正丁醇燃烧机理简化研究-NSFC.doc

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：124126 正丁醇燃烧机理简化研究 张 扬a,基金项目：?国家自然基金项目(。第一作者简介：张扬（ 基金项目：?国家自然基金项目(。 第一作者简介：张扬（1986－），男，陕西人，清华大学热能工程专业博士生。 a 清华大学热能工程系 热科学与动力工程教育部重点实验室，北京，100084 b Department of Mechanical Engineering, University of California, Berkeley, CA 94720 * 联系电话：010 E-mail：haizhang@ 摘 要：正丁醇是一种具有应用前景的生物燃料，发展简洁准确的燃烧反应机理对其工程燃烧模拟有重要意义。选用Dagaut机理，先后通过直接关系图法和目标有哪些信誉好的足球投注网站法删去了对点火迟延时间和火焰传播速度不敏感的组分和反应，得到36组分、138步反应的骨架机理；之后利用CARM代码，选取了13种准稳态组分，开发出比现有简化机理更为简洁的包括23组分、18步反应的简化机理。该简化机理对点火迟延时间和贫燃侧的火焰传播速度的模拟有着较高的准确性。 关键词：正丁醇 反应机理 机理简化 CARM 生物燃料 0 引言 生物燃料是一种清洁环保的可再生能源。在化石燃料日益紧缺、全球气候变化日益显著的今天，使用生物燃料逐步替代化石燃料作为生产生活的主要能源供给是解决能源和气候问题的一个很有潜力的途径 ADDIN NE.Ref.{BC06537F-0005-45D5-B35C-59C7F9FBBED1}[1]。近几年来，生物燃料中的生物丁醇（主要成分是正丁醇，n-butanol，CH3-CH2-CH2-CH2-OH）开始进入学者的视野。正丁醇的能量密度与汽油十分接近，几乎不用更改发动机就能100%替代汽油；正丁醇还具有良好的亲油性，可用现有的石油管道进行运输；另外它具有低挥发性、低腐蚀性等特点。因此，与现在使用生物乙醇相比，正丁醇具有明显优势 ADDIN NE.Ref.{CE25C590-E5A1-4A44-82B2-A32BE4699141}[2-4]，其燃烧特性也成为学者们研究的热点。 迄今为止，许多学者实验研究了正丁醇的层流预混火焰传播速度、点火迟延时间、熄灭极限和污染物生成等燃烧特性，并且对其燃烧的详细化学反应机理进行了探索 ADDIN NE.Ref.{CB6A9560-BDBB-45ED-A9D3-0FC911E86EF9}[5-16]。正丁醇详细化学反应机理的发展加深了人们对正丁醇燃烧过程的理解，为准确模拟正丁醇燃烧提供了基础。然而，正丁醇的详细化学机理包括的组分多，常在200个以上，化学反应复杂，常超过1500步基元反应 ADDIN NE.Ref.{36E0AE73-EE87-4B17-BC20-841856E6EA5C}[5, 7, 9, 12, 15]，庞大的机理使得求解的方程数量大大增加，计算耗时巨大，并显著增加了方程组的刚性，很难应用于非稳态、多维、湍流等较为复杂的燃烧计算。因此，与其它实际燃料一样，正丁醇的化学反应机理需要进行简化。Veloo等 ADDIN NE.Ref.{B537C360-110B-47B5-808C-6B67F54A33BD}[11]用直接关系图法(Directed Relation Graph, DRG) ADDIN NE.Ref.{494AE509-6E8A-439C-89F2-D2C9674E0271}[17]方法对Dagaut机理 ADDIN NE.Ref.{68A7498C-DAD5-4572-B124-A5881CE29C51}[6, 7]进行了简化得到骨架机理（包括50组分和347反应），该骨架机理可以较好地预测正丁醇熄灭极限的变化趋势。Liu等 ADDIN NE.Ref.{E743A30E-3154-4646-BBA0-6137705A224A}[16]用DRG和DRGASA方法将Dagaut机理简化为一套66组分的简化机理，并应用于预测宽当量比范围(0.6-1.5)的层流火焰传播速度，与实验结果吻合较好。 在工程模拟计算中，为了节约计算时间，现有的简化机理还需要进一步的简化。本文选用详细的正丁醇反应机理，联合使用DRG和TSA（目标有哪些信誉好的足球投注网站法，Targeted search algorithm) ADD