燃烧过程的认识。综上所述,本文通过高压射流搅拌反应器和流动管热解装置对乙炔和异丙苯开展了反应动力学研究,构建了乙炔高压氧化和异丙苯热解的反应动力学机理,并探究了碳烟的初始生成过程。此外,根据JP-8模型燃料和RP-3模型燃料的低温氧化实验数据构建了这两种模型燃料的综合反应动力学机理,并对比分析了两种模型燃料的氧化特性的差异。本文的实验和模拟结果将有助于进一步理解航空燃料燃烧过程中碳烟的生成过程,为航空燃料的清洁高效利用提供了实验和理论支撑。
远洪亮[3](2021)在《碳氢燃料燃烧碳烟生成的分子动力学模拟和模型研究》文中研究指明碳烟主要由燃料的不完全燃烧产生,碳烟对环境和人体健康的不利影响以及工业对炭黑生产的需求都需要我们对碳烟生成机理和碳烟模型进行研究。碳烟生成是燃烧过程中最复杂的现象之一,涉及燃烧化学、流体力学、质量热输运和颗粒动力学之间的复杂相互作用,尽管经过几十年的研究,有关碳烟生成仍有许多基础性科研问题没有解决。因此,本文采用分子动力学方法对碳氢燃料燃烧过程中的碳烟生成机理和模型进行研究。论文首先阐明了碳烟对环境和人体健康的危害,介绍了碳烟研究的背景和意义,碳烟研究的实验和测量手段。接着我们对碳烟生成的各个过程和研究进展进行了简要介绍和总结,提出了本论文的两大任务:建立合适的碳烟模型,对碳烟生成进行计算研究;研究多环芳烃(PAHs)之间以及PAH和碳烟之间的相互作用从而揭示碳烟成核和生长的机理。在模型研究方面,论文改进了基于PAH碰撞的成核模型,考虑了更多的PAH参与的成核和凝结,采用模糊数学隶属函数的方法,保证了碳烟级与级的数学平滑过渡,并对不同大小碳烟的氧化碰撞系数进行了修正和参数拟合。我们用改进的成核和氧化模型对乙烯和航空燃料(Jet-Al)火焰的碳烟生成进行了计算,并研究了环境参数,如重力水平改变,对碳烟生成特性的影响。为加速详细机理和详细模型的碳烟计算,将机器学习和深度神经网络(DNN)的方法引入碳烟模型研究。论文从碳烟模型和燃烧模型出发,根据碳烟模型和流体动力学计算的特点,对输入参数进行降维。有些组分对碳烟生成敏感,有些组分直接参与到碳烟的成核、生长和氧化过程中,有些组分与碳烟生成不相关不敏感。通过聚类降维得到了由26个输入参数描述的火焰状态空间。碳烟的数密度随碳烟直径大致符合对数坐标-三次函数分布。由体积分数和描述碳烟分布的四个拟合参数这构成了一个碳烟状态的向量空间。当建立起从火焰状态空间到碳烟描述空间的映射之后,基于质量守恒提出了将碳烟质量还原到碳烟前驱体的方法。论文构建了一个含有4个隐含层的深度神经网络。接着我们构建了 120个算例的样本库,并完成了损失函数的构建。论文分别对比了一个预混滞止火焰和一个对冲火焰的计算结果,DNN模型关于体积分数的预测结果和用详细碳烟模型几乎一致,碳烟数密度也能大致和详细气溶胶模型相符。DNN碳烟模型与35级分级气溶胶模型相比,其计算能够加速8-20倍左右。在机理研究方面,论文利用Fukui指数,分析了六元环PAH及其衍生物、五元环的PAH、共振稳定的PAH自由基(RSR)、PAH氧化中间产物的反应活性。在取代基中,反应活性的顺序是:炔基>烯基>烷基。多环芳烃与乙炔基的反应性与多环芳烃的大小密切相关,多环芳烃越大,乙炔基的反应性越低。对于六元环多环芳烃,乙炔基的位置对反应性影响不大。五元环的出现增强了多环芳烃的反应活性,RSR芳烃的反应活性随多环芳烃粒径的增大而降低。在PAH边缘的氧原子显示出很强的反应性,氧原子显示出非常大的Fukui指数,甚至比相应的芳基乙炔还要活泼。通过使用ReaxFF力场,我们模拟了不同火焰温度下碳烟成核和生长的模拟。在较低的温度下(1000K)较小的PAH无法在1000K左右凝结成簇、聚集成核。当在体系中加入一些较大的多环芳烃时,比如只有三个卵苯的加入,整个体系就能够处于聚集状态,提高了成核温度的极限。在中等火焰温度下(1450K),非键的物理相互作用不足以维持较小PAH的稳定聚集。然而,这些多环芳烃与不饱和脂肪烃之间的化学反应,例如不饱和脂肪烃直接加在PAH的边缘碳原子上实现继续的生长。多环芳烃通过这些支链相互连接,形成用化学键连接的团或簇。在高温的条件下(1750K),由于大量自由基的攻击,PAH失去氢原子,形成自由基。同时,不饱和烃的加入,使PAH实现链的增长,甚至环的增长。五元环甚至七元环的出现使得PAH出现曲面结构。PAH自由基之间的化学二聚,以及芳基与芳基乙炔的结合,使得在这个温度下,迅速成团成簇。较大的簇继续生长,形成初始成核的碳烟。利用拉伸分子动力学方法研究了 PAH的二聚和在碳烟表面凝结过程自由能变化曲线。我们观察到了两种凝结模式。在低温条件下的凝结更倾向于H型,因为这时有更小的自由能。在多数情况下,随着模拟温度的提升,中间会出现V型凝结的情况。多层富勒烯的结构强化了 PAH的凝结,但对自由能的影响并不显着。氢化富勒烯不稳定,且其表面的C-H键将会阻碍PAH在高温条件下在富勒烯表面的凝结。论文从平衡常数的观点出发,分析了凝结和均相成核过程的反应限度。从PAH质量增加的角度出发,凝结过程要比成核更重要。但成核过程为凝结提供了初始质量增加的起点和数密度。论文利用反应力场分子动力学(ReaxFF-MD)对PAH在富勒烯和碳烟表面的凝结进行了模拟,并统计其分子在富勒烯和碳烟表面的凝结情况,进而拟合出在不同温度下的凝结系数。随着温度的升高,PAH的凝结系数明显下降。PAH越大,凝结系数-温度曲线也会随之向右移动。同时,模拟结果表明氮气加入对凝结系数的影响并不显着。
卢坤[4](2020)在《掺氢碳氢燃料层流扩散火焰碳烟生成特性数值研究》文中认为采用开源代码Co Flame,分别模拟了甲烷(CH4)和乙烯(C2H4)掺氢(H2)及掺甲烷氢稀释乙烯层流扩散火焰碳烟的生成特性,并分析了扩散火焰中掺氢影响碳烟生成机理。模拟中气相反应运用C1-C2气相反应机理,碳烟模型中成核假定为两个芘分子碰撞形成二聚体,表面生长和氧化遵循脱氢加乙炔机理(HACA)。本文首先通过模拟碳氢燃料扩散火焰燃烧,分别获得了火焰温度、碳烟体积分数,主要组分的摩尔分数和描述碳烟生长过程重要参数分布;然后通过比较掺氢和氦(He)的结果,深入分析了氢的化学、稀释和热效应对碳烟生成影响;最后对CH4和C2H4扩散火焰碳烟前驱物形成的化学反应路径进行详细分析,从而为减少碳烟排放提供理论依据。当CH4扩散火焰中掺混不同比例H2时,火焰温度影响不大,表明氢的热效应不是影响碳烟生成的主要因素。但氢气能有效地降低碳烟前驱物乙炔(C2H2)、苯(A1)及芘(A4)摩尔分数,从而抑制碳烟成核速率、表面生长速率、凝结速率和数密度,最终抑制碳烟生成。氦在抑制碳烟生成方面明显优于氢,说明掺氢的稀释效应比其化学效应促进强。这是掺氢通过主要化学反应R151OH+H2?H+H2O提高了H原子摩尔分数,并通过促进化学反应R389C3H3+C3H3?A1的正反应速率提高CH4扩散火焰中A1摩尔分数,促进碳烟成核速率。C2H4扩散火焰中掺混不同比例H2时,氢气的化学效应没有改变C2H4扩散火焰温度分布,火焰中最高温度约为2100K。与掺氦的结果对比表明,氢在抑制碳烟生成方面更明显。这是由于在C2H4扩散火焰中H2的化学效应同时导致较低的成核速率和表面生长速率。掺混H2降低A4的摩尔分数和碳烟成核速率,同时降低了乙烯火焰底部H原子与C2H2摩尔分数,并导致碳烟表面生长速率降低。同时,C2H4扩散火焰中掺氢的化学效应也促进了A1的形成。它归因于化学反应R394 C2H3+C4H4?A1+H,R397 i-C4H5+C2H2?A1+H和R403 A1·+H?A1,特别是最重要的R397。与影响CH4扩散火焰中A1形成的不同在于,掺氢到C2H4燃料中,通过R397促进H的摩尔分数,并最终通过主要化学反应R151促进A1形成。当掺混甲烷到氢稀释的乙烯扩散火焰中,进一步有效抑制碳烟生成。掺混CH4通过促进化学反应R4 CH4+H?CH3+H2的逆反应速率消耗更多的H原子,不利于A1、A2、A3和A4形成,进而抑制PAHs凝结速率和HACA表面生长速率,且掺混甲烷比例越高,抑制效果越明显。
高婉莹[5](2020)在《甲醇/PODE双燃料化学反应机理模型研究》文中研究表明随着我国庞大的汽车保有量带来的石油供需矛盾以及汽车尾气排放造成的大气污染问题日益凸显,煤基代用燃料的发展和新型燃烧技术的开发已成为近年来的研究热点。高辛烷值的甲醇与高十六烷值的聚甲氧基二甲醚(Polyoxymethylene dimethyl ethers,PODE)都属于高含氧量的煤基燃料,两者有效的组合燃烧对内燃机节能减排具有重要现实意义。目前,关于甲醇/PODE双燃料化学动力学机理模型的研究尚未涉及。因此,本文基于解耦思想构建了甲醇/PODE双燃料化学动力学简化模型,并对构建的机理进行优化和验证分析。本文以甲醇和PODE3作为表征燃料,构建了甲醇/PODE双燃料化学动力学简化模型。首先,基于反应路径分析,联合直接关系图法、敏感性分析法等机理简化方法对详细的PODE3反应机理进行了简化,得到PODE3综合燃烧简化反应模型(71/316);其次,以甲醇详细反应机理和从PODE3简化反应机理中提取的小分子反应共同作为双燃料机理的核心部分;最后,将双燃料核心机理与PODE3简化子机理、氮氧化物(Nitrogen oxides,NOx)生成机理和多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)生成机理耦合获得甲醇/PODE双燃料简化反应机理(101/473)。同时,分别对甲醇、PODE3在低温和高温下的反应路径进行了梳理。加氧反应是甲醇和PODE3在低温下消耗的主导因素,而高温下燃料的消耗主要依赖于活性自由基的进攻及燃料的热解;此外,发现PODE在燃烧过程中不存在由C-C构成的烯烃的生成路径,揭示了PODE能有效降低柴油机碳烟排放的内在机制。基于基础反应器实验数据以及滞燃期、火焰速度敏感性评价体系,通过调整若干关键反应的速率参数对甲醇/PODE双燃料化学动力学简化机理进行了优化。使用CHEMKIN-PRO软件的不同反应器模型对双燃料机理的滞燃期、层流火焰速度、关键组分浓度及均质充量压燃(Homogeneous charge compression ignition,HCCI)燃烧参数进行了计算和验证。结果表明,相比于优化前,优化后的甲醇/PODE双燃料简化反应机理对当量比为0.5~1.5、压力为1.0~1.5MPa时PODE3在快速压缩机中的滞燃期、标准大气压下PODE3预混层流火焰中重要物质的浓度及层流火焰传播速度的预测准确性得到提高;同时,甲醇在激波管中的滞燃期、流反应器中的氧化进程和层流燃烧速度也被较好的再现;最后,不同燃料当量比下PODE3的HCCI燃烧缸压和放热率的计算结果与实验数据吻合较好,进一步验证了该双燃料简化机理具有较高的可靠性,为双燃料缸内燃烧的计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值仿真工作奠定了基础。
梅俊宇[6](2020)在《C2碳氢燃料热解及宽当量比氧化过程中碳烟生成特性研究》文中提出碳烟产生于碳氢燃料高温热解或不完全燃烧。碳烟一方面会对环境和人体造成危害,另一方面可以作为炭黑材料被广泛应用,为了更好地控制其排放和生成,需要深入探究和认识碳烟的生成特性和机理。为了减少实际复杂流动环境的干扰,获取准确而详细的碳烟特性,本研究采用两套实验室反应装置,包括前人搭建的层流预混火焰和新搭建的流动管反应器,并使用小孔稀释取样方法对碳烟颗粒定量取样,同时结合多种测量手段获取碳烟生成总量、粒径分布、颗粒形态以及生成延迟时间等信息。选取C2碳烟燃料(乙炔,乙烷和乙烯)为对象,研究在热解及宽当量比氧化过程中碳烟生成特性,并探究燃料结构、温度、当量比及反应气氛的影响,同时结合数值模拟手段对结果进行分析。首先,本文探究了C2碳氢燃料层流预混火焰中的详细碳烟生成特性,发现在火焰温度和碳氧比一定情况下,碳烟生成量呈现乙烷>乙烯>乙炔的趋势,乙炔火焰的碳烟成核最弱,且粒径演变很慢,颗粒形态最简单;模拟结果表明,三种火焰的PAHs生成路径类似,由于燃料结构中碳氢比差异而导致乙烷火焰当量比最高从而碳烟生成量最多。其次,本研究将圆管小孔稀释采样技术应用于流动管出口,定量地获取了乙烯热解中碳烟粒径分布,发现其存在双峰分布的演变特性,且受燃料浓度和温度强烈影响,同时标定了流动管中碳烟生成延迟时间,发现其遵循阿累尼乌斯规律。然后,在流动管实验台基础上,进一步探究了低温和高当量比条件下碳烟的生成特性,一方面获取了在预混火焰中由于火焰不稳定而无法准确测量的碳烟信息,另一方面也加深了对极端条件下碳烟机理的认识。在较高温度下,碳烟生成量随当量比单调增加,而较低温度下存在随当量比增加先上升后下降的规律;少量O2会促进PAHs生成从而促进成核,大量O2存在则会抑制碳烟生成。最后,本研究系统地探究了CO2添加对碳烟生成的影响,CO2浓度提升会先促进后抑制乙烯热解中碳烟生成,原因是CO2会与碳氢组分反应产生羟基,少量羟基会促进C3成核路径,从而加速碳烟成核和长大过程,而大量羟基则产生强烈氧化效应。本工作通过实验测量和模拟分析的方法探究了C2碳氢燃料的生成特性,并系统地研究了燃料结构、温度、当量比和反应气氛的影响,加深了对碳烟生成机理的认识,并为发展和优化碳烟模型提供可靠数据。
罗成[7](2020)在《C1、C3和C5组分对碳烟成核过程中菲生成的作用机理研究》文中认为碳氢燃料的不完全燃烧会产生具有强烈毒性和致癌性的多环芳香烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs),对环境和人体有极大的危害。研究作为碳烟生成前驱物的PAHs的生成路径,有利于提高PAHs生成预测的准确性,能更好的模拟碳烟的生成,同时为抑制或降低PAHs和碳烟生成提供理论指导。基于量子化学理论,本文利用量化M06-2X方法和6-311++G(d,p)基组,计算菲(A3)详细生成路径的热力学参数,进一步运用过渡态理论和Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus(RRKM)理论计算以Arrhenius形式表达的生成路径基元反应速率常数,并对不同生长路径中的子路径进行热力学和化学反应动力学分析,得到反应类型、反应位点和脱氢方式等对A3生成路径的影响,以及竞争力较强的子路径。将选定的A3生成路径耦合到现有的C1-C4燃料的燃烧化学反应机理中,就甲烷和乙烷燃料进行层流预混火焰模拟,分析新路径对火焰中PAHs生成的影响。研究得到以下结论:(1)通过对A3生成路径的分析,得到每条A3生成路径中竞争力较强的子路径:(1)甲基添加的联苯到A3的生成路径中,在联苯上第一次加碳反应后产生的甲基支链上进行第二次加碳反应,然后形成六碳环的子路径势垒较低,反应沿着该路径更加容易进行;(2)甲基添加的萘(A2)到A3的生成路径中,采用对称加碳方式的子路径比采用顺序加碳方式的子路径更加容易进行;(3)甲基和丙炔基联合添加的A2到A3的生成路径中,在添加甲基得到的甲基萘上添加丙炔基的子路径更加容易进行;(4)环戊二烯基参与的PAHs生成路径涉及的加碳反应较少,路径势垒波动较小,有利于PAHs的生成。(2)就加碳反应而言,CH3基在PAHs表面的添加反应都是无势垒的高放热反应,C5H5基的添加反应是势垒在10k J/mol左右的高放热反应,使得生成的PAHs难以通过原路径逆向反应而被消耗掉,对PAHs的生成非常有利。将脱氢反应分为三类:加氢脱氢反应、氢裂解反应和以H2形式脱氢反应,类型分析结果表明,同种脱氢反应势垒都在同一个数量级,不同种脱氢反应的势垒之间差别较大,从数据分布上看:加氢脱氢反应的势垒低于100k J/mol,氢裂解反应的势垒一般在150±20k J/mol的范围内,而以H2形式脱氢反应的势垒普遍较高,可以达到300k J/mol甚至更高,同时,这三种脱氢方式反应速率分析的结果能与势垒分析的结果保持一致,同种脱氢反应的反应速率比较接近。(3)甲烷和乙烷燃料的层流预混火焰模拟结果表明,通过添加新的A3生成路径得到的改进机理能提高原机理对甲烷层流预混火焰中A3生成预测的准确性,且对添加路径不涉及的PAHs的生成几乎不产生影响;同时,改进机理对乙烷层流预混火焰中A3生成的模拟仅有微小的改善,且对添加路径不涉及的PAHs的生成几乎不产生影响,整体上没有降低原机理对PAHs生成预测的准确性。
王薇[8](2020)在《乙烯对冲扩散火焰中碳烟前驱体生成的燃料协同效应》文中提出石化燃料的燃烧是碳烟的主要来源。为了有效抑制碳烟排放,需要进一步深入了解从燃料热解转变为碳烟过程中详细的反应机理。碳烟的形成通常取决于火焰结构、燃料种类、燃料混合及部分预混、温度、压力等多种因素的共同作用,其中碳烟前驱体对上述因素的敏感度在很大程度上反映了碳烟的生成倾向。考虑到实际燃烧装置中常燃用成分复杂的混合物燃料,且部分工况采用部分预混的燃烧模式,因此研究燃料和氧气掺混对碳烟前驱体生成的影响十分必要。本文基于层流对冲火焰研究了乙烯层流扩散火焰中不同燃料混合以及燃料端掺混氧气对气相小分子碳烟前驱体(C1-C7)生成的影响,探讨了碳烟前驱体生成的燃料协同效应及其对火焰温度的依赖性。本文基于对冲火焰燃烧器和气相色谱(GC)分析系统搭建了在线取样与分析系统,并采用该实验系统定性、定量分析了对碳烟生成起到关键作用的气相小分子前驱体,同时运用详细的化学反应机理对所测火焰进行了数值模拟研究,最后应用数值模拟结果对碳烟前驱体中的重要基础芳香烃(苯)进行了动力学路径分析。综上所述,本文研究的主要内容具体如下:(1)首先,基于乙烯对冲扩散火焰中多环芳香烃(PAHs)和碳烟的广泛研究,利用热电偶测温方法分析了乙烯层流扩散火焰的热化学结构,进而研究了温度对乙烯火焰中碳烟前驱体中苯生成趋势的影响。运用实验与数值相结合的方法,验证了本文采用的KAUST Mech 2化学反应机理对所测火焰预测的合理性,并初步分析了碳烟前驱体对温度的依赖性。研究发现,在燃料成分不变的情况下,氧化剂由15%O2+85%N2(低温工况1)改变为20%O2+80%N2(高温工况1)时,苯的生成显着增加;当氧化剂由低温工况1的成分替换成15%O2+85%Ar(高温工况2)时,苯的生成倾向与改变氧气浓度时相同。结果表明,小分子碳烟前驱体(尤其是苯)的生成明显依赖于火焰温度,从而排除了由氧气浓度因素造成的化学效应。(2)其次,研究讨论了甲烷(CH4)/丙烷(C3H8)分别在燃料端掺混高温(火焰温度峰值~2020 K)和低温(~1660 K)乙烯对冲扩散火焰的情况下,不同燃料对碳烟前驱体中苯生成的协同效应。实验结果证实了燃料掺混效应对苯生成的协同作用和温度依赖性:与纯乙烯基线火焰相比,高温火焰中掺混丙烷使得苯的形成明显增加,而在低温火焰中苯的浓度逐渐下降;甲烷掺混抑制了高、低温火焰中苯的形成,但是低温条件下的抑制效果更为显着。基于数值结果对反应路径进行详细分析后发现,掺混C3H8和CH4抑制了苯的形成路径中C4+C2反应,增强了C3+C3反应;然而高温火焰中分别掺入C3H8和CH4对苯生成趋势所表现出的差异是由于二者对CH3和C3H3自由基作用效果的不同。因此,燃料掺混对苯形成的影响程度明显取决于火焰的热环境。(3)最后,考虑到实际扩散火焰的燃料端通常会因为存在少量氧气而表现为部分预混燃烧模式,本文继续以常压环境下乙烯对冲火焰为研究对象,在该火焰的燃料中加入少量氧化剂,以构成乙烯部分预混火焰,并进一步分析了乙烯部分预混火焰中燃料端少量氧气和燃料形成的局部预混对碳烟前驱体生成的影响。研究结果表明,在乙烯对冲火焰的燃料端掺入少量氧气,促进了苯的生成;进一步分析得出,氧气的掺入主要促进了C4+C2和C3+C3自我耦合两个主要反应,从而导致苯的生成明显增加。本文重点强调了不同燃料或氧气掺入乙烯火焰后对碳烟前驱体(苯)形成的影响高度依赖于火焰的热环境这一结论。因此,在总结不同组分掺混对火焰中芳香族和碳烟的生成倾向的影响时,尤其需要关注所研究火焰的热力学工况。
任飞[9](2019)在《稀释条件下C1-C4烷烃燃料层流预混燃烧特性研究》文中指出随着工业、经济发展和城市化程度提升,能源需求日益增加,为满足能源增长需求和减少碳排放,中国能源结构正持续改进。目前,在传统常规能源中,天然气是最具潜力的清洁能源,以其较高的能源利用效率和热效率,以及低排放的特点逐渐成为工业、交通运输业所用能源的重要组成部分。天然气的组成成分因产地不同而有所差异,但烷烃燃料C1-C4(甲烷CH4、乙烷C2H6、丙烷C3H8和丁烷C4H10)在天然气中的总体比重在95%左右,且在燃料体系中十分重要。近年来,有研究表明,在甲烷和丙烷中添加氢气可以有效促进其燃烧热效应,扩展其着火极限;而且氢气对发动机燃料天然气的燃烧性能有显着的优化作用,并降低排放。此外,一些研究指出在碳氢燃料中添加稀释气体(如N2、CO2、H2O)可有效降低相关污染物的排放。因此,本文以天然气主要组分C1-C4四种烷烃为研究对象,采用H2、N2、CO2和H2O为稀释剂,利用ChemkinⅡ/Premix Code与修改后的详细化学反应机理:GRI 3.0*和San Diego*燃烧化学反应机理(引入FH2、FO2、FN2、FCO2和FH2O五种假设物质)进行数值计算,分析了在不同当量比下,四种稀释剂的物理化学效应对C1-C4烷烃的层流燃烧速度、绝热火焰温度、净热释放率以及温度变化起主导作用的基元反应的具体影响规律。结果表明,H2的化学效应促进C1-C4层流燃烧速度和绝热火焰温度增大,而物理效应则使层流燃烧速度和绝热火焰温度降低。N2、CO2和H2O的物理和化学效应均使得CH4、C2H6和C3H8层流燃烧速度下降;而对于C4H10,在贫燃时,CO2和H2O的化学效应使得C4H10层流燃烧速度增大。在少数工况下,CO2和H2O的化学效应提高了C1-C4绝热火焰温度。此外,H2、N2、CO2和H2O的物理效应抑制了C1-C4燃烧化学反应的进行,从而导致净热释放率下降;H2的化学效应促进化学反应进程加快,明显提升了C1-C4层流预混燃烧的净热释放率,N2、CO2和H2O则导致净热释放率下降。通过对掺混H2、N2、CO2和H2O影响C1-C4温度变化的重要基元反应进行敏感性分析可知,对促进C1-C4温度提升均起主导作用的最重要的两个基元反应为:H+O2<=>OH+O和CO+OH<=>H+CO2;对抑制C1-C4温度提升均起主导作用的重要反应为:H+CH3(+M)<=>CH4(+M)和H+O2+H2O<=>HO2+H2O或H+O2(+M)<=>HO2(+M)。
唐权喜[10](2019)在《层流预混火焰中碳烟成核和长大过程的实验研究》文中提出碳烟是碳氢燃料不充分燃烧的副产物,对人体和环境有较大的危害。理解碳烟形成的详细生成机理,是构建碳烟动力学模型的基础,对降低碳烟排放具有重要意义。真实的燃烧设备存在复杂的流动和边界条件,不适合碳烟生成机理研究。因此,本研究搭建了火焰结构简单、边界明确的层流预混滞止火焰。综合采用多种实验检测手段,对初生碳烟粒子动力学和粒子形貌结构演变开展了系统的研究,同时采用数值模拟计算了火焰中的气相化学,用来辅助实验探究。首先,对于碳烟成核特性,本论文采用二甘醇粒子计数器测量了成核峰粒径分布,并分析了成核峰峰值尺寸和最小粒子尺寸变化规律,以及成核峰峰值尺寸与初生碳烟数浓度的关系。结果表明第一个成核峰峰值尺寸小于3 nm,其数值大小与初生碳烟粒子数浓度呈现正相关。最小被测量到的粒子尺寸为1.54 nm。同时,本研究还采用颜色观察和测量粒径谱的方式,定量地确定了结构差异大的燃料在宽温度范围内的成烟极限。结果表明,所有燃料的碳烟的ψc-Tmax图都呈现U形,温度对燃料成烟有巨大的影响;在固定温度下,ψc与C/H比呈现负相关。其次,燃料结构和火焰温度对碳烟的成核、增长以及形貌结构有着十分重要的影响,但是关于这方面的系统研究较为匮乏。本研究以直链烷烃和芳香烃为研究对象。一方面,探究了在相同的停留时间下,燃料结构对气相化学、初生粒子动力学和形貌演变的影响,另一方面,在火焰温度相似的条件下,本研究探究了燃料结构对气相化学、初生粒子动力学和碳烟团聚体的形貌结构特性的影响。结果表明,直链烷烃火焰中,乙炔浓度较高,有利于碳烟质量增长,但是成核速率较慢;而芳香烃添加的火焰中,碳烟成核较快且在较短时间发生,但是碳烟质量增长较慢。较强的质量增长会促使碳烟团聚体中的原生粒子直径较大,且团聚体结构较为疏松,而在芳香烃添加火焰中,碳烟团聚体中的原生粒子直径较小,但团聚体结构相对紧凑。最后,为了更深入地理解烟气再循环过程对碳烟生成的影响,本论文探究了CO2的添加对碳烟生成过程中的动力学的影响。同时,通过数值模拟方法,研究了CO2气体影响碳烟前驱物生成的机制。本工作通过实验测量深入地探究了碳烟成核和长大过程,有助于加深对碳烟形成过程的理解。实验数据能用来发展和验证碳烟模型。
二、层流预混火焰PAHs形成的反应机理模型(论文开题报告)
(1)论文研究背景及目的
此处内容要求:
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景,再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题,并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例:
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
(2)本文研究方法
调查法:该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法:用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法:通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法:通过调查文献来获得资料,从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法:依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法:对研究对象进行“质”的方面的研究,这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法:通过具体的数字,使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法:运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法:这是社会科学用来分析社会现象的一种方法,从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法:通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、层流预混火焰PAHs形成的反应机理模型(论文提纲范文)
(1)含氧混合燃料预混层流火焰特性研究及化学动力学分析(论文提纲范文)
摘要 |
ABSTRACT |
主要符号对照表 |
第1章 绪论 |
1.1 引言 |
1.2 内燃机面临的挑战及应对思路 |
1.2.1 内燃机与燃料联合优化的研究进展 |
1.2.2 基于燃料设计与燃料组分重构的燃烧技术 |
1.3 含氧燃料的研究现状分析 |
1.3.1 聚甲氧基二甲醚(PODE) |
1.3.2 碳酸二甲酯 |
1.3.3 丁醇 |
1.4 预混层流火焰速度的试验测量方法 |
1.5 本文研究内容及意义 |
第2章 研究平台介绍及测试方法分析 |
2.1 基于球形火焰传播法的层流燃烧速度基本理论 |
2.1.1 层流火焰速度定义 |
2.1.2 火焰拉伸的影响及外推模型的选择 |
2.1.3 试验提取层流火焰速度的不确定性来源 |
2.1.4 火焰不稳定性 |
2.2 层流燃烧试验平台与试验流程 |
2.2.1 定容燃烧弹 |
2.2.2 试验流程 |
2.3 试验数据处理方法 |
2.4 计算模型 |
2.5 本章小结 |
第3章 不同官能团含氧燃料预混层流燃烧特性的对比研究 |
3.1 不同燃料火焰传播特性和层流火焰速度对比 |
3.1.1 火焰传播特性 |
3.1.2 层流火焰速度 |
3.2 绝热火焰温度 |
3.3 敏感性分析 |
3.4 反应路径分析 |
3.5 Markstein长度与火焰不稳定性分析 |
3.5.1 Markstein长度 |
3.5.2 火焰胞状不稳定性分析 |
3.6 本章小结 |
第4章 汽油及其模型燃料预混层流燃烧特性研究 |
4.1 汽油模型燃料组分及配比 |
4.1.1 实际燃料组分及理化特性分析 |
4.1.2 模型燃料组分选取 |
4.1.3 模型燃料组分配方 |
4.2 模型燃料组分的层流燃烧速度测量 |
4.2.1 正庚烷 |
4.2.2 异辛烷 |
4.2.3 甲苯 |
4.3 PRF/TRF/汽油层流燃烧速度对比 |
4.4 本章小结 |
第5章 含氧混合燃料预混层流火焰特性研究 |
5.1 含氧燃料掺混对碳氢燃料层流火焰传播的影响 |
5.1.1 火焰传播速度 |
5.1.2 层流火焰速度 |
5.2 绝热火焰温度 |
5.3 含氧燃料掺混对层流火焰化学结构的影响 |
5.3.1 详细机理验证 |
5.3.2 敏感性分析 |
5.3.3 交叉反应的影响 |
5.4 含氧燃料掺混对火焰不稳定性的影响 |
5.5 本章小结 |
第6章 含氧混合燃料化学反应简化机理构建 |
6.1 含氧混合燃料化学反应动力学机理构建 |
6.1.1 核心机理 |
6.1.2 含氧燃料详细机理简化 |
6.1.3 TRF机理 |
6.1.4 机理合并 |
6.2 机理验证 |
6.2.1 层流火焰速度 |
6.2.3 着火延迟期 |
6.3 本章小结 |
第7章 全文总结及工作展望 |
7.1 全文总结 |
7.2 创新点 |
7.3 展望 |
参考文献 |
作者简介及成果介绍 |
致谢 |
(2)航空模型燃料反应动力学及碳烟生成机理研究(论文提纲范文)
摘要 |
Abstract |
符号说明表 |
第1章 引言 |
1.1 选题意义及背景 |
1.2 国内外研究现状 |
1.2.1 模型燃料研究现状 |
1.2.2 碳烟生成机理研究现状 |
1.2.3 异丙苯反应动力学研究现状 |
1.3 反应动力学实验装置 |
1.3.1 射流搅拌反应器 |
1.3.2 流动管反应器 |
1.3.3 激波管反应器 |
1.3.4 快速压缩机 |
1.3.5 层流预混火焰实验台 |
1.4 本论文研究目标 |
1.5 本章小结 |
第2章 实验与理论计算方法 |
2.1 引言 |
2.2 流动管热解实验装置简介 |
2.2.1 实验装置简介 |
2.2.2 流动管反应器内温度场分布 |
2.2.3 实验数据的采集 |
2.2.4 热解产物浓度的计算 |
2.3 高压射流搅拌反应器实验装置简介 |
2.3.1 实验装置简介 |
2.3.2 高压射流搅拌反应器内温度场分布 |
2.3.3 装置可靠性检测 |
2.4 动力学模拟方法介绍 |
2.4.1 Chemkin软件简介 |
2.4.2 化学反应机理 |
2.4.3 热力学参数 |
2.4.4 传输数据 |
2.4.5 反应路径和敏感性分析 |
2.5 本章小结 |
第3章 乙炔反应动力学研究 |
3.1 引言 |
3.2 实验方法与反应动力学机理 |
3.2.1 实验装置与实验条件 |
3.2.2 反应动力学机理的构建与模拟 |
3.3 结果与讨论 |
3.3.1 产物鉴定 |
3.3.2 乙炔高压氧化实验结果 |
3.3.3 反应路径分析 |
3.3.4 敏感性分析 |
3.4 模型适应性分析 |
3.5 压力效应分析 |
3.6 本章小结 |
第4章 异丙苯反应动力学研究 |
4.1 引言 |
4.2 流动管热解实验方法与反应动力学机理 |
4.2.1 热解实验装置与实验条件 |
4.2.2 反应动力学机理的构建与模拟 |
4.3 热解实验结果与讨论 |
4.3.1 热解实验产物鉴定 |
4.3.2 热解实验摩尔分数 |
4.3.3 热解实验反应路径分析 |
4.3.4 热解实验敏感性分析 |
4.4 AlCH(CH_3)_2和AlC_3H_7的氧化和热解实验结果对比 |
4.5 异丙苯高压氧化实验 |
4.5.1 高压氧化实验装置及方法 |
4.5.2 高压氧化实验产物鉴定 |
4.5.3 高压氧化实验结果 |
4.6 高压氧化实验碳守恒验证 |
4.7 本章小结 |
第5章 航空模型燃料反应动力学机理研究 |
5.1 引言 |
5.2 实验方法及反应动力学机理 |
5.2.1 实验方法 |
5.2.2 反应动力学机理的构建 |
5.3 结果与讨论 |
5.3.1 产物对比 |
5.3.2 摩尔分数 |
5.3.3 反应路径分析 |
5.3.4 敏感性分析 |
5.4 点火延迟时间模拟 |
5.5 本章小结 |
第6章 结论与展望 |
6.1 本论文结论 |
6.2 本论文创新点 |
6.3 研究展望 |
参考文献 |
附录1 乙炔高压氧化子机理 |
附录2 产物的光电离截面(PICS)数据 |
附录3 本文中涉及组分的名称和结构 |
附录4 异丙苯高温热解子机理 |
致谢 |
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
(3)碳氢燃料燃烧碳烟生成的分子动力学模拟和模型研究(论文提纲范文)
摘要 |
Abstract |
主要符号说明表 |
第1章 绪论 |
1.1 研究背景及意义 |
1.2 碳烟研究的实验手段 |
1.2.1 体积分数的测量 |
1.2.2 气相化学的测量 |
1.3 碳烟生成的研究现状 |
1.3.1 碳烟成核的研究 |
1.3.2 碳烟表面生长、颗粒聚结和团聚 |
1.3.3 碳烟的氧化和破碎 |
1.4 碳烟模型的发展 |
1.5 待解决的问题和论文安排 |
1.5.1 尚未解决的科学问题 |
1.5.2 论文的章节安排 |
第2章 层流火焰碳烟生成的模型改进及其应用 |
2.1 燃料和PAH机理简介 |
2.1.1 燃料机理 |
2.1.2 PAH的生成机理 |
2.2 详细碳烟模型介绍 |
2.2.1 PAH-PP模型 |
2.2.2 分级气溶胶模型 |
2.3 改进的碳烟成核和氧化模型 |
2.3.1 成核模型的改进 |
2.3.2 氧化模型的改进 |
2.4 乙烯、航空煤油扩散火焰碳烟生成研究 |
2.4.1 模型和方法 |
2.4.2 温度场分布 |
2.4.3 层流乙烯/空气扩散火焰的碳烟生成结果分析 |
2.4.4 层流Jet-Al/空气扩散火焰的碳烟生成 |
2.5 微重力下层流火焰碳烟生成研究 |
2.5.1 微重力碳烟生成研究简介 |
2.5.2 模型和方法 |
2.5.3 重力对火焰结构及温度场的影响 |
2.5.4 重力对碳烟前驱体及其分布的影响 |
2.5.5 碳烟质量增加各个过程分析 |
2.5.6 PAH在碳烟表面凝结的重要性 |
2.5.7 碳烟直径的变化 |
2.5.8 微重力下碳烟生成特征总结 |
2.6 本章小结 |
2.6.1 本章主要结论 |
2.6.2 模型的不足 |
第3章 从多环芳烃到碳烟成核的分子动力学模拟 |
3.1 PAH的反应活性分析 |
3.1.1 密度泛函理论的简单介绍 |
3.1.2 反应活性分析的基本理论 |
3.1.3 含炔基、烯基、烷基官能团的芳烃反应活性 |
3.1.4 含有五元环的PAH及共振稳定的PAH自由基反应活性 |
3.1.5 含氧官能团的PAH反应活性 |
3.1.6 利用Fukui指数理解PAH反应的发生 |
3.2 反应力场的分子动力学 |
3.2.1 分子动力学和力场概述 |
3.2.2 基于ReaxFF力场的分子动力学 |
3.3 基于ReaxFF力场的火焰温度下碳烟生成的分子动力学模拟 |
3.3.1 模拟设置 |
3.3.2 低温下的非均相成核 |
3.3.3 中温下碳烟生长的模拟 |
3.3.4 高温下碳烟成核及生长的模拟 |
3.4 本章小结 |
第4章 PAHs与碳烟的物理相互作用 |
4.1 自由能计算 |
4.1.1 自由能微扰理论简介 |
4.1.2 热力学积分方法简介 |
4.1.3 非平衡近似方法 |
4.2 拉伸分子动力学介绍 |
4.3 PAH二聚及其与富勒烯和碳烟的相互作用 |
4.3.1 研究对象和模拟设置 |
4.3.2 PAH二聚过程 |
4.3.3 PAH在富勒烯表面的凝结 |
4.3.4 PAH在多层富勒烯和氢化富勒烯表面的凝结 |
4.4 PAH二聚及在其在碳烟表面凝结的稳定性分析 |
4.4.1 稳定温度上限 |
4.4.2 稳定平衡分析 |
4.4.3 PAH在不同温度下凝结的ReaxFF-MD的验证 |
4.5 PAH在富勒烯与碳烟表面凝结的凝结系数研究 |
4.5.1 凝结系数研究的理论基础 |
4.5.2 芘在富勒烯C_(540)表面的凝结系数研究 |
4.5.3 PAH在碳烟表面凝结的凝结系数研究 |
4.6 本章小结 |
第5章 基于深度学习的碳烟生成模型 |
5.1 机器学习介绍 |
5.1.1 机器学习的基本原理 |
5.1.2 深度神经网络基本概念 |
5.1.3 机器学习平台介绍 |
5.2 输入参数的降维 |
5.2.1 主成分分析方法降维 |
5.2.2 聚类方法降维 |
5.2.3 碳烟模型输入参数的选择 |
5.3 深度神经网络的碳烟模型构建 |
5.3.1 从火焰状态空间到碳烟描述空间 |
5.3.2 数据预处理 |
5.3.3 质量守恒 |
5.3.4 DNN模型及参数选择 |
5.3.5 Dropout方法介绍 |
5.4 样本构建 |
5.4.1 Chemkin软件 |
5.4.2 火焰样本构建 |
5.5 模型测试与分析 |
5.5.1 损失函数构建 |
5.5.2 优化算法 |
5.5.3 碳烟的预测结果 |
5.5.4 模型适用范围 |
5.5.5 计算时间对比 |
5.6 本章总结 |
第6章 总结与展望 |
6.1 主要结论 |
6.2 主要创新点 |
6.3 研究展望 |
参考文献 |
致谢 |
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
(4)掺氢碳氢燃料层流扩散火焰碳烟生成特性数值研究(论文提纲范文)
摘要 |
ABSTRACT |
第一章 绪论 |
1.1 研究背景及意义 |
1.2 碳烟生成机理及其模型发展 |
1.2.1 碳烟生成机理 |
1.2.2 碳烟模型发展 |
1.3 碳烟影响因素 |
1.4 碳氢燃料掺氢研究现状 |
1.5 混合碳氢燃料研究现状 |
1.6 碳氢燃料燃烧模型 |
1.7 本文研究内容与方法 |
1.7.1 研究内容 |
1.7.2 研究方法 |
第二章 二维层流扩散火焰数学模型及碳烟模型建立 |
2.1 物理模型及网格划分 |
2.2 碳烟生成模型 |
2.2.1 成核模型 |
2.2.2 凝聚模型 |
2.2.3 碳烟生长模型 |
2.2.4 氧化模型 |
2.2.5 辐射模型 |
2.3 控制方程 |
2.4 气相化学反应机理 |
2.5 Coflame Code |
2.6 数值方法 |
2.7 本章小结 |
第三章 掺氢对甲烷/空气扩散火焰碳烟生成特性研究 |
3.1 模型验证 |
3.2 模拟条件及工况 |
3.3 结果与分析 |
3.3.1 氢气分布 |
3.3.2 流场分布 |
3.3.3 温度场分布 |
3.3.4 碳烟分布 |
3.3.5 实验测量与不同机理预测碳烟生成 |
3.3.6 掺氢对甲烷火焰中间成烟组分及重要参数分布影响 |
3.3.7 甲烷火焰掺氢反应路径分析 |
3.4 本章小结 |
第四章 掺氢对乙烯/空气扩散火焰碳烟生成特性研究 |
4.1 模型及验证 |
4.2 模拟条件及工况 |
4.3 结果与分析 |
4.3.1 氢气分布 |
4.3.2 流场分布 |
4.3.3 温度场分布 |
4.3.4 碳烟分布 |
4.3.5 掺氢对乙烯火焰中间成烟组分及重要参数分布影响 |
4.3.6 乙烯火焰掺氢反应路径分析 |
4.4 本章小结 |
第五章 掺氢对甲烷与乙烯混合碳氢燃料碳烟生成特性的研究 |
5.1 模拟条件及工况 |
5.2 结果分析 |
5.2.1 温度分布 |
5.2.2 碳烟分布 |
5.2.3 掺氢混合燃料PAHs分布 |
5.2.4 掺氢混合燃料碳烟成核速率的影响 |
5.2.5 掺氢混合燃料碳烟生长速率的影响 |
5.2.6 掺氢混合燃料碳烟体积分数和乙炔的影响 |
5.3 本章小结 |
第六章 全文总结与展望 |
6.1 全文总结 |
6.2 创新点 |
6.3 工作展望 |
参考文献 |
附录 攻读硕士学位期间论文成果及参与的研究项目 |
致谢 |
(5)甲醇/PODE双燃料化学反应机理模型研究(论文提纲范文)
摘要 |
abstract |
第一章 绪论 |
1.1 课题研究背景 |
1.1.1 能源危机 |
1.1.2 环境问题 |
1.2 柴油机煤基代用燃料的研究现状 |
1.2.1 甲醇在柴油机上的应用 |
1.2.2 聚甲氧基二甲醚在柴油机上的应用 |
1.2.3 甲醇/PODE双燃料的研究现状 |
1.3 柴油机煤基代用燃料化学动力学机理研究现状 |
1.3.1 甲醇化学动力学机理研究进展 |
1.3.2 聚甲氧基二甲醚化学动力学机理研究进展 |
1.4 本文研究意义及主要内容 |
第二章 化学动力学理论与仿真计算 |
2.1 化学动力学基础理论 |
2.1.1 化学反应速率 |
2.1.2 反应历程 |
2.1.3 化学动力学的计算方法 |
2.2 化学反应机理简化方法 |
2.2.1 敏感性分析 |
2.2.2 直接关系图法 |
2.2.3 基于误差传播的直接关系图法 |
2.3 CHEMKIN-PRO软件概述 |
2.3.1 CHEMKIN-PRO软件的计算体系 |
2.3.2 CHEMKIN-PRO软件的反应模型 |
2.4 本章小结 |
第三章 甲醇/PODE双燃料反应机理模型的构建 |
3.1 双燃料反应机理构建思路 |
3.2 甲醇氧化反应路径分析 |
3.3 PODE_3 氧化反应路径分析 |
3.4 PODE_3 化学动力学简化模型 |
3.4.1 PODE_3 化学反应机理的简化 |
3.4.2 PODE_3 简化反应机理的验证 |
3.5 污染物排放生成模型 |
3.5.1 NOx生成机理 |
3.5.2 PAHs子机理 |
3.6 甲醇/PODE双燃料化学动力学简化模型 |
3.6.1 反应机理的耦合 |
3.6.2 双燃料反应机理分析 |
3.7 本章小结 |
第四章 甲醇/PODE双燃料反应机理模型的优化及验证 |
4.1 双燃料反应机理的滞燃期预测 |
4.1.1 反应机理对滞燃期预测的优化 |
4.1.2 反应机理对滞燃期预测的验证 |
4.2 双燃料反应机理的层流火焰速度预测 |
4.2.1 反应机理对层流火焰速度预测的优化 |
4.2.2 反应机理对层流火焰速度预测的验证 |
4.3 双燃料反应机理对关键组分浓度的验证 |
4.4 双燃料反应机理对HCCI燃烧参数的验证 |
4.5 本章小结 |
第五章 全文总结与展望 |
5.1 全文总结 |
5.2 工作展望 |
参考文献 |
致谢 |
攻读硕士学位期间发表的学术论文 |
附录 |
(6)C2碳氢燃料热解及宽当量比氧化过程中碳烟生成特性研究(论文提纲范文)
摘要 |
abstract |
主要符号对照表 |
第1章 引言 |
1.1 研究背景及意义 |
1.2 碳烟的研究现状 |
1.2.1 碳烟生成的基本过程 |
1.2.2 实验装置及测量手段 |
1.2.3 气相反应模型及颗粒相模型 |
1.2.4 小分子燃料结构对碳烟生成的影响 |
1.2.5 温度对碳烟生成的影响 |
1.2.6 当量比对碳烟生成的影响 |
1.2.7 稀释气对碳烟生成特性的影响 |
1.3 研究现状总结 |
1.4 研究内容和论文结构 |
1.5 拟解决的关键科学问题 |
第2章 实验和模拟方法 |
2.1 本章概述 |
2.2 层流预混滞止火焰实验台 |
2.2.1 燃料供给系统 |
2.2.2 层流预混滞止火焰 |
2.2.3 温度测量及修正 |
2.2.4 滞止板取样装置 |
2.3 流动管反应器实验台 |
2.3.1 反应系统 |
2.3.2 温度测量装置 |
2.3.3 取样系统 |
2.4 碳烟测量装置及方法 |
2.4.1 颗粒粒径分布信息的测量 |
2.4.2 碳烟总体量的确定 |
2.4.3 碳烟形态的观测及原生粒子信息的获取 |
2.5 模拟方法及模型介绍 |
2.5.1 模型适用性 |
2.5.2 气相模拟 |
2.5.3 颗粒相模拟 |
2.6 研究方法小结 |
第3章 C_2碳氢燃料碳烟生成特性的对比研究 |
3.1 研究目的及内容 |
3.2 实验及模拟方法 |
3.3 结果与讨论 |
3.3.1 C_2预混火焰中碳烟生成特性实验结果 |
3.3.2 颗粒相及气相模拟分析 |
3.4 本章小结 |
第4章 乙烯热解中碳烟粒径分布定量测量及关键因素研究 |
4.1 研究目的及内容 |
4.2 实验台搭建及验证 |
4.3 结果与讨论 |
4.3.1 乙烯热解中碳烟粒径分布演变规律 |
4.3.2 燃料浓度的影响 |
4.3.3 反应温度的影响 |
4.3.4 颗粒生成延迟时间的探究 |
4.4 本章小结 |
第5章 低温和高当量比对碳烟生成特性影响 |
5.1 研究目的及内容 |
5.2 实验及模拟方法 |
5.2.1 实验方法及工况 |
5.2.2 模拟方法 |
5.3 结果与讨论 |
5.3.1 碳烟生成总体量分析 |
5.3.2 碳烟粒径分布演变规律分析 |
5.3.3 颗粒形态及原生粒子性质探究 |
5.3.4 反应动力学模拟分析 |
5.4 本章小结 |
第6章 CO_2添加对碳烟生成特性影响及机理分析 |
6.1 研究目的及内容 |
6.2 实验及模拟方法 |
6.2.1 实验方法及工况 |
6.2.2 模拟方法 |
6.3 结果与讨论 |
6.3.1 碳烟粒径分布演变分析 |
6.3.2 碳烟生成特征量分析 |
6.3.3 气相组分生成规律分析 |
6.3.4 化学反应敏感性分析及路径分析 |
6.4 总结 |
第7章 结论与展望 |
7.1 本文主要结论 |
7.2 本工作主要创新点 |
7.3 未来工作展望 |
参考文献 |
致谢 |
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果 |
(7)C1、C3和C5组分对碳烟成核过程中菲生成的作用机理研究(论文提纲范文)
摘要 |
Abstract |
第1章 引言 |
1.1 研究背景 |
1.2 碳烟生成过程中PAHs的生成 |
1.2.1 PAHs的生成过程 |
1.2.2 主要排放PAHs种类 |
1.2.3 PAHs生成的影响因素 |
1.3 PAHs演变的理论研究 |
1.4 科学问题 |
1.5 本文主要研究意义及内容 |
1.5.1 研究意义 |
1.5.2 研究内容 |
第2章 基础理论简介 |
2.1 量子化学计算的基本原理 |
2.1.1 薛定谔方程 |
2.1.2 从头算方法 |
2.1.3 密度泛函理论 |
2.2 势能面和热化学性质计算的基本原理和方法 |
2.2.1 势能面 |
2.2.2 热化学性质 |
2.3 化学反应速率计算的基本原理和方法 |
2.3.1 过渡态理论 |
2.3.2 Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus(RRKM)理论 |
2.4 火焰中PAHs生成的数值模拟 |
2.5 本章小结 |
第3章 CH_3添加的菲生成路径 |
3.1 计算方法 |
3.2 基于CH_3添加的从联苯到菲的生成路径 |
3.2.1 生成路径分析 |
3.2.2 动力学分析 |
3.3 基于CH_3添加的从萘到菲的生成路径 |
3.3.1 生成路径分析 |
3.3.2 动力学分析 |
3.4 本章小结 |
第4章 CH_3/C_3H_3、C_5H_5添加的菲生成路径 |
4.1 基于CH_3/C_3H_3添加的菲生成路径 |
4.1.1 生成路径分析 |
4.1.2 动力学分析 |
4.2 基于C_5H_5添加的菲生成路径 |
4.2.1 生成路径分析 |
4.2.2 动力学分析 |
4.3 本章小结 |
第5章 化学反应动力学模型中菲生成路径的改进 |
5.1 化学反应动力学模型的改进 |
5.2 层流预混火焰模拟 |
5.2.1 甲烷层流预混火焰模拟 |
5.2.2 乙烷层流预混火焰模拟 |
5.3 本章小结 |
第6章 结论 |
6.1 研究总结 |
6.2 研究展望 |
致谢 |
参考文献 |
攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果 |
(8)乙烯对冲扩散火焰中碳烟前驱体生成的燃料协同效应(论文提纲范文)
摘要 |
Abstract |
第1章 引言 |
1.1 研究背景 |
1.2 国内外研究现状 |
1.2.1 碳烟的形成过程研究 |
1.2.2 碳烟前驱体的生成研究 |
1.2.3 乙烯对冲扩散火焰中碳烟前驱体的研究进展 |
1.2.4 研究现状总结 |
1.3 研究内容及方法 |
1.3.1 研究内容 |
1.3.2 研究方法 |
1.3.3 技术路线 |
第2章 对冲扩散火焰的实验系统与分析方法 |
2.1 对冲扩散火焰 |
2.2 对冲火焰燃烧器 |
2.3 气相色谱分析系统及方法 |
2.3.1 气相色谱法简介 |
2.3.2 检测器类型及工作原理 |
2.3.3 分析方法 |
2.3.4 GC系统校准方法 |
2.4 气体取样系统及方法 |
2.4.1 在线取样系统 |
2.4.2 在线取样程序 |
2.5 数值分析方法 |
2.6 本章小结 |
第3章 乙烯对冲扩散火焰中碳烟前驱体的生成 |
3.1 火焰工况的设定 |
3.2 火焰温度的测量 |
3.3 火焰的热化学结构 |
3.4 苯的生成 |
3.4.1 火焰温度对苯生成的影响 |
3.4.2 苯的生成路径分析 |
3.5 本章小结 |
第4章 甲烷/丙烷掺混对乙烯对冲火焰碳烟前驱体生成的影响 |
4.1 实验工况 |
4.2 实验结果与讨论 |
4.3 掺混丙烷的反应动力学分析 |
4.3.1 低温掺C_3H_8火焰 |
4.3.2 高温掺C_3H_8火焰 |
4.4 掺混甲烷的反应动力学分析 |
4.4.1 低温掺CH_4火焰 |
4.4.2 高温掺CH_4火焰 |
4.5 本章小结 |
第5章 掺氧对乙烯对冲火焰碳烟前驱体生成的影响 |
5.1 火焰工况的选择 |
5.2 结果与讨论 |
5.2.1 火焰形态与结果分析 |
5.2.2 动力学路径分析 |
5.3 本章小结 |
第6章 结论 |
6.1 全文总结 |
6.2 研究展望 |
致谢 |
参考文献 |
攻读硕士学位期间获得与学位论文相关的科研成果 |
(9)稀释条件下C1-C4烷烃燃料层流预混燃烧特性研究(论文提纲范文)
摘要 |
Abstract |
符号表 |
第一章 绪论 |
1.1 研究背景 |
1.2 C_1-C_4和H_2 概述 |
1.2.1 甲烷CH_4 |
1.2.2 乙烷C_2H_6 |
1.2.3 丙烷C_3H_8 |
1.2.4 丁烷C_4H_(10) |
1.2.5 氢气H_2 |
1.3 C_1-C_4 层流燃烧国内外研究现状 |
1.4 本文研究内容与意义 |
第二章 数值模型与控制方程 |
2.1 一维层流预混火焰模型 |
2.2 控制方程 |
2.2.1 质量守恒方程(连续性方程) |
2.2.2 组分守恒方程 |
2.2.3 能量守恒方程 |
2.2.4 动量守恒方程 |
2.2.5 状态方程 |
2.3 定解条件 |
2.4 热力学、化学反应动力学和组分传输参数的输入 |
2.5 控制方程数值求解方法 |
2.5.1 网格划分 |
2.5.2 控制方程离散 |
2.5.3 迭代方法与收敛判定准则 |
2.6 特征变量求解 |
2.6.1 掺混比 |
2.6.2 当量比 |
2.7 化学反应机理选择 |
2.8 本章小结 |
第三章 掺氢对C_1-C_4 层流预混火焰燃烧特性影响 |
3.1 初始温度和压力对C_1-C_4 层流燃烧速度和绝热火焰温度的影响 |
3.1.1 不同初始压力下层流燃烧速度和绝热火焰温度 |
3.1.2 不同初始温度下层流燃烧速度和绝热火焰温度 |
3.2 掺氢对C_1-C_4 层流燃烧速度的影响 |
3.2.1 CH_4 常温常压下掺氢层流燃烧速度计算与实验结果对比 |
3.2.2 掺H_2与FH_2对C_1-C_4 层流燃烧速度的影响 |
3.3 掺氢对C_1-C_4 绝热火焰温度的影响 |
3.4 掺氢对C_1-C_4 净热释放率的影响 |
3.5 掺氢对C_1-C_4 温度敏感性分析 |
3.6 本章小结 |
第四章 掺N_2/CO_2/H_2O对 C_1-C_4 层流预混火焰燃烧特性影响 |
4.1 掺N_2/CO_2/H_2O对 C_1-C_4 层流燃烧速度的影响 |
4.2 掺N_2/CO_2/H_2O对 C_1-C_4 绝热火焰温度的影响 |
4.3 掺N_2/CO_2/H_2O对 C_1-C_4 净热释放的影响 |
4.4 掺N_2/CO_2/H_2O对 C_1-C_4 温度敏感性分析 |
4.4.1 掺N_2对C_1-C_4 温度敏感性分析 |
4.4.2 掺CO_2对C_1-C_4 温度敏感性分析 |
4.4.3 掺H_2O对 C_1-C_4 温度敏感性分析 |
4.5 本章小结 |
第五章 总结与展望 |
5.1 全文总结 |
5.2 展望 |
参考文献 |
攻读硕士学位期间参与科研及发表论着 |
致谢 |
(10)层流预混火焰中碳烟成核和长大过程的实验研究(论文提纲范文)
摘要 |
abstract |
第1章 引言 |
1.1 研究背景及意义 |
1.2 碳烟的研究现状 |
1.2.1 碳烟前驱物多环芳香烃的形成 |
1.2.2 碳烟成核及成烟极限 |
1.2.3 温度和燃料结构对碳烟生成的影响 |
1.2.4 碳烟粒径分布演变和形貌演变 |
1.2.5 CO_2气体对碳烟生成特性的影响 |
1.3 研究现状总结 |
1.4 研究内容和论文结构 |
1.5 拟解决的关键科学问题 |
第2章 试验平台、检测方法及模拟方法 |
2.1 本章概述 |
2.2 实验系统介绍 |
2.2.1 燃烧系统 |
2.2.2 燃料供给系统 |
2.2.3 测量系统 |
2.3 稀释比和最优稀释比 |
2.4 计算方法 |
2.5 温度测量系统及修正过程 |
2.6 粒子停留时间 |
2.7 BSSF装置的标准化测量研究 |
2.8 本章小结 |
第3章 小至1纳米的碳烟粒径分布测量 |
3.1 研究目的及内容 |
3.2 研究方法 |
3.3 结果与讨论 |
3.4 本章小结 |
第4章 预混乙烯、丙烷、乙烯/甲苯火焰中成烟极限测量 |
4.1 研究目的和内容 |
4.2 实验方法及工况 |
4.3 结果与讨论 |
4.3.1 乙烯、丙烷和甲苯/乙烯火焰成烟极限 |
4.3.2 丙烷和乙烯临近低温成核极限处的碳烟形成规律 |
4.4 本章小结 |
第5章 正庚烷/甲苯层流预混滞止火焰中碳烟生成特性研究 |
5.1 研究目的及研究内容 |
5.2 实验方法及工况 |
5.3 结果与讨论 |
5.4 本章小结 |
第6章 燃料结构对碳烟结构特性的影响 |
6.1 研究目的及研究内容 |
6.2 实验方法及工况 |
6.3 结果与讨论 |
6.4 本章小结 |
第7章 CO_2对乙烯层流预混火焰初生碳烟粒径演变的影响 |
7.1 研究目的及内容 |
7.2 实验方法及工况 |
7.3 结果与讨论 |
7.3.1 实验结果讨论 |
7.3.2 模拟结果与讨论 |
7.4 本章小结 |
第8章 结论与展望 |
8.1 本文主要结论 |
8.2 本文主要的创新点 |
8.3 工作展望 |
参考文献 |
致谢 |
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果 |
四、层流预混火焰PAHs形成的反应机理模型(论文参考文献)
- [1]含氧混合燃料预混层流火焰特性研究及化学动力学分析[D]. 王乔. 吉林大学, 2021(01)
- [2]航空模型燃料反应动力学及碳烟生成机理研究[D]. 田东旭. 中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所), 2021(02)
- [3]碳氢燃料燃烧碳烟生成的分子动力学模拟和模型研究[D]. 远洪亮. 中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所), 2021(02)
- [4]掺氢碳氢燃料层流扩散火焰碳烟生成特性数值研究[D]. 卢坤. 安徽工业大学, 2020
- [5]甲醇/PODE双燃料化学反应机理模型研究[D]. 高婉莹. 江苏大学, 2020(02)
- [6]C2碳氢燃料热解及宽当量比氧化过程中碳烟生成特性研究[D]. 梅俊宇. 清华大学, 2020(01)
- [7]C1、C3和C5组分对碳烟成核过程中菲生成的作用机理研究[D]. 罗成. 武汉理工大学, 2020(08)
- [8]乙烯对冲扩散火焰中碳烟前驱体生成的燃料协同效应[D]. 王薇. 武汉理工大学, 2020(08)
- [9]稀释条件下C1-C4烷烃燃料层流预混燃烧特性研究[D]. 任飞. 安徽工业大学, 2019
- [10]层流预混火焰中碳烟成核和长大过程的实验研究[D]. 唐权喜. 清华大学, 2019(02)