湍流燃燒中碳黑生成的理論模型研究與套用

《湍流燃燒中碳黑生成的理論模型研究與套用》是依託清華大學，由張健擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：湍流燃燒中碳黑生成的理論模型研究與套用
• 外文名：Theoretical model of carbon black formation in turbulent combustion and its application
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：張健
• 項目類別：面上項目

項目摘要

各種氣體、液體和固體燃料燃燒排放的碳黑顆粒對大氣環境和人體健康構成了極大的危害。合理地預測碳黑的生成與排放，對於發展抑制燃燒中碳黑生成的技術，實現高效低污染清潔燃燒具有重要的意義。在湍流燃燒中，碳黑的生成是湍流與複雜化學反應相互作用的結果。湍流脈動不僅影響到燃料燃燒的均相反應，包括碳黑前驅物的生成反應，而且影響到碳黑生成涉及的碳黑成核和顆粒的長大與氧化反應。本項目擬建立考慮湍流-碳黑生長與氧化反應相互作用的溫度脈動簡化機率密度函式（PDF）模型。這一模型將與湍流-複雜化學反應相互作用的湍流燃燒與碳黑前驅物生成理論模型一起，構成完整的湍流-碳黑生成反應相互作用的理論模型。本項目還將發展用於上述理論模型驗證的湍流燃燒直接模擬方法。本項目建立的湍流-碳黑生成反應相互作用的理論模型，將不僅適用於湍流擴散火焰和湍流預混火焰中碳黑生成的模擬，也將適用於湍流多相燃燒中碳黑生成的模擬和預報。

結題摘要

碳黑是碳氫燃料高溫熱解和不完全燃燒生成的一種污染物。為合理準確地預測實際湍流燃燒過程中碳黑的生成與排放，本項目進行了氣相溫度脈動對碳黑成核、長大與氧化反應影響的理論分析，揭示了湍流對碳黑生長與氧化反應過程的作用。據此提出了湍流-碳黑生長與氧化反應相互作用的溫度脈動簡化機率密度函式（PDF）模型。基於甲烷燃燒與碳黑前驅物生成的簡化的4步反應機理，建立了考慮湍流-複雜化學反應相互作用的湍流燃燒與碳黑前驅物生成的溫度脈動簡化PDF模型.。將該模型與湍流-碳黑生長與氧化反應相互作用的溫度脈動簡化PDF結合，構建了完整的湍流-碳黑生成反應相互作用的理論模型。套用湍流-碳黑生成反應相互作用的溫度脈動簡化PDF模型，分別對天然氣旋流燃燒室內的湍流燃燒與碳黑前驅物生成和甲烷射流燃燒室內的湍流燃燒與碳黑生成進行了數值模擬，得到了與實驗相符合的結果。本項目還發展了可壓縮湍流反應流的直接數值模擬方法，研究了入口擾動數據周期對湍流燃燒直接模擬結果的影響。分別對湍流平面預混火焰和湍流平面射流預混火焰進行了直接模擬研究，獲得了湍流火焰的瞬態特性。利用湍流燃燒直接模擬得到的詳細數據，對湍流燃燒理論模型進行了檢驗，表明了溫度脈動簡化PDF模型的合理性。本項目建立的湍流-碳黑生成反應相互作用的溫度脈動簡化PDF模型，將可用於各類工程燃燒反應裝置內湍流燃燒與碳黑生成的定量計算與預報中。