基于OpenFOAM的正庚烷对冲火焰数值模拟研究开题报告

1.1研究目的和意义

在传统和先进的内燃机中，冷焰在点火正时、燃烧速率、燃烧极限、发动机爆震和排放方面起着至关重要的作用。低温燃烧（LTC）能够改善燃油和空气之间的雾化和混合过程，使燃油处于当量比小于2的范围内，达到同时减少碳烟和氮氧化物排放的目的。LTC方式有着广泛的适用范围，极好的适用前景。因此大量的研究人员都开始对这种新型燃烧方式展开了研究。

对冲火焰是一种稳态火焰，在研究燃料燃烧速度、熄灭极限以及火焰结构等方面具有广泛的应用，基于对冲火焰形成的稳定自维持热火焰和冷火焰可为燃料化学动力学机理的验证和完善提供必需的基础试验数据。它为理解火焰结构提供了一个理想的平台，同时也是研究物理和化学扰动对火焰结构影响的理想模型。对冲扩散火焰是可燃物和氧化剂以相反的来流方向在滞止区形成的火焰^[1]，因其为研究纯扩散火焰的结构、估算燃料氧化剂组合的整体反应速率和考察火焰抑制剂的有效性提供了一种合适的方法而受到广泛关注。这种火焰也被用来了解流体混合过程和化学动力学之间的相互作用，这对于可靠计算火焰结构和污染物形成是至关重要的^[2-4]。

选题聚焦于柴油替代物正庚烷的低温冷焰研究，目的在于建立正庚烷的冷焰数值模拟模型，确定形成正庚烷冷焰的初始条件，获取正庚烷的低温燃烧特性模拟数据，进而研究正庚烷的低温冷焰特征研究，以为验证和完善正庚烷低温燃烧化学动力学机理并最终实现对柴油低温冷焰的研究提供支撑。

1.2 国内外研究现状

1815年，Davy在某种可燃有机物中发现了一种温度较低、一瞬而逝的微弱闪光^[5]，这是人们首次观察到冷焰现象。

20世纪20年代和30年代的冷焰研究聚焦于观察烷烃、醚和醛在流量管、流动反应堆和热表面的富燃预混冷焰。Townend等人^[6,7]绘制了各种碳氢化合物的自燃压力-温度图。Pease^[8]发现低温区域（500K~800K）内丙烷和丁烷的氧化过程中存在NTC现象。

1951年，Barusch等人^[9]研究发现，烷基过氧基(RO₂)和过氧氢烷基 (QOOH)参与的化学反应是低温火焰化学反应的主要途径。Bailey和Norrish^[10]进一步研究了己烷在冷焰区的低温氧化动力学。实验结果表明，随着氧浓度的增加，火焰先由冷焰转向两级火焰，最后转变成热焰。此外，还指出中间产物OH、HO₂、RO₂和QOOH自由基在冷焰中发挥了关键作用。紧接着Knox^[11]在1965年提出了包括这些中间产物的低温动力学机理。上述的动力学实验为目前通过RO、QOOH自由基和冷焰中的二次氧添加的低温化学的详细理解奠定了基础。

20世纪70年代Griffiths等人^[12,13]将统一的链热理论应用于含热损失的搅拌和未搅拌静态反应器中的丙烷氧化反应，发现非均匀的温度分布和反应器内的浮力影响反应器的振荡行为。1987年Griffiths认识到冷焰的实质是燃料负温度系数（NTC）化学反应模式下发生氧化反应的过程^[14]。

20世纪80年代和90年代冷焰的研究重点转移到通过使用激波管、快速压缩机、喷气搅拌反应器和流量反应器等实验装置来发展详细的动力学模型，以到达预测LTI的目的。在此期间，正庚烷和其他烷烃的详细动力学模型已被发表^[15-17]。详细有效的低温动力学模型的建立，使均质系统中LTI的准确预测成为可能。

在21世纪初，关于冷焰的研究又出现了许多杰出的成果，特别是在定义中明确地提出了一种自维持的冷焰。有实验通过微重力液滴实验已经能够观察到准稳态的冷焰。此外，通过引入等离子体和臭氧化学敏化，在大气压力实验室环境下建立了自维持非预混和预混冷焰和温焰。湍流燃烧模型也从LTI和发动机条件下的冷火焰传播中得到了启发^[18-20]。在过去的几年中，普林斯顿大学Ju等^[21]通过数值模拟研究发现正庚烷/空气贫燃高温预混火焰在传播过程中，随着压力的升高会逐渐演化成双层火焰结构，即在高温火焰的上游会存在一个向前传播的预混冷焰。随着人们对冷焰的了解加深，以及替代燃料和先进发动机设计的发展，现有研究主要聚焦于利用微热反应器、微重力液滴燃烧、非预混逆流燃烧器和预混逆流燃烧器等试验装置进行冷焰研究。同时利用软件分别对层流和湍流流动下的冷焰进行了研究。

近期，Ju等人^[22]通过控制垂直管式反应器和微反应器的壁温，对三种预混火焰（冷焰、温焰和热焰）的火焰结构进行了研究。研究结果表明压力、温度和燃料分子结构对火焰形态会产生不同的影响，同时为自维持预混冷焰在对冲状态下的实验和相关模拟研究提供了一幅更清晰的关于冷焰观测条件的图像。Eric等人^[23]的研究表明，在高温、中温和低温条件下，存在热焰、温焰和冷焰三种不同的火焰状态。此外，它们由三种不同的链分支反应途径控制。同时，温焰具有双重反应区结构，在冷热火焰过渡过程中起着关键作用。研究还表明，冷焰可以通过几种不同的方式形成:热焰因辐射或拉伸熄灭，或者温焰的拉伸熄灭。Law等^[24]进一步基于对冲火焰模型通过详细数值模拟分析了上述不同预混燃烧模式的形成条件，发现稳定预混冷焰形成需要一个特定的停留时间范围。

尽管过去两个世纪对冷焰的研究取得了进步，但仍存在许多挑战和问题。

其中之一就是柴油替代燃料的冷焰研究问题。因为正庚烷的十六烷值（CN=65）与柴油较为接近，因此以正庚烷作为柴油替代物进行的冷焰研究也十分广泛。由于对冲式冷焰平台是筛选低温反应活性替代燃料的一种新工具^[22]，基于对冲火焰下的冷焰研究更加值得注意。

Won等人^[19]以正庚烷为测试燃料，以对冲方式将臭氧添加到氧化剂流中，通过实验证明了建立具有明确边界条件的自持冷扩散火焰的新方法。虽然成功地建立了正庚烷自维持冷焰，但是实测和计算的扩散冷焰结构的不同表明，现有的正庚烷模型过度预测了正庚烷的氧化速率，放热速率和火焰温度。此外，该模型还高估了形成烯烃的QOOH分解途径，从而导致高估了C₂H₄和CH₄的浓度。

Kolaitis等人^[25]对七个复杂度各异的正庚烷氧化动力学机理进行了比较研究,发现有的机制都能很好地捕获正庚烷的低温氧化的定性特征。然而，在某些情况下，观察到明显的预测差异，简化的机制未能成功地充分描述冷焰区域的特性。由于大多数正庚烷化学动力学模型是针对高温，高压缸内内燃机环境开发的，因此通常可以在这种条件下对其进行“微调”。但通常不能适当地解决低压，低温的氧化现象。

Wang等人^[26]在两个独立的发动机中研究了正庚烷的低温氧化。首次证明了在发动机和理想反应器中，正庚烷氧化生成的中间产物的分布具有相似性。即使对于最常见的参考燃料正庚烷，中间产物的组成比任何模型中所假定的都复杂得多，存在以前未发现的类别，并且这些类别在发动机条件下很重要。

Sohn等人^[27]对正庚烷扩散火焰的冷焰结构进行了数值模拟研究，采用了还原化学方法和对冲小火焰模型。实验中用氮气高度稀释正庚烷燃料，并把少量的臭氧添加到氧气中以增强低温下化学反应的活化来实现冷焰。但是现在还没有精确化学模型以获得冷焰结构的详细特征。从目前的数值数据与实验数据的比较来看，模型过度预测了热量释放和燃料的氧化速率。特别是，没有准确描述形成某些产物的反应途径。又因为冷焰结构及其熄灭在很大程度上取决于低温化学动力学。但现有动力学模型中仍存在大量需要改进的部分，即动力学模型中的低温化学所获取的数据，与实测数据有些许不同。

由上述研究可以看出，对于正庚烷低温冷焰的研究也有很多问题需要解决，其中最重要的就是建立一个更加合理的精确的符合实际的正庚烷低温冷焰模型，以更加匹配实际内燃机的问题。这是急需我们去努力研究的地方。

2.1基本内容

1. 基于OpenFOAM软件，建立正庚烷对冲热火焰和冷火焰数值模拟模型，并根据文献中的试验结果对模型进行验证和完善。

2. 开展正庚烷对冲火焰数值模拟研究，研究形成正庚烷低温冷焰的初始条件，获得其冷焰燃烧数据，在此基础上分析正庚烷低温冷焰燃烧的特征，并与热火焰特征进行对比。

2.2技术方案

拟采用的技术方案及路线：

（1）查阅国内外关于低温燃烧、低温冷焰的文献，对所研究领域的研究目的、研究现状、未来挑战有大致的了解，探究低温冷焰的实验和模拟的研究方法。 （2）学习使用OpenFOAM软件，了解其组成及架构，并在OpenFOAM中建立正庚烷的火焰模型。

第1-2周 完成英文资料翻译；

第3-4周 查阅文献，完成文献综述和开题报告；

第5-6周 掌握扩散和预混对冲火焰的基本原理；

第7-12周 学习OpenFOAM程序，建立正庚烷对冲火焰数值模型并开展研究；

第13-14周 完成毕业设计论文的撰写；

第15周修改提交论文。

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