第四章 甲烷着火与燃烧特性的反应动力学分析

第四章 甲烷着火与燃烧特性的反应动力学分析

4.1化学反应动力学模型选择

4.2着火特性的反应动力学分析

4.3燃烧特性的反应动力学分析

本节将采用不同的甲烷燃料燃烧化学反应详细机理（Gri_mech 3.0、NUI Galway_Mech 、USC_Mech 2.0）对第三章中相同的实验工况下甲烷/空气混合气的层流燃烧速率进行数值计算，并将计算结果与实验数据进行对比分析。 4.3.1初始压力对l U -Φ的影响

在初始温度u T 为K 290，初始压力u P 分别为Mpa 1.0、Mpa 2.0和Mpa 3.0时，采用不同的甲烷燃料燃烧化学反应机理对其层流燃烧速率进行数值计算，将得到

图3.24 T u =290K 时不同初始压力下层流燃烧速率随当量比变化趋势的计算结果与实验数据

对比图

当Mpa P u 1.0=时，采用Gri_2.1动力学模型计算得到的甲烷/空气混合气的层流燃烧速率与实验数据吻合良好，另外两种动力学模型计算得到的结果则与实验数据存在一定偏差；当Mpa P u 2.0=时，在Φ值小于1的一侧，采用Gri_2.1动力学模型计算得到的甲烷/空气混合气的层流燃烧速率与实验数据较为接近，另外两种动力学模型计算得到的结果则与实验数据有偏差，但在Φ值大于1的一侧，采用Gri_2.1动力学模型和USC_Mech 2.0动力学模型计算得到的甲烷/空气混合气的层流燃烧速率最接近实验值；当Mpa P u 3.0=时，三种动力学模型的计算结果均与实验数据有偏离。经过综合分析，在三种压力工况下，Gri_2.1动力学模型能够较为准确的预测甲烷/空气混合气的层流燃烧速率。 4.3.2初始温度对l U -Φ的影响

在初始压力u P 为Mpa 1.0，初始温度u T 分别为K 290、K 320和K 350时，采用不同的甲烷燃料燃烧化学反应机理对其层流燃烧速率进行数值计算，将得到的计算结果与实验数据进行对比分析，如图3.25所示。

图3.25 P u =0.1Mpa 时不同初始温度下层流燃烧速率随当量比变化趋势的计算结果与实验数据

对比图

从图3.25可以看出，当初始温度从K 290逐渐升高到K 320和K 350时，在Φ值小于1的一侧，三种动力学模型计算得到的甲烷/空气混合气的层流燃烧速率与实验数据都有偏差；在Φ值大于1的一侧，采用Gri_2.1动力学模型和USC_Mech 2.0动力学模型计算得到的甲烷/空气混合气的层流燃烧速率与实验数据最接近。 4.3.3结论

由图3.24、3.25可以看出，随着初始压力的升高，层流燃烧速度降低，而随着初始温度的升高，却有所增加。这是由于链分支化学反应O OH O H +⇔+2是一个对温度敏感性较强的二元反应，当压力升高时，绝热火焰的温度升高不大，所以链分支化学反应速率基本保持不变。而链终止化学反应是一个对温度敏感性很弱的三元反应，反应方程式为M HO M O H +⇔++22，随着压力的升高，链终止化学反应速率将得到很大增强。由此可知，链终止化学反应的影响作用就会强于链分支化学反应，从而导致层流燃烧速度下降。相反的，当初始温度逐渐升高后，链分支化学反应的增强作用将强于链终止化学反应，也就导致了层流燃烧速度的增加。