戊烷和异戊烷的热解过程中，激波管/激光对甲烷、乙炔和乙烯的吸收测量外文翻译资料

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物理与光电工程学院

毕业翻译

戊烷和异戊烷的热解过程中，激波管/激光对甲烷、乙炔和乙烯的吸收测量

Muhammad B Sajid，Tamour Javed，Aamir Farooq

Clean Combustion Research Center, Division of Physical Sciencesand Engineering, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Thuwal 23955-6900, Saudi Arabia

Faculty of Mechanical Engineering, Ghulam Ishaq Khan Institute of Engineering Sciences and Technology,Topi,Pakistan

摘要;戊烷异构体是汽油馏分油、压缩天然气和液化石油气的重要成分，戊烷是较大的碳氢化合物的化学动力学机制的有机组成部分。现有的动力学机制因戊烷同分异构体氧化和热解的产物的预测不同而不同。这项工作提供了新种类对比数据来验证和改善戊烷化学模型。在高温热解戊烷和异戊烷过程中测量甲烷、乙炔和乙烯。实验在1400-2100k和近乎1atm压力的激波中完成。甲烷和乙炔用一个操作近8mu;m的量子级联激光器测量，而乙烯用一个操作近10.6mu;m的co2气体激光器测量。双色技术用来消除由大量碳氢化合物引起的宽带干扰。测量数据与现有的化学动力学机制相比较，现有的化学动力学机制低估了甲烷和乙炔的形成而高估了乙烯的形成。

关键词：戊烷，异戊烷，乙烯，乙炔，甲烷，激光吸收

1.引言

燃烧反应机制是由成千上万的反应和数百种种类组成的。这些机制是分等级的由小到大发展的碳氢化合物。对于这些机制的验证，一个跨越广泛的温度、压力和等价比率的可靠的实验测量数据库是至关重要的。这个验证数据主要包括在测量管和快速压缩机中测量的冲击点火延时、在平面火焰或球形容器中测量的层流燃烧速度、在低压火焰中测量的种类数据和在流动反应堆及激起的反应堆中测量的种类。

激波管加上激光吸收诊断能够为化学动力学机制的验证和改进提供高精度数据^[1]。这些包括了在燃料氧化和热解实验中浓度时程的基本反应速率决定和测量。激光测量时高度敏感、种类特定和非侵入性的。点火延时实践是好的全球燃料反应性指标；然而，种类的浓度测量提供严格目标来显著的改善反应机制。之前激波管/激光吸收测量的进行使用紫外和红外激光器，并且吸收诊断已经对几个稳定的物种、中间体和激进分子演示了。CH₃^[2]、OH^[3]、CH₂O、 CH₃CHO^[4]的紫外吸收测量已经被报出。可调谐二极管激光器已经被用来测量那些在近红外波长区由振动带的种类；这些包括水、甲烷、乙炔和二氧化碳^[5-8]。在QCL量子级联激光器技术的最新进步已经提供了获得较强的位于中红外波长区域振动带的途径。那些在冲击测量管中使用QCL量子级联激光器测量的种类包括一氧化碳、二氧化碳、水、甲烷、乙炔和过氧化氢^[9-13]。

普通的正戊烷在室温和大气压力下是存在于液相的最小的直链烷烃。它有两个其他的同分异构体，即异戊烷和新戊烷，在室温和大气压力下，一个是液体，一个是气体。激波管对戊烷和异戊烷的点火延迟时间测量已经报道出^[14,15]。Ribaucour等人^[16]使用快速压缩机报道出点火延时数据并且也为戊烷异构体制定出详细化学动力学机理。此外，戊烷化学式包含在大机制中的，如Mehl^[17]等的汽油替代机制和韦斯特布鲁克^[18]的C₈-C₁₆正烷烃机制。

图 1 戊烷热解过程中生成的主要种类.初始条件：T=1600K，P=1atm，3%戊烷/Ar混合物.张等人的模型

甲烷、乙炔和乙烯是很小的碳氢化合物并且这些也是在燃料热解和氧化过程中重要的中间物种。图一显示了戊烷在1600K热解过程中产生的六种主要产物的模拟摩尔分数。很明显，甲烷、乙炔和乙烯是在正戊烷热解过程中产生的最主要的中间产物。图二显示了张等人^[19]和韦斯特布鲁克等人^[18]的化学机制的预测种类比较。可以看出在两种机制的预测之间有一个显著的差异。因此，用激波管/激光吸收方法测量这些种类对于理解机制的不同和改善戊烷化学可能非常有用。应该指出的是，韦斯特布鲁克等人^[18]的机制不包括燃料分解反应的压强依赖，因此，它不适合与当前高温热解实验对比。

图 2 张等人（实线）与韦斯特布鲁克等人（虚线）的种类时程图比较.初始条件与图1相同

在这项工作中，我们对于专注热解实验有几个原因。首先，相对于氧化实验，热解实验发生在相对较小的温度和压力变化。因此，实验数据可以用一个恒定体积的反应器充分建模。其次，与燃料氧化相比，其他种类的光谱干扰不算什么问题。最后，燃料热解确实与非预混火焰和富油预混合的系统相关。在正戊烷和异戊烷的高温热解过程中，这项工作说明了三个重要中间物种（甲烷，乙炔和乙烯）的对比测量。燃料结构的在中间物种形成中的影响也是突出的。

1. 实验的细节

2.1激波管装置

测量在阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）中一个氦驱动、电抛光、低压激波管设施中完成。激波管内径14.2cm，驱动部分长9.1m。驱动部分长度调节最多能够达到9.1m。在当前的研究中，驱动部分有一个4.5米的长度，高纯度氦气体被用来作为驱动气体。由聚碳酸酯构成的膜片用来分离驱动部分和驱动气体。驱动部分连接机械和涡轮分子泵来完成一个约10⁶托出气率的极限压力，而这二个出气率是每分钟10⁵托。Baratron高精度压力传感器在激波管中用来测量震前混合物压力。连接四个超快的频率计数器（350MHZ-Agilent53220A）的五个PCB113B26压电压力传感器被用来得到轴向激波速度剖面图，驱动部分在端壁的入射激波速度是由速度剖面图的现行外推决定的。速度衰减率小于每米0.8%，计算端壁冲击速度变化的误差百分比在0.07%到0.2%之间。反射激波状态用一个利用兰金雨贡纽关系的MATLAB内部代码计算和冲击波速度测量。用于计算的热力学参数取自桑迪亚热力学数据库。从位于端壁2cm的压电陶瓷压力传感器用来监测地层压力。所有的激光诊断都位于轴向位置的2cm。这个激波管设施的更多细节能在其他地方找到^[20,21]。

图 3 实验装置原理图.四个光学窗口中展示了激波管横截面

2.2QCL量子级联激光器对甲烷和乙炔的吸收

用于甲烷和乙炔检测工作中的这个连续波外腔量子级联激光器以前用过了对过氧化氢的检测和乙炔光谱学^[11,22]运用。吸收特性接近1303.5cm^minus;1和1275.5cm^minus;1分别被选来测量甲烷和乙炔。当有干扰种类的最低吸收时这些波长区域被选来提供目标种类的强烈吸收。双色/微分吸收技术在这里用来消除较大的碳氢化合物分子的吸收干扰。在这个技术中，吸收测量在目标种类的波峰和波谷的吸收特征中完成。这有助于消除来自在波峰和波谷有近乎恒定吸收截面的宽带吸收器的干扰。乙炔在线和离线的测量分别在1275.5114cm^-1和1275.4535cm^-1完成，而甲烷的在线和离线的测量则分别在1303.5608cm^-1和1303.4517cm^-1完成。这些频率被仔细的选择来将光谱干扰降到最低。甲烷和乙炔吸收截面的测量细节之前已经报告出^[20]。图3所示是这项研究中实验装置的原理图。

2.3二氧化碳气体激光器对乙烯的吸收

可调谐二氧化碳气体激光器是通过测量乙烯峰值附近q部门转变为10.532mu;m以及远离峰值时转变为10.675mu;m时来测量乙烯浓度时程。这个双色策略消除了来自其他在乙烯线吸收峰分子的干扰。更多乙烯吸收横截面的检测和测量在先前的研究中可得到^[23,24]。

2.4测量不确定度

我们测量的不确定度源于几个来源。其中包括计算的反射冲温度、被测量物种的截面吸收、其他吸收种类的干扰和被测量的的发射激光频率。每个测量种类的整体不确定性通过结合上述所带来的不确定性来源来计算为欧几里得范数。举个例子，测量甲烷组成的整体不确定度：12%（来自其他种类的干扰），3%（横截面的甲烷），2%（反射前冲击条件），6%（激光频率）和5%（多方面的来源如热力学数据，模型机制温度时程）。因此，整体的不确定性被测量为（12² 3² 2² 6² 5²）^0.5=14.76-15%。甲烷、乙炔和乙烯摩尔分数总的不确定性的计算分别估计为plusmn;15%，plusmn;18%和plusmn;10%。

共模抑制方案被用来减少激光强度波动的影响。稍后讨论，完成在线和离线测量来消除较大碳氢化合物的干扰。既然在线和离线测量不能同时进行，单独的实验进行来收集这些数据。在线和离线反射冲的温度相差小于10k。

3.气体动力学模型

图 4 （a）两种不同气体动力学模型的模拟温度的下降.(b)两种气体动力学模型的实际压力曲线和模拟压力曲线的比较.条件：T=1624K，P=1 atm，3%戊烷/Ar混合物.张等人模型

热解实验在本质上是吸热的并且在实验过程中会导致显著的温度和压力的下降。这些温度和压力的变化在种类时程测量中必须量化和说明。图4块模拟了温度和压力在3%戊烷/Ar混合物热解中的下降。在1ms中可以看到300k的温度下降。既然甲烷、乙炔和乙烯展示了温度和压力的依赖，温度和压力的改变就必须考虑进去来精确的测量吸收信号转换为种类摩尔分数。

激波管实验通常被认为遵循简单的恒容（CV）气体动力学模型。然而，先前的研究^[25]认为，激波管不表现为一个恒定体积反应丢，特别是当系统发生吸热的变化。因此，当发生热解反应时能够模拟温度和压力变化的气体动力学模型，确定这样一个合适的气体动力学模型很重要。恒容和恒压被认为是在激波管进行热解反应的两种极限情况。恒容模型假定激波管作为一种有着刚性边界的反应堆，因为不包括任何在实验中可能引起的扩张或收缩。另一方面，

恒压模型允许建模无约束边界激波管，在这个激波管中，可能会扩张或收缩以保持恒定的压力。

图4（b）显示了在一个热解测量中实验压力跟踪的记录，可以看到在反射激波的到来之后压力的显著下降。也可以看到在热解实验的过程中，恒容模型更好的抓住了压力下降的发生。图4（a）表明，恒容和恒压模型获得温度的下降时相似的，尽管恒容模型预测略大的温度下降。在当前的工作中，我们已经使用恒容模型来获得温度降和压降去计算时变实收横截面，而这个横截面是用来测量吸收信号转变为种类摩尔分数时程。

4.结果与讨论

在正戊烷和异戊烷的热解过程中，甲烷、乙炔和乙烯的时程测量在这里介绍。这些实验的完成使用了3%正戊烷/Ar 和3%的异戊烷/Ar混合物。测量是在1400-2100k的温度差和近1atm的压力下完成的。在每种燃料的热解过程中，三个代表跟踪在每个测量的种类部分给出，这些测量的资料与张等人^[19]的机制相比较，并且为了了解主导的反应堆做了仔细的分析。虽然这种机制为正己烷开发，但是它包含了戊烷异构体的详细化学，包括单分子分解戊烷异构体和烷基自由基的反应的减少参数。

4.1甲烷浓度时程图

图5显示了在戊烷裂解过程中，在1664-1935K的温度范围内和1atm的压强

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