乙烯和乙烯/乙醇同向流扩散火焰的动力学模型研究

摘要

扩散火焰是实际燃烧设备中的主要燃烧方式之一，相比于预混火焰，扩散火焰中更易生成多环芳烃和碳烟，以扩散燃烧为主的燃烧设备是碳烟排放的主要来源。轴对称同向流扩散火焰具有相对简单的二维结构，便于开展化学反应动力学和计算流体动力学(CFD)的耦合研究。本论文利用LaminarSMOKE程序结合详细化学反应动力学模型数值模拟了乙烯和乙烯/乙醇同向流扩散火焰，探讨了火焰中芳烃形成的动力学机制。
　　乙烯是很多实用燃料的重要组分，也是众多大质量碳氢燃料的重要燃烧中间体。由于其分子结构简单且包含不饱和双键结构，乙烯是研究多环芳烃和碳烟生成机理的典型燃料之一。为了准确地预测乙烯扩散火焰中燃料的分解和芳烃的生成过程，本论文在本组先前发表的芳烃反应模型和丁烯异构体热解模型的基础上发展了一个包含芳烃生成子机理的详细乙烯燃烧反应动力学模型，利用LaminarSMOKE程序对文献乙烯同向流扩散火焰进行了数值模拟。基于模拟结果的生成速率分析(ROP)显示，燃料的消耗主要是通过H提取反应生成乙烯基(C2H3)以及单分子解离反应生成H2CC和氢气;火焰中芳烃的生成起始于由乙烯复合反应生成的炔丙基(C3H3): C2H4→1，3-C4H6→1，2-C4H6→C3H3→C6H6。苯的主要分解产物——苯基(C6H5)的后续系列氢提取碳加成(HACA)路径则是萘这一最重要的双环芳烃的主要来源:C6H6→C6H5→C6H5C2H→C6H4C2H→C6H4(C2H)2→C10H7→C10H8。
　　乙醇是目前最常用的生物燃料之一，可作为汽油的替代燃料或者燃料添加剂。在乙烯/乙醇扩散火焰的实验研究中发现，乙醇的少量添加会增加芳烃和碳烟的排放。本论文中，在乙烯燃烧模型的基础上，添加了乙醇反应的子机理，发展了乙烯/乙醇混合燃料的燃烧反应动力学模型，利用LaminarSMOKE程序数值模拟了文献中的乙烯/乙醇同向流扩散火焰。与实验结果比较表明模型能够准确的预测火焰中乙醇添加对火焰结构和火焰主要中间体浓度的影响。在掺混比β=QC2H6O/QC2H4=0.1为情况下，掺混火焰中的温度场和速度场基本不变，火焰中间体浓度的变化主要是由于掺混乙醇的化学效应引起的。ROP分析结果显示，乙醇主要是沿着两条路径消耗的，一是脱水生成乙烯，另外则是生成甲基和CO。甲基的大量生成促进了丙炔和丙二烯(C3H4同分异构体)大量生成，进而改变了炔丙基这一重要自由基的主要生成路径。和纯乙烯火焰相比，乙醇掺混的乙烯火焰中，炔丙基的主要生成路径由原来的C2H4→1，3-C4H6→1，2-C4H6→C3H3变成了C2H4→C2H2→C3H4→C3H3。芳烃的主要生成和消耗路径不变，炔丙基大量生成通过C3+C3路径增加了苯的生成。乙炔浓度变化的不大，苯浓度的大幅增加通过HACA路径增加了苯乙炔和萘的生成。即在乙烯同向流扩散火焰中，乙醇的添加对萘生成的影响主要是因为增加了甲基的生成，其影响路径可以表示为:C2H5OH→CH3→C3H4→C3H3→C6H6→C6H5→C6H5C2H→C6H4C2H→C6H4(C2H)2→C10H7→C10H8。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 乙烯扩散火焰的动力学模型研究

1．3 乙烯掺混乙醇火焰

1．3．1 生物燃料与燃烧污染物排放

1．3．2 乙烯掺混乙醇火焰

1．4 本论文的研究目的

参考文献

第2章 数值模拟方法

2．1 控制方程

2．2 算子分裂算法

参考文献

第3章 乙烯同向流扩散火焰

3．1 模型发展

3．2 实验条件和模拟方法

3．3 燃料的分解

3．4 苯和萘的生成

3．5 本章小结

参考文献

第4章 乙烯掺乙醇同向流扩散火焰

4．1 乙醇子机理

4．2 实验条件和模拟方法

4．3 乙醇的分解

4．4 乙醇对C6以下中间体的影响

4．5 乙醇对芳烃的影响

4．6 本章小结

参考文献

第5章 结论与展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果