密閉空間內(nèi)典型可燃?xì)怏w層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑恿W(xué)及其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究.pdf

1、密閉空間內(nèi)層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ナ强扇細(xì)怏w安全、內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用和爆轟波理論等領(lǐng)域重要的燃燒科學(xué)與技術(shù)課題。如何有效地預(yù)防可燃?xì)怏w的火災(zāi)爆炸（爆轟）事故，控制其發(fā)展蔓延和減輕事故危害，這些問題的解答需要科學(xué)研究作為依據(jù)。而內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域也亟需基礎(chǔ)的火焰?zhèn)鞑?shù)據(jù)和詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理來建立燃燒模型，以實(shí)現(xiàn)其自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)和對替代燃料的性能評估。因此，為了更加全面地揭示火焰發(fā)生、發(fā)展以及加速突變的本質(zhì)規(guī)律和機(jī)理，深入剖析火焰內(nèi)部反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)過程，

2、并建立綜合完善的化學(xué)動力學(xué)模型，同時也為了積累更多有用的火焰?zhèn)鞑セA(chǔ)數(shù)據(jù)，本文利用實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬手段對密閉空間內(nèi)典型可燃?xì)怏w層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)形態(tài)、火焰加速和突變動力學(xué)、層流火焰速度以及化學(xué)反應(yīng)機(jī)理開展了細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究。
　　本文首先對氫-空氣和丙烷-空氣預(yù)混火焰在封閉管道內(nèi)的傳播特性開展研究，內(nèi)容包括火焰和超壓動力學(xué)、火焰與誘導(dǎo)流場和壓力波的相互作用等。高速紋影攝像技術(shù)用于捕捉和記錄火焰位置和形態(tài)變化，高精度壓力傳感

3、器用于探測管道內(nèi)瞬時的壓力變化特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，封閉管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)歷了復(fù)雜的形狀變化，呈現(xiàn)出經(jīng)典的或變形的Tulip結(jié)構(gòu)，由于受到火焰加速和減速、壁面約束、邊界層效應(yīng)、壓力波效應(yīng)以及火焰誘導(dǎo)流場等影響，火焰裙邊運(yùn)動、火焰與壁面接觸點(diǎn)運(yùn)動、Tulip尖端運(yùn)動和火焰尖端運(yùn)動等都表現(xiàn)出明顯的階段性特征，Bychkov模型對基本運(yùn)動參數(shù)（位置和速度）的預(yù)測并不理想，僅適用于火焰發(fā)展早期。所有工況都觀察到了火焰尖端位置（速度）及壓力脈動現(xiàn)

4、象，只是頻率和幅度各有不同。變形Tulip結(jié)構(gòu)并不是封閉管道內(nèi)氫-空氣預(yù)混火焰特有的行為，在化學(xué)計量比（Φ=1）附近的預(yù)混丙烷-空氣火焰中也有發(fā)現(xiàn)，且Tulip變形過程中都伴隨著顯著的火焰尖端速度脈動。壓力波并不是火焰速度脈動及Tulip變形的誘因，但確實(shí)會起到促進(jìn)作用;而壁面和邊界效應(yīng)，楔形擠壓流、水力學(xué)不穩(wěn)定性及火焰誘導(dǎo)流動的綜合效應(yīng)可能是主要物理起因。
　　隨后我們利用圓柱形雙燃燒室實(shí)驗(yàn)臺，結(jié)合高速攝像和紋影技術(shù)，對C2碳?xì)?/p>

5、燃料（主要是乙烷、乙烯和乙炔等）常壓和高壓層流火焰速度開展了實(shí)驗(yàn)研究和測量，并分析了當(dāng)量比、初始壓力和燃料分子結(jié)構(gòu)對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?。常壓?shí)驗(yàn)結(jié)果與權(quán)威文獻(xiàn)數(shù)據(jù)吻合得很好，并對一些歷史數(shù)據(jù)較少且分散的工況做了補(bǔ)充和驗(yàn)證。對于不同燃料反應(yīng)體系，二氧化碳稀釋的作用機(jī)制明顯不同。表觀的，二氧化碳會抑制乙烯火焰以及富燃料乙烷火焰?zhèn)鞑ィ珜τ谝胰不鹧嬉约柏毴剂弦彝榛鹧鎺缀鯖]有影響，表明其抑制作用被抵消?？傮w來說，USC MechⅡ?qū)恿骰鹧嫠俣鹊亩?/p>

6、量預(yù)測不是很理想（特別是對高壓火焰），僅能較好地反映火焰速度的變化趨勢。
　　本文討論分析了USC MechⅡ模型存在的問題和缺陷，進(jìn)而以化學(xué)動力學(xué)領(lǐng)域最新的研究成果為基礎(chǔ)，借助量子化學(xué)計算和實(shí)驗(yàn)測量等手段，建立了新的綜合化學(xué)反應(yīng)模型。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明新模型對常壓和高壓典型可燃?xì)怏w層流預(yù)混火焰速度的預(yù)測能力相比USC MechⅡ有了顯著的提高。新模型為我們揭示了乙烷、乙烯、乙炔火焰體系的主要反應(yīng)路徑;發(fā)現(xiàn)了碳?xì)淙剂匣鹧娼Y(jié)構(gòu)和燃燒行為之

7、間很多相似之處;同時還指出了高壓火焰體系中一些重要的基元反應(yīng)以及火焰速度對反應(yīng)速率常數(shù)的敏感度變化（相比常壓情況）。二氧化碳稀釋對火焰體系的化學(xué)和第三體效應(yīng)，主要表現(xiàn)為抑制和促進(jìn)兩個矛盾方面。一方面，過量的CO2會逆轉(zhuǎn)反應(yīng)CO+OH=CO2+H，并增強(qiáng)第三體反應(yīng)H+O2(+M)=HO2(+M)，導(dǎo)致體系H原子濃度降低;另一方面，作為強(qiáng)第三體，CO2稀釋同樣也會加劇HCO的分解反應(yīng)HCO(+M)=H+CO(+M)，從而補(bǔ)償一定的H原子損失

8、。表觀的二氧化碳稀釋效果是這兩種內(nèi)在作用機(jī)制相互競爭和抵消的綜合體現(xiàn)。乙炔火焰中由于反應(yīng)CO+OH=CO2+H并不是產(chǎn)物CO2主要生成通道，因而其重要性減弱，二氧化碳稀釋的抑制和促進(jìn)作用相互抵消;而乙烯和乙烷火焰速度對HCO分解反應(yīng)速率常數(shù)的敏感度較低（反應(yīng)重要性較弱，尤其是在高壓下），因此火焰總體受到抑制。特別的，二氧化碳稀釋對富燃料乙烷火焰體系的化學(xué)和第三體效應(yīng)較弱，體系的熱量和質(zhì)量輸運(yùn)性質(zhì)以及混合物組成和密度的變化是導(dǎo)致火焰減速的