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原文传递氢气对甲烷/空气层流火焰的作用机理研究

论文题名：	氢气对甲烷/空气层流火焰的作用机理研究
关键词：	车用碳氢燃料;氢气掺杂;层流火焰;燃烧促进作用
摘要：	氢气（H2），作为一种可再生的二次能源，来源丰富，零碳排放，是未来车用燃料的重要选择。目前，氢气已被广泛用于点火增强和燃烧改善，添加或掺混于其他碳氢燃料中，以改善碳氢燃料的燃烧效能。氢气特有的高反应活性和强输运特性被认为是其促进碳氢燃料燃烧的根本原因。评估氢气物理/化学特质对碳氢燃料的燃烧促进/改善作用并揭示其动力学机理，对掺氢碳氢燃料燃烧机理的认识具有重要意义。以低反应活性物质（如CO2，N2等）为代表的绝对惰性物质假设是实现物质物理与化学作用分离研究的常用方法，但针对氢气这一含能燃料并不适用。因此，亟需发展新的物理/化学作用阻断研究方法，以评估氢气添加对碳氢燃料燃烧体系的物理和化学激励作用。　　层流火焰模拟是最理想的燃料化学研究方法。本文以最基础的碳氢燃料-甲烷为研究对象，对掺氢的甲烷/空气预混或扩散层流火焰进行了数值模拟，定量评估了氢气对碳氢燃料燃烧促进的物理和化学激励作用，并揭示了相应的作用机理，为拓宽氢气在碳氢燃料体系应用空间奠定了基础。论文主要内容及成果如下：　　1.燃料氢气动力学机理：论文基于虚构燃料方法，重新定义了作为添加剂加入火焰中参与燃烧的氢气——燃料氢气（Fa-H2），以区别于燃烧过程中产生的氢气——火焰氢气（Fg-H2）。赋予燃料氢气与火焰氢气等同的化学反应动力学机理，并利用层流火焰计算完成了燃料氢气机理的验证。基于研究需要，对燃料氢气的物理化学属性进一步假设，构造了三种具有不同物理化学性质的单步氢气（Fo-H2）、惰性氢气（I-H2）及弱输运氢气（Ft-H2），以实现燃料氢气的热焓释放、化学反应性及输运特性的分离研究。　　2.氢气添加对预混燃烧的作用：将不同属性的虚构氢气引入预混火焰模拟，分别研究了火焰中活性自由基的生成，火焰反应区的变化以及氢气物质的迁移路径。发现：对于层流预混火焰，氢气的化学激励主要体现在火焰的低温预氧化阶段。氢气的反应性和热焓释放均可增强火焰的预氧化行为（如温度提前升高，自由基OH和H较早生成），碳氢燃料低温预氧化阶段存在以OH、H和HO2为骨架的三角反应环，添加氢气能通过强化HO2生成，达成强化氢气/甲烷/空气火焰低温氧化的目的。　　3.氢气添加对扩散燃烧的作用：氢气添加会改变层流扩散火焰的物理输运和化学氧化特性。将不同输运特性氢气引入火焰模拟，通过比较强弱输运特性氢气掺混下甲烷/空气扩散火焰的结构，证明了氢气输运对扩散燃烧的影响。氢气对扩散火焰的影响同样是通过强化H和OH的生成而实现，其中OH+H2=H+H2O和H+O2=O+OH是最重要的反应路径。氢气的热焓快速释放和强输运的耦合作用会引起OH和H的生成区域向空气侧迁移，强化甲烷的氧化反应。　　4.氢气对NO生成的影响：将不同理化特性的氢气引入火焰模拟，得到了掺混不同属性氢气下NO生成的不同趋势，探明了产生这种趋势的深层次原因。氢气快速热焓释放和强输运的耦合作用会使火焰反应区整体发生迁移，从而影响NO的生成。氢气除了可以通过增强H及OH的生成提高NO的生成，还可以通过降低N和HNO的浓度抑制NO的生成。氢气的物理输运性还体现在影响物质扩散方面，氢气的物质扩散会拓宽氢气发生反应的区域。氢气的物质扩散和反应活性共同增大了火焰反应区，导致NO反应区宽度增加，提高了NO的总生成。
作者：	梁梦晴
专业：	交通运输工程;载运工具运用工程
导师：	何义团;廖世勇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022