1．目的及意义

1.1 研究背景

探究低温化学对于研究发动机的燃烧过程、了解用火安全问题起着关键作用。二级点火发动机的第一阶段着火过程中，燃料会发生低温化学反应，产生一种微弱的淡蓝色火焰，即冷焰。由于冷焰的生成产物为不完全燃烧产物，且伴随一定的温升，因此会改变燃料组分及化学特性，对第二阶段燃烧及发动机整个燃烧过程产生一定影响。此外，冷焰会降低燃料的自燃温度，使得末端混合气在火焰锋面到达前会形成多个火焰核心，发动机因此产生爆震。冷焰的存在对发动机产生不利影响。除此之外，具有低温化学性质的工业燃料，冷焰会延长富燃料区可燃性极限，降低燃料着火温度，使燃料在低温缺氧条件下也可以燃烧，增加了燃料的安全隐患。由此可见，了解冷焰对于探究发动机爆震及用火安全方面起着重要作用。柴油发动机燃料组分复杂，主要成分为C₁₂-C₁₈的链烷烃，环烷烃和芳香烃，分子量大，结构复杂。碳原子数越多，化学燃烧机理也越复杂。直接利用柴油探究低温冷焰问题难度较大，二甲醚分子结构简单，具有低温燃烧特性，国外科学家广泛将其作为柴油低温燃烧的替代燃料，探究其低温燃烧特性。

从国内外燃烧研究来看，高温热焰研究时间较长，燃烧原理较为简单，燃烧产物较为单一，相关方面理论研究较为成熟。相较而言，低温冷焰发现较晚，反应机理、生成产物等相对复杂，这方面的研究尚不完善，冷焰的研究在近十几年才有较大突破。科学家开展了一系列实验和数值模拟来观察冷焰形状，探究冷焰特性。包含加热表面和加热燃烧器实验，搅拌反应器实验，加热流动反应器实验，快速压缩机实验，对冲火焰实验等。这些实验定性地解释了冷焰的燃烧特性，结合数值模拟，得到了冷焰具体的燃烧特性参数。

1.2 研究现状

目前关于低温冷焰特性的研究主要集中在国外，国内研究主要集中湍流燃烧中的低温化学，很少单独对低温冷焰燃烧特性进行研究。Hajilou等人采用层流平面火焰 Hencken 燃烧器，对添加臭氧的自由传播预混二甲醚冷焰进行了实验探究，利用数值模拟进行佐证。探究了冷焰传播速度、温度与当量比的关系。张伟阔等人运用Chemkin，对一维预混条件下的二甲醚进行了数值模拟，探究了两级点火过程中冷焰的热演化和速度演化过程，同时研究了演化过程的相关影响因素。Ju等人运用Chemkin，对一维、稳态自由传播的二甲醚预混冷焰进行了数值模拟。探究了二甲醚自由传播过程中三种火焰（高温火焰、中温火焰和冷焰）的火焰速度、火焰温度与当量比的关系及冷焰熄灭极限相关问题。之后Ju等人详细探究了稀薄燃烧区当压力为1atm，1.5atm，2atm，4atm和20atm时冷焰的变化，发现压力变化对冷焰的存在范围、高温火焰熄灭极限及冷焰向高温火焰转换极限存在较大影响；同时探究了稀释度、计算域和热损失对冷焰的影响。这些研究对本课题具有一定的参考价值。但是由于Chemkin只是一个子程序库，在求解过程中存在一定局限性，不能很好地了解燃烧反应的具体求解过程。

张帆等人利用OpenFOAM建立数值模拟模型，模拟RATS燃具内的湍流燃烧模型，研究了正庚烷湍流燃烧中低温冷焰的存在对湍流火焰的影响，由于低温冷焰的存在，导致一级点火过后，燃烧室内压力快速增长，反应生成的产物促进了湍流燃烧反应，提高了湍流火焰速度。这些研究主要是从低温反应对湍流燃烧的影响的角度进行分析，没有探究冷焰本身的性质及火焰结构。

1.3 研究目的及意义

通过上述现状发现，对于冷焰的燃烧特性相关研究主要是运用Chemkin进行数值模拟，较少采用OpenFOAM进行模拟，运用OpenFOAM也多是探究低温反应对湍流燃烧的影响，极少探究冷焰的相关燃烧性质和火焰结构。Chemkin是一种求解化学燃烧反应的子程序库，它包括21种基本的化学反应模型，能较好解决常规问题，但是对于具体的某一个化学反应不能结合具体条件修改模型，不能添加核心算法，所以Chemkin存在一定的局限性。OpenFOAM是一种开源的流体力学计算软件，可用于化学反应流体计算和燃烧计算等方面，广泛运用于研究湍流燃烧过程，采用OpenFOAM模拟能够更加准确深入的探究冷焰燃烧过程相关问题。本课题旨在利用OpenFOAM软件建立DME的扩散火焰数值计算模型，并对其进行验证；在此基础上，揭示DME扩散冷焰传播特性参数的规律，从而更好地了解冷焰的燃烧特性，得到更加吻合的模拟数据和研究方法，为进一步深入地探究冷焰和低温化学打下基础。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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2.1研究目标

基于OpenFOAM建立DME扩散冷焰的数值模型；揭示DME扩散冷焰传播特性参数的规律。