基于臭氧添加的低温氧化反应动力学实验和模型研究
批准号:
52076116
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
杨斌
依托单位:
学科分类:
燃烧学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨斌
中文摘要
低温燃烧技术的进步依赖于低温化学反应动力学的发展。臭氧掺混辅助燃烧可以在低温区域为体系提供氧自由基,有效降低起始反应温度,增强低温反应活性,将氧化过程拓展到更低温度范围。本项目拟将臭氧发生装置与快速压缩机实验平台结合,将快速压缩机的研究工况拓展到低温高压区域,测量燃料着火延迟时间,并利用气相色谱和超快时间分辨质谱对低温着火过程中的物种浓度变化进行测量;拟将臭氧发生装置与射流搅拌反应器结合,利用同步辐射光电离-分子束质谱诊断方法对氧化过程的中间稳定组分和过氧化物进行定性和定量测量。选取自身低温反应活性弱的含氧小分子如甲醇、乙醇、甲基叔丁基醚,以及支链烷烃如异丁烷、异辛烷为研究体系,在臭氧掺混下对其低温氧化过程中的组分进行全面诊断。基于物种浓度信息,结合模型反应流量分析及敏感性分析,对可能缺失的低温反应路径进行补充,降低反应分支比及反应速率常数的不确定性,最终完善低温化学反应动力学模型。
英文摘要
The development of low temperature combustion (LTC) is based on the understanding of low temperature oxidation chemical kinetic. Ozone addition assistant combustion can increase the low temperature reactivity due to the oxygen radical produced through ozone decomposition. With the help of ozone addition, a low temperature and high pressure condition can be achieved in a rapid compression machine (RCM). Ignition delay time and concentration profile of intermediate species will be quantified based on pressure measurement and gas chromatography/high repetition rate mass spectrometry. To investigate the low temperature behavior in a lower temperature range, an ozone generation and concentration measurement system will be coupled with a jet stirred reactor (JSR). Based on synchrotron vacuum ultraviolet photoionization mass spectrometry (SVUV-PIMS), the mole fraction of low temperature oxidation intermediate species including hydrogen peroxide, alkyl hydroperoxides and ketohydroperoxides will be measured. The program is intended to make a comprehensive study low temperature oxidation behavior of small oxygenate molecular like methanol, ethanol, methyl tert-butyl ether and branched alkanes like iso-butane and iso-octane, which have little low temperature reactivity. Based on the detailed speciation information, together with modeling rate production and sensitivity analysis, the low temperature oxidation pathways and reaction rates will be improved.
低温燃烧技术的发展需要对燃料低温氧化反应动力学具有更深入的了解。臭氧作为一种特殊的强氧化剂,在辅助燃烧过程中可以为低温工况下的氧化体系提供氧自由基,从而有效降低起始反应温度,增强燃料低温氧化活性,得到更低温的着火实验数据。本项目将常见的燃烧实验仪器射流搅拌器(JSR)和快速压缩机(RCM)与臭氧发生及测量系统相结合,搭建了臭氧辅助低温氧化实验平台,并发展了适配该平台的实验方法。在组分诊断方面,除常见的色谱采样方法外,在国际上首次实现了在RCM上的超快时间分辨质谱诊断手段,并通过三聚甲醛的热解过程验证了该诊断方法的有效性。利用臭氧辅助低温氧化实验平台,开展了一系列燃料的臭氧掺混氧化实验,包括乙醇、丙烷以及甲基环己烷,得到了低温下多工况的着火延迟时间和中间体组分浓度数据,补充了相应燃料在低温甚至低于自燃极限温度下的着火数据,并通过模型分析揭示了臭氧促进着火的原理,即臭氧的引入使得反应体系OH自由基池提前积累。对于无法与臭氧掺混的低活性燃料氨气(NH3),采取相同的思路,分别在氧化剂侧和燃料侧添加氧化亚氮(N2O)和氢气(H2)、甲烷(CH4)以提高氨气的低温反应活性。结果表明,这些方式均促进了NH3的着火,N2O和NH3表现出显著的协同氧化作用,而在H2和CH4添加下NH3发生两阶段着火现象。燃料反应温度区间的下移和燃料侧添加剂的引入突出了部分反应的重要性,例如烷烃自由基的低温反应路径和碳氮交互反应,这为模型优化引入了额外的约束。通过反应速率的优化和缺失反应路径的补全,降低了模型的不确定性,给出了不同燃料的优化模型,增强了其在低温区域下对实验数据的预测能力。另外,围绕燃烧反应动力学模型的优化方法,从替代模型与正向不确定性量化、模型优化算法和实验数据聚类及实验设计三个方面发展了新的模型不确定性评估方法和优化算法,极大程度提高了模型的优化效率和预测精度。项目研究期间在高水平SCI期刊发表学术论文总计45篇,EI论文4篇,培养了7名博士生、1名博士后,在国内外学术会议上进行了累计36人次的学术报告。
磷酸三苯酯燃烧的详细化学动力学机理研究
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批准号:52111530049
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项目类别:国际(地区)合作与交流项目
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资助金额:15万元
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批准年份:2021
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负责人:杨斌
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依托单位:
基于同步辐射诊断方法的等离子体辅助燃烧动力学增强机制研究
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批准号:U1832192
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项目类别:联合基金项目
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资助金额:54.0万元
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批准年份:2018
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负责人:杨斌
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依托单位:
基于实验设计的航空煤油燃烧反应动力学模型优化研究
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批准号:91741109
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项目类别:重大研究计划
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2017
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负责人:杨斌
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依托单位:
航空煤油替代燃料反应动力学机理中的不确定性传递机制研究
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批准号:91541113
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项目类别:重大研究计划
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资助金额:70.0万元
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批准年份:2015
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负责人:杨斌
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依托单位:
小分子碳氢燃料在钯/氧化钯催化剂作用下催化点火机理的研究
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批准号:51306102
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:26.0万元
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批准年份:2013
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负责人:杨斌
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依托单位:
中国企业战略领导力研究:集体领导力的理论模型及有效性
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批准号:71232002
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项目类别:重点项目
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资助金额:240.0万元
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批准年份:2012
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负责人:杨斌
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依托单位:
国内基金
海外基金