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随着国际原油的紧缺和越来越严格的发动机排放要求,对替代燃料的研究越来越受到燃烧研究学者的关注。天然气被认为是传统化石能源最清洁和最有前途的替代者,因此获得了广泛研究。甲烷是天然气中最主要的成分,其作为最简单的碳氢燃料,在燃烧中仍存在燃烧速度相对较低,燃烧效率不高,燃烧常规污染物,特别是氮氧化物超标的问题。基于此背景,本文提出对甲烷/空气火焰开展了稀释气体及氢气的掺混燃烧动力学机理研究,以期从基础角度建立天然气高效、洁净燃烧的基础途径。论文通过甲烷/空气层流预混McKenna稳定火焰测试,获得了不同添加条件下的甲烷/空气火焰的温度结构,重点剖析了不同掺混气体对火焰厚度、放热率、火核温度等关键参数的影响;并基于测试所得的火焰温度结构,利用PREMIX火焰模拟软件,研究了掺混氢气及稀释气体后燃烧器稳定层流火焰的动力学变化。本文研究内容及主要结论总结如下:比较研究了氮气和二氧化碳稀释气体对甲烷/空气层流预混火焰的动力学影响。研究了两种不同稀释气体对火焰的最大火焰温度,最大火焰温度梯度,火焰厚度,火焰内焰的平均温度,热放率等特性的影响规律。通过实验和分析发现:由于二氧化碳气体具有更大的比热容,因此其对火焰温度,火焰厚度,火焰内焰平均温度产生了更显著的影响。通过对单个基元反应的放热贡献率进行分析,当量比对在火焰放热方面占主导地位的基元反应的影响要大于稀释气体稀释率的影响。通过更深入的研究发现活性物质的浓度对这些重要基元反应的反应速率有极大的影响。在本文中通过一个特定的公式来描述活性物质浓度与稀释气体稀释率之间的关系。同时二氧化碳对活性物质生成的抑制作用更为明显。最后,本文研究了特定污染物的排放因子和火焰燃烧效率。结论显示:稀释气体的加入能够有效的抑制特定污染物的形成,降低排放因子;但与此同时也降低了火焰的燃烧效率,从整体上分析,加入稀释气体的益处大于损失,但是随着稀释气体稀释率的增加,益处与损失的比例会逐渐降低。研究了添加氢气的化学反应活性对甲烷燃烧的影响。通过构想假定的低反应活性的氢气,运用数据模拟的方法研究标准化学当量比条件下掺加不同活性氢气的预混层流甲烷/空气火焰。在火焰热力学特性方面,本文主要计算了火焰厚度和火焰整体放热率。研究结果表明,真正的氢气可以减小火焰厚度和增加火焰放热率的峰值,并且将放热率曲线向火焰的上游一侧移动。同时本文还对火焰热力学特性进行了大致的比较,结果表明,掺加了2R/8-H的火焰速率与纯甲烷/空气火焰速率大致相当。通过对活性基团分析的方法来进行化学动力学方面的研究,可以发现,2 2R84(OH?H?H?H O)是掺加氢气的甲烷/空气火焰中最活跃的反应路径。氢气主要通过基元反应R84发挥其化学效应,氢气的加入导致H生成的增加以及OH消费量的增加,并因此加速了火焰整体的反应速率。基元反应R38和R84是H、OH和O生成的最重要的反应,氢气的活性是促进火焰燃烧的最重要的因素。