基于CHEMKIN的甲烷燃料对冲火焰数值模拟研究开题报告

全文总字数：4052字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来能源紧缺与环境污染已经成为困扰人类的两大难题。天然气是世界公认的清洁能源，使用天然气发点的燃气轮机及其联合循环具有发电有效率高、占地少、调峰性能好、建设周期短、耗水少、启停方便、运行可靠等一系列优点，近20年来广泛地收到了各国的重视。天然气在我国使用的比例不仅大大低于一般工业国家，而且还远远落后于全球的平均水平。目前全球天然气可采年限在100年以上，迫于环保和减排的压力，各国都逐步已经把煤发电改造成天然气发电。我国随着大气田的发现，油气管道的铺设，以及LNG终端的建设，天然气的消费比例在逐步提高，大力发展使用天然气的燃气轮机发电技术，必然是我国未来能源发展战略中的重要环节。为了得到更高的燃烧效率和更大的推进功率，我们需要提高燃烧室中的压力；在已有的研究中我们发现，与常压下的情况相比，高压燃烧中的反应物喷射、混合与燃烧都会有显著的变化。高压燃烧在先进的发电用燃气轮机和火箭发动机中广泛存在。因此深入开展高压燃烧现象的研究对发电用燃气轮机和火箭发动机的设计与研发非常重要。

为了促进燃气轮机，燃气化炉等非常压燃烧技术的发展，为它们提供足够的理论基础，本课题的主要研究目的就是在CHEMKIN建立一个甲烷对冲火焰模型，通过对压力的调节来研究在不同压力下甲烷/空气层流燃烧速度的变化规律，及其火焰结构等因素的影响；同时对高压下层流对冲火焰有准确的认识，包括组分和温度对于混合物分数的分布。

国内外学者已经对层流对冲火焰进行了一定的实验和数值模拟研究。Tsuji等率先对层流对冲火焰进行了实验研究。他们在多孔圆柱燃烧室内研究了一系列参数，包括入口速度，圆柱直径和燃料组成等，对于火焰位置、吹熄极限、温度分布和流动形态的影响。结果显示，当滞止点速度梯度达到某一临界值时，无论燃料入口速度多大，火焰都无法稳定；而这一临界速度值取决于燃料组分，表示了整体反应速率的快慢。此外，他们还发现火焰总是在滞止点的空气侧。Cheliah等在实验和数值上研究了庚烷/空气对冲扩散火焰的结构。他们发现实验中的流动既非严格的无旋流也非严格的有旋流；在对比了详细反应机理和简化反应机理的计算结果与实验结果后，他们推导出了能够有效地模拟火焰结构的简化机理。Sung等在实验数值上研究了应变率对甲烷/氧气/氮气对冲扩散火焰结构的影响，数值模拟中他们使用了较为详细的反应机理，结果与实验结果吻合。他们也发现，火焰的位置和结构是与应变率有关的，火焰的厚度与应变率的平方根成反比，而随着应变率的增加，最终会出现熄火现象。Ribert等对亚临界和超临界压力下的氢气/氧气对冲扩散火焰开展了详细的数值模拟，研发了压力和应变率对热释放速率、熄火极限和火焰结构的影响，他们发现火焰厚度与压力和应变率乘积的平方根成反比，而放热速率与压力和应变率乘积的平方根成正比。此外，火焰的熄火极限应变率随着压力的增加而线性地增大。不同压力下，燃料层流燃烧速度的变化规律，及其火焰结构等因素的差别较大；为了研究不同压力下的层流火焰现象，需要要建立一套普适的计算模型，以对高压下的层流燃烧进行系统的研究。本文以甲烷为燃料，以空气为氧化剂，研究了不同压力对层流对冲火焰燃烧速度规律和火焰结构的影响。

2. 研究的基本内容与方案

本课题研究的主要内容有：1）建立甲烷对冲火焰数值计算模型利用chemkin中的opposed-flow模块建立高压下甲烷对冲火焰模型，选择合适的化学反应动力学机理，验证模型和计算方法的正确性。

2）研究不同压力下层流对冲火焰的燃烧速度规律和火焰结构的影响。

对通过chemkin得到的结果进行分析，总结不同压力下层流对冲火焰的燃烧速度规律和火焰结构的影响。

3. 研究计划与安排

3.1 研究进度安排时 间 内 容第1-2周 查阅文献完成文献综述和开题报告，完成外文翻译第3-4周 查找和分析机理，选择合适机理第5-8周 学习CHEMKIN软件的使用，根据实际情况选择自己需要的模型并对模型进行验证第9-11周 对甲烷高压层流对冲火焰的数值模拟研究第12周 修改提交论文3.2 章节安排基于CHEMKIN的甲烷燃料对冲火焰数值模拟研究 第一章 绪论1.1 研究背景1.1.1 石油基燃料与替代燃料1.1.2 甲烷的优势与应用1.2 研究的目的与意义1.3 国内外研究现状1.4 本文的主要工作和技术路线1.5 章节安排第二章 数值模拟方法2.1 CHEMKIN软件简介2.2 层流对冲火焰的数值模型2.2.1 守恒方程2.1.2 边界条件2.1.3 物性计算方法2.3 不同压力下理想火焰的性质2.3.1 基本控制方程组与边界条件2.3.2 计算结果与讨论第三章 模型验证3.1 物性计算方法的验证3.2 层流对冲火焰计算模型的验证3.3 本章小结第四章 甲烷/空气高压层流对冲火焰的数值模拟研究4.1 火焰燃烧速度4.1.1 压力的影响4.1.2 结果分析和总结4.2 火焰温度和结构4.2.1 压力的影响4.2.2 结果分析和总结4.3 组分分布4.3.1 CO2和CO的分布4.3.2 中间组分的分布4.3.3 NOX的分布4.4 本章小结第五章 总结与展望5.1 研究总结5.2 研究展望

4. 参考文献（不低于12篇）

[1] 樊融.加压条件下甲烷/空气层流预混火焰可燃极限的研究，清华大学，2008-05-01.

[2] 李博. 高碳碳氢燃料的火焰传播特性和熄灭特性的研究，清华大学，2014-01-01.

[3] 俞吉.甲烷/空气高压对冲火焰的数值模拟及非预混湍流燃烧的初步研究，浙江大学，2014-01-14.