目前，世界上依然以化石燃料作为主要能源，例如石油、天然气、煤等。而根据2018年的最新数据统计^[1]，就我国目前每日石油消耗498万桶的速度计算，我国石油储量大约还可以使用56年。为了应对资源短缺的问题，对我国的能源结构进行调整，国家发展改革委国家能源局于2016年发布了《能源发展“十三五”规划》，《规划》^[2]指出到2020年，我国非化石能源消费比重要提高到15%以上，天然气消费比重力争达到10%，煤炭消费比重降低到58%以下。

合成气作为一种气体燃料，不仅可以由煤气化得到，也可以通过生物质气化形成，来源广泛，具有广阔的应用前景。由于合成气成分复杂，其基础燃烧特性随气体组成比例的不同会有较大变动。然而，由于氢气火焰的热值低以及CO火焰的稳定性问题，直接将合成气燃料用于工业燃烧室可能需要进一步的研究。天然气由于其储量大、有害排放低、燃料辛烷值高、价格便宜等优点，使之获得广泛的应用。然而，天然气燃烧速度较慢，当其应用于发动机上时，可采用掺入合成气的方式来改善其燃烧。为了为其在发动机内的燃烧模拟和性能优化提供数据基础，本毕业设计拟以甲烷来代替天然气，基于CHEMKIN软件对甲烷–合成气混合物的一维稳态平面火焰进行数值模拟，分析初始条件（当量比、压力、温度、合成气掺混比、合成气成分）对甲烷–合成气预混层流燃烧特性的影响规律。

对于甲烷与合成气的层流燃烧特性目前已有相关学者进行了详细研究。早在20世纪80年代D.L.ZHU^[3]等就对甲烷的层流燃烧特性进行了研究，后来在2000年X.J.Gu^[4]等人利用定容燃烧弹在当量比0.8,1.0和1.2下研究初始温度为300-400K，压力为0.1-1.0MPa的甲烷-空气混合物，推导出Zeldovich数来表示温度对质量燃烧速率的影响，由此基于理论论证，给出了甲烷 - 空气混合物的燃烧速度更一般的相关性。2005年F.Halter^[5]等人在0.1-0.5MPa，298K，当量比0.7-1.2的条件下研究了甲烷掺氢的层流燃烧特性，甲烷 氢气混合物中氢的摩尔分数在 0至0.2之间变化，发现层流燃烧速度随着氢气摩尔分数的增加而增加。

对合成气的研究集中在不同的组分变化和各种参数（压力、温度、当量比）变化对层流燃烧特性的影响上，2007年，Sun^[6]等利用定容燃烧弹测量了298K,加压条件下（1-40atm）H₂/CO/空气混合物的层流燃烧速度, 证明了 H₂ 对CO 火焰具有显著的增强作用。2008年，Ouimetee^[7]等利用本生灯测量了0.1MPa，300K，当量比（0.5-1.2）条件下合成气的层流火焰速度在当量比及初始温度还有压力下的变化。2016年，李洪萌^[8]利用定容燃烧实验台研究了0.1MPa，298K,当量比为1的条件下氢气、一氧化碳及甲烷三组分混合气体的预混火焰燃烧特性，发现甲烷组分增加会降低层流燃烧度而氢气组分增加会促进层流燃烧速度。2019年，Quan Zhou^[9]等人利用定容燃烧弹研究了303 K，当量比0.6-1.5，0.1-0.5MPa下燃料组分和初始压力对H₂/CO/CH₄生物合成气层流燃烧特性的影响，发现氢气和甲烷在层流燃烧度方面影响较大，而一氧化碳在绝热火焰温度方面影响较大，且压力的增加会减小层流燃烧速度。

目前对甲烷掺混合成气的研究相对较少，2008年Tanh Le Cong^[10]等利用JSR（射流搅拌反应器）研究了在1-10atm、900-1400K、从稀燃到富燃条件下添加二氧化碳对甲烷/合成气混合物的影响，得到的动力学模型表明，添加二氧化碳的抑制作用主要来自于CO OH=CO₂ H反应平衡的扰动，而甲烷基燃料中CO的存在则通过增加OH的产量来增加甲烷的消耗速率。2009年Jeong Soo Kim^[11]利用对冲火焰法进行了甲烷-空气预混火焰与合成气-空气预混火焰相互作用的研究，研究发现，甲烷-空气预混火焰对合成气-空气预混火焰的燃烧速度影响不大。同时，通过与合成气预混火焰的相互作用，大大提高了甲烷-空气预混火焰的燃烧速度。2010年刘昌业^[12]等人利用热通量法，在初始压力1atm，未燃混合气初始温度298K，当量比为0.7-1.6范围的条件下研究了LCV1（含体积比为60%的甲烷和40%的 GG-V 生物质气（CO19%,CO₂13.2%,H₂12%,CH₄5.8%,N₂50%）和空气混合物燃烧的层流燃烧速度，发现掺混了一定量的甲烷后，GG-V生物质气的燃烧速度有了显著提高。

此外，由于本次毕业设计拟用CHEMKIN进行数值模拟，因此对甲烷-合成气的化学动力学机理文件也进行了调研，Smith^[13]等人在2000年发布了GRI-Mech，最新的GRI-Mesh3.0包括53种组分，325个基元反应，可用于天然气着火过程和火焰的数值模拟；J.C.Prince, F.A.Williams^[14]在2001年发布了San Diego Mech，于2016年12月24日更新的San Diego Mech包含58种组分，270个基元反应，用于H₂/CO/C1-C4碳氢化合物燃烧过程数值模拟；JUAN LI^[18]、[19]等人在2004年发布了Li mechanism，其中关于CO/H₂O/H₂/O₂, CH₂O，CH₃OH反应机理，包含18种组分，84个基元反应；Wang^[20]等人在2007年发布了USC Mech II，涉及111 种组分、784 个基元反应，可用于氢气/一氧化碳/C1–C4碳氢化合物燃烧过程的数值模拟；Konnov^[21]等在2009年发布了Konnov机理，Konnov_0.6中包括129 种组分、1231 个基元反应，可用于小分子碳氢化合物及其含氧衍生物燃烧过程的数值模拟；Yiguang Ju^[22]、[23]等人在2017年发布了HP-Mech，包括92种组分，615个基元反应，用于高压下C0-C2碳氢化合物及其含氧衍生物燃烧过程的数值模拟。

综合上述文献表明，现阶段对CH₄/H₂/CO混合燃料层流燃烧特性的研究多以合成气为背景^[24]-[28]，甲烷作为合成气中所含的微量成分参与研究，甲烷的含量通常较低^[29]-[36]，因此，有必要对甲烷—合成气混合燃料层流燃烧特性展开研究。

2. 研究的基本内容与方案

目前对高温高压下甲烷-合成气的层流燃烧特性还不够充分，为了改善其在发动机内的燃烧情况，本毕业设计拟使用CHEMKIN软件，模拟分析其在高温（373 K，393 K，413 K），加压（1atm，2 atm，5 atm，10 atm，15 atm，20atm），当量比（0.7-1.5），甲烷掺混比（0,0.25,0.5,0.75,1）条件范围内对其层流燃烧特性进行研究，包括层流燃烧速度的测量，敏感性分析，自由基的浓度分析，基元反应的反应速率分析。主要研究内容有：1、通过建立物理模型、数学模型，选择适合的边界条件及化学反应机理、热力动力学参数，建立一维稳态平面火焰数值模型。2、通过 CHEMKIN 数值模拟软件，建立一维稳态平面火焰数值模型对甲烷-合成气进行数值模拟：研究当量比、初始温度、初始压力、对层流燃烧速度、自由基的浓度分布，基元反应的反应速率的影响。3、通过 CHEMKIN 数值模拟软件，建立一维预混自由传播火焰对合成气进行数值模拟：将合成气与甲烷进行不同比例的掺混，探究掺混比例对于层流燃烧速度、自由基的浓度分布，基元反应的反应速率的影响。4、对数值模拟得到的数据进行敏感性分析，反应路径分析，总结出各因素对于层流预混火焰层流燃烧速度、自由基的浓度分布，基元反应的反应速率的规律及影响。具体实施方案与技术路线如下：