基于自适应化学理论的均相反应过程模拟及其在甲烷预混火焰中的应用

【摘要】： 针对实际燃烧装置内的流动﹑燃烧过程的数值模型研究,学者们更多的把精力集中在流动问题的研究之上,而对燃烧过程中的化学反应本身考虑相对较少。以往的数值模拟研究大都采用了较为简单的化学反应机理,并应用同一反应机理计算各处的化学反应,而未考虑不同燃烧区域的特性。简单的化学反应机理往往不能全面、精确描述火焰的某些特征,尤其是在污染物排放的预报方面。美国麻省理工学院化工系Green博士等人提出的自适应化学理论(Adaptive Chemistry,简称AdapChem),将复杂的化学反应机理简化为适用于求解区域内不同空间位置(网格)和该网格中当地反应条件下的若干简化反应模型。反应机理的合理、精确简化是AdapChem应用的前提和基础。 本论文针对AdapChem中所必须涉及的详细反应机理的搭建、基于敏感性分析的详细反应机理的最优简化及其简化模型在AdapChem中的应用,进行了如下研究:针对痕量元素Hg、Sn详细反应机理的建立,对Hg、Sn详细氧化反应机理的搭建原则和经验进行了归纳。首先,采用热力学平衡分析的方法确定Hg、Sn在反应体系中的主要存在形态;之后,充分考虑Hg、Sn氧化潜在的氧化剂,采用量子化学过渡态理论的方法,对Hg、Sn氧化的核心反应动力学参数进行直接计算;最后,在充分考虑了Hg、Sn反应系统中其它物质组分之间的可能基元反应之后,搭建分别得到最终的Hg、Sn详细反应机理。 提出了一种基于敏感性分析的反应机理简化方法,该方法采用最优简化法简化反应机理,同时利用敏感性分析的方法验证简化结果,尝试揭示系统化学反应发生的潜在途径。本文采用最优简化法,对包含20个可逆基元反应的氢氧燃烧反应机理进行了简化。氢氧比为2:1时,在特征时间t1-t4下,简化机理的基元反应个数分别减少到6个、7个、14个和16个;同样对包含325个可逆基元反应的甲烷燃烧化学反应机理的简化结果表明:不同时刻下简化模型中反应的个数比原机理中的减少了2-6倍;点燃区(1.0×10-3 s附近)的简化机理最复杂,包含的基元反应最多(135个);燃尽区的简化机理最简单,包含的基元反应最少(51个)。且以上简化机理都保持了相当高的全尺度反应机理的计算精度。 采用AdapChem的方法,对美国Yale大学甲烷/空气预混火焰的相关试验研究,进行了数值模拟,实现了对燃烧过程中温度、主量和非主量成分的精确预报。同时,在AdapChem方法首次引入了辐射模型DO法,完善了该理论的方法。对计算模拟结果与试验结果进行了比较。考虑辐射模型之后,辐射传热使得火焰的中心区域温度降低了20-100K,热量向四周辐射,火焰的外部区域温度升高,整个空间的温度分布更趋于合理。通过计算模拟结果与试验结果的比较,证明了引入辐射模型后的自适应化学理论计算方法更为精确。 【关键词】：反应机理 自适应化学理论 痕量元素 反应动力学 敏感性分析 甲烷预混火焰 辐射模型DO法
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：O643.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 均相详细反应机理的研究现状和本课题的任务11-22
• 1.1 简单、详细反应机理的优缺点11-12
• 1.2 详细反应机理的国内外研究现状12-13
• 1.3 详细反应机理搭建的现状13-15
• 1.4 详细反应机理的简化15-17
• 1.5 详细反应机理在数值模拟中的应用17-18
• 1.6 本课题的研究任务与研究内容18-21
• 1.7 本章小结21-22
• 2 均相Hg、Sn 详细反应机理的搭建22-54
• 引言22
• 2.1 化学动力学的基本概念和基本理论22-24
• 2.2 化学动力学研究的内容和方法24
• 2.3 化学动力学数据库介绍24-29
• 2.4 详细反应机理搭建的经验29-31
• 2.5 Hg 的详细反应机理的搭建31-44
• 2.6 Sn 的详细反应机理的搭建44-51
• 2.7 Hg、Sn 详细反应机理搭建的比较51-52
• 2.8 本章小结52-54
• 3 Hg、Sn 关键基元反应动力学参数的获得54-70
• 引言54
• 3.1 动力学参数的获得方法54-55
• 3.2 化学反应过渡态理论简介55-57
• 3.3 过渡态理论计算方法57-59
• 3.4 量子化学计算软件及其应用59-60
• 3.5 煤燃烧过程相关反应机理的研究现状60-61
• 3.6 煤燃烧过程中汞的反应动力学参数的获得61-64
• 3.7 煤燃烧过程中锡的反应动力学参数的获得64-69
• 3.8 本章小节69-70
• 4 基于敏感性分析的详细反应机理最优简化70-101
• 引言70
• 4.1 复杂反应机理简化的提出70-72
• 4.2 复杂反应机理的简化方法介绍72-80
• 4.3 反应机理最优简化法80-83
• 4.4 基于敏感性分析的详细反应机理最优简化法83-84
• 4.5 基于敏感性分析的H2/02 反应机理最优简化84-90
• 4.6 基于敏感性分析的甲烷燃烧反应机理最优简化90-99
• 4.7 本章小节99-101
• 5 基于自适应化学理论的甲烷燃烧数值模拟101-136
• 引言101
• 5.1 数值流体力学简介101-105
• 5.2 自适应化学理论简介105-111
• 5.3 甲烷/空气预混火焰的相关试验介绍111-119
• 5.4 自适应化学理论在甲烷/空气预混火焰上的应用119-135
• 5.5 本章小节135-136
• 6 辐射离散坐标法对自适应化学理论的完善136-153
• 引言136
• 6.1 辐射传递方程求解方法简述136-139
• 6.2 辐射模型与自适应化学理论的耦合139-140
• 6.3 在甲烷/空气预混燃烧火焰3 上的应用140-151
• 6.4 本章小节151-153
• 7 全文总结153-156
• 7.1 全文总结153-155
• 7.2 对后续研究的建议155-156
• 致谢156-158
• 参考文献158-168
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文168-170
• 附录2 博士期间参与的项目170

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

离子液体的分子模拟与量化计算    郑燕升;卓志昊;莫倩;李军生;

镍基上CH_4脱氢与超临界CO_2重整的量化计算    徐文媛;龙威;杜瑞焕;

微波促进β-溴代苏合香烯的合成及其在有机合成实验教学中的应用    陈红梅;匡春香;

HOSO+X(X=F,Cl,Br)的反应机理及电子密度拓扑分析    刘群;孟令鹏;郑世钧;李晓艳;

辅酶NADH模型物BNAH与活化烯烃在氧气饱和混合溶剂中的反应机理研究    王珏玉;冯乙巳;

甲醇制汽油技术进展及相关问题探讨    王银斌;臧甲忠;于海斌;

TiB_2合成反应机理的优势区相图分析    马爱琼;蒋明学;

喷淋塔中添加柠檬酸促进电石渣烟气脱硫及其机理    刘盛余;能子礼超;邱伟;陆成伟;曲兵;徐园园;刘建英;赵俊辉;胡芸铭;

乙醇醛光解离机理的理论研究    慈成刚;段雪梅;刘靖尧;孙家钟;

CHF+O_2反应的理论研究(英文)    石从云;杨燕;张娇;王光辉;

碳二氟基(C_2F)与气相水的反应机理    王健;丁益宏;孙家钟;

费托合成中CO插入机理的理论证据    李宏平;傅钢;徐昕;

胡椒碱化学发光性质研究及其测定    徐两军;沈闽聪;许雪琴;陈国南;

电化学沉积过程中氮化碳晶体的枝状生长    王建中;于卫锋;田瑀;曹荣根;宋云;宁西京;

焦化原料热反应机理浅谈    王晓丽;商丛丛;肖家治;

若干小体系的反应机理及动力学研究    张君;蔡政亭;冯大诚;

F+HONO反应机理的理论研究    耿彩云;李吉来;黄旭日;孙家钟;

CH_3OCl与Cl(~2P_(3/2))反应机理的量子化学研究    赵岷;常鹰飞;孙昊;王荣顺;

Pd(OAc)_2与有机双膦在卤代烷中的反应机理    韦凤萍;杨帆;黄永仁;

水热介质pH值对纳米(Ce)ZrO_2晶粒制备的影晌    吴南春;施尔畏;郑燕青;李文军;

英研究揭秘人脑对威胁反应机理    新讯

以“铅氧”代“铅酸” 既节能又环保    卢跃刚

永凝液对混凝土耐久性的防护效果    孙建平 陈苏

组合发明的创造性判断    张汉国

质疑“名家说瓷”    阮茂泰

攀钢焦化废水处理系统改造结束    记者 周军 通讯员 龙海

生物柴油研究课题正在申报    记者 李宏乾

科学探索无尽时    宋健

化纤产业升级的关键是技术进步    仲蓓

名牌之花何以盛开    本报记者 姚耀富通讯员 张强

大气化学和燃烧化学中几种典型自由基反应机理的理论研究    白洪涛

均相高级氧化技术处理水中邻二氯苯的研究    徐涛

多相光催化氧化过程中H_2-O_2耦合效应及其作用机理研究    陈亦琳

铁镍硼纳米合金的合成及性能研究    董国君

贫燃条件下Fe-Mo/ZSM-5催化剂上氮氧化物的选择性催化还原研究    李哲

类硅烯硅烯结构和反应的理论研究    戚玉华

TiO_2碳热还原氮化法制备TiN粉末及TiN-Al_2O_3复合材料研究    于仁红

臭氧/多相催化氧化去除水中有机污染物效能与机理    孙志忠

在线超声间接电氧化合成苯甲醛及其衍生物的过程和机理研究    李彦威

二氧化氯与多环芳烃污染物的反应活性及机理研究    刘金泉

改性TiO_2光催化2，4-D水溶液反应的研究    王哲

添加Ti+Al或Ti_3Al对TiB_2-Fe金属陶瓷结构和性能的影响    沈明

水相法生产氯化橡胶的研究    徐威力

新型SO_4～（2-）/M_XO_Y固体超强酸催化剂的制备及其催化有机反应研究    李言信

纳米合金与有机氯化物的反应性能及机理研究    茹秀玲

粉煤灰免烧轻集料的制备及其路基强度的实验研究    邹志祥

部分与大气层中臭氧耗损有关物质与O（～1D）和O（～3P）的反应机理研究    申伟

芳香醛与丙二腈固相反应机理的研究    王海燕

钾长石离子交换基础理论及应用研究    胡波

氧，硫原子上亲核取代反应的理论研究    盖景刚