等离子体助燃准一维仿真平台构建及验证

论文摘要

作为一种新型的点火助燃技术,等离子体助燃在快速加热气体、减少点火延迟时间、改善火焰稳定性,拓宽燃烧极限,增加火焰传播速率,降低污染物排放等方面显示出了巨大的优势和潜力。为了解等离子体效应与燃烧之间的内在机制,研究人员在开发先进的实验平台、先进的诊断方法、定量实验数据库和动力学模型方面做出了大量的努力。但由于等离子体放电时间(以ns为单位)比典型的燃烧时间(以ms为单位)要短得多,因此等离子体强化燃烧动力学模型的建立仍然存在巨大的挑战。本文在实验室已有计算模型的基础上建立起具有广泛适用性的准一维等离子体助燃仿真平台。并协同搭建实验台,通过实验数据验证了计算平台的准确性。主要研究内容如下:(1)将由一组描述不同物质(中性基团、激发态粒子和带电粒子等)数密度的常微分方程、预测混合物温度的能量方程、Boltzmann方程以及准一维流动方程进行耦合,建立等离子体助燃准一维仿真平台。物质浓度方程与Boltzmann方程的稳态二项展开式耦合,计算等离子体电子能量分布函数(EEDF)。以实验横截面为输入参数,Boltzmann方程求解器迭代求解EEDF,得到电子碰撞激发、离解和电离过程的速率常数。然后使用硬极求解器(LSODE)求解上述方程,计算等离子体和热化学动力学共同作用下,随反应进行沿反应器流动方向上物质浓度的变化。(2)搭建纳秒脉冲放电辅助甲烷裂解/氧化实验平台,设计适用于等离子体助燃动力学模型验证的流动反应器,并进行了实验研究。实验结果用于验证计算平台的准确性。(3)通过查找文献获得等离子体辅助甲烷裂解动力学机理,基于本文构建等离子体助燃平台,研究了纳秒脉冲DBD放电对甲烷裂解的动力学效应。首先对反应过程能量、约化场强、组分浓度和反应路径进行了研究,之后对比实验数据验证计算平台准确性的同时,研究了不同初始温度、放电电压和重复频率对CH4裂解过程的影响。(4)基于本文构建等离子体助燃平台,研究了纳秒脉冲DBD放电下甲烷氧化动力学过程。首先对单一工况下等离子体辅助甲烷氧化动力学过程进行了研究分析。此后对比实验数据研究了不同初始温度、放电电压和重复频率对甲烷氧化过程的影响,进一步验证了计算平台的准确性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 非平衡等离子体
•     1.2.2 等离子体助燃原理
•     1.2.3 等离子体助燃实验研究现状
•     1.2.4 等离子体助燃模拟研究现状
•     1.2.5 等离子体助燃机理的研究现状
•   1.3 研究成果小结及研究方向
• 2 等离子体助燃平台及实验系统简介
•   2.1 控制方程
•     2.1.1 准一维流动方程
•     2.1.2 物质浓度方程
•     2.1.3 Boltzmann方程
•   2.2 计算流程概述
•   2.3 实验系统简介
•   2.4 本章小结
• 3 等离子体助燃平台详细建立过程
•   3.1 准一维流动假设
•   3.2 停留时间的计算
•   3.3 约化场强的计算
•   3.4 反应机理的预处理
•     3.4.1 电子碰撞反应
•     3.4.2 中性化学反应
•   3.5 不同放电方式的处理
•   3.6 本章小结
• 4 基于助燃计算平台的等离子体辅助甲烷裂解动力学研究
•   4.1 等离子体辅助甲烷裂解模型的构建及动力学过程分析
•     4.1.1 模型构建
•     4.1.2 裂解过程电学特性
•     4.1.3 裂解过程主要粒子浓度随时间的变化
•     4.1.4 裂解过程主要物质生成消耗分析
•   4.2 不同初始条件对甲烷裂解的影响
•     4.2.1 初始温度对甲烷裂解的影响
•     4.2.2 不同初始温度下放电电压对甲烷裂解的影响
•     4.2.3 不同初始温度下重复频率对甲烷裂解的影响
•   4.3 本章小结
• 5 基于计算平台的等离子体辅助甲烷氧化动力学研究
•   5.1 等离子体辅助甲烷氧化模型
•   5.2 等离子体辅助甲烷氧化过程动力学分析
•     5.2.1 氧化过程中主要物质浓度随时间的变化
•     5.2.2 氧化过程中主要物质生成消耗分析
•   5.3 不同初始条件对甲烷氧化过程的影响
•     5.3.1 初始温度对甲烷氧化的影响
•     5.3.2 放电电压对甲烷氧化的影响
•     5.3.3 重复频率对甲烷氧化的影响
•   5.4 本章小结
• 6 结论
•   6.1 本文研究内容总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 马学武

导师: 陈琪

关键词: 等离子体,准一维,动力学模型,甲烷转化,甲烷氧化

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,动力工程

单位: 北京交通大学

分类号: TK16;O53

DOI: 10.26944/d.cnki.gbfju.2019.001579

总页数: 97

文件大小: 7328K

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