摘 要

本文借助开源流体力学计算软件OpenFOAM模拟得到了DME扩散对冲冷焰。首先在当量比0.6-2.0时，对初始温度为400 K，点火温度800 K的DME扩散冷焰进行了数值模拟，研究了火焰位置和火焰温度与名义当量比的关系，研究结果表明名义当量比会影响火焰位置，使火焰发生偏移。然后，本文在其他初始条件不变的情况下改变点火温度，模拟了名义当量比为1时,点火温度为900、1000 K的DME扩散冷焰。结果发现低温燃烧具有NTC现象，点火温度影响化学反应的初始阶段OH基团浓度。最后，本文对比分析了冷、热焰的燃烧特性，对两者不同的火焰结构进行了分析比较。结果显示冷、热焰的主要燃烧产物和分布位置有所不同。通过上述研究，本文探究了低温冷焰的部分燃烧特性，所得结果对于探究发动机燃烧过程，了解低温化学具有一定意义。

关键词：低温燃烧；冷焰；数值模拟；对冲火焰

Abstract

The diffusion counterflow cool flames of DME are numerically investigated by using an open source CFD software-OpenFOAM. First of all, with the initial temperature of 400 K and the ignition temperature of 800 K, the flame temperature and location of diffusion cool flames are studied at the nominal equivalent ratio between 0.6-2.0. The present study shows that with the nominal equivalent ratio increasing, the location of diffusion cool flames changed. Next, increasing the ignition temperature to 900 K and 1000 K and keeping all other initial conditions unchanged, the DME diffusion cold flame with nominal equivalent ratio of 1 was simulated. It show that the concentration of OH decreases with the increasing of the ignition temperature at the beginning of the ignition. In fact, this decrease suggests the negative temperature coefficient(NTC) in low temperature combustion. Finally, the characteristics of combustion on both cool flames and hot flames are studied, and the structure of cool flames and hot flames are compared. It is found that the main products and their positions are different. The present study discussing low temperature combustion characteristics of cool flame in some aspects, the results make sense for the exploration of engine combustion and understanding of low temperature chemistry in a way.

keywords：low temperature combustion; cool flame; numerical modeling; counterflow flames

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 2

1.3 研究内容 3

第2章 DME扩散对冲冷焰模拟方法 4

2.1 几何模型 4

2.2 控制方程 4

2.3 热物理模型 5

2.4 初始参数设置 6

第3章 DME扩散对冲冷焰特性分析 9

3.1 冷焰的判断 9

3.2 温度场与速度场分析 10

3.2.1 温度场 10

3.2.2 速度场 12

3.3 火焰结构 13

3.4 点火温度的影响 17

第4章 总结与展望 19

4.1 总结 19

4.2 展望 19

参考文献 20

致谢 22

第1章 绪论

1.1 研究背景

人类文明的发展和演化就是一个对火焰和燃烧不断理解和控制的过程。从远古时代，人类利用火来驱赶野兽，烹饪食物，到工业革命后，人们用火发电，利用燃烧产生的动力逐渐改变了世界的面貌。也是因此，人们对火焰和燃烧的的兴趣一直十分浓厚，有无数学者在这方面不断开拓、探索，使得火焰和燃烧的本质一点一点呈现在人们面前。

在实际的燃烧过程中，除了中、高温燃烧外，还存在低温燃烧现象。例如具有二阶段着火特性的发动机，启动阶段燃料会发生两次点火过程，在第一阶段着火过程中，火焰温度一般不超过900 K，伴随着微弱的光芒，此时燃料燃烧为不完全燃烧，生成不完全燃烧产物。此时发动机内发生的就是低温燃烧过程^[1-4]，燃烧生成的火焰就是冷焰。

冷焰的存在影响着人们的生产生活。包含上文提到的具有二阶段着火特性发动机的第一阶段点火过程，由于冷焰的生成产物为不完全燃烧产物，因此低温点火过程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^[1-4]。此外，冷焰还会影响发动机敲缸^[5]，敲缸是发动机的一种不正常燃烧过程，会导致燃烧室内压力过高，损害发动机。在工业生产中，对于具有低温化学性质的工业燃料，冷焰会延长其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^[5-6]。由此可见，了解冷焰对于探究发动机敲缸及用火安全方面起着重要作用^[1,2,6,7-8]。进一步来说，只有了解了冷焰和低温燃烧特性，才能了解生产生活中涉及到冷焰的诸多问题，探究解决方案。

探究燃料的低温燃烧特性，旨在解决实际生产生活中的问题，目前涉及到的包括柴油机的点火燃烧及安全用火问题。二甲醚分子结构简单，具有低温燃烧特性，内外学者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。基于以上原因，本文选用DME作为探究对冲扩散冷焰的研究对象。

目前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^[1,6-7]，较少采用OpenFOAM。Chemkin是一个封装好的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，但是不能添加核心算法。对于其中的对冲火焰模型，它的点火无需自己设置，但是由于点火温度较高，会生成热焰，因此这种方法存在一定的局限性。OpenFOAM^[4,9-10]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模拟不仅能改变燃料的点火温度，而且能够更加准确深入的探究冷焰燃烧过程相关问题。本文的模拟也是基于OpenFOAM软件的基础上进行研究。

1.2 研究现状

自发现冷焰以来，国内外学者开展了一系列试验和数值模拟来观察冷焰形状，探究冷焰特性。这些试验包含加热燃烧器试验^[11]，搅拌反应器试验，加热型流式反应器试验^[12]，快速压缩机试验，对冲火焰试验等^[2,5-7,13]。

张伟阔等人^[1]运用Chemkin，对一维预混条件下的二甲醚进行了数值模拟，利用一个热点点燃预混燃料生成了前导冷焰和热焰，通过对前导冷焰和热焰不同时刻所处的位置分析，研究了两级点火过程中冷焰的热演化和速度演化过程。模拟发现，热焰的速度比冷焰快得多，并且热焰最终会与冷焰融合。同时，张伟阔等人还研究了部分因素对低温点火过程的影响，研究发现热点温度不会影响冷、热焰的传播速度，但是点火温度过高可能导致无法生成前导冷焰；此外，随着当量比、初始温度和氧浓度的增加，冷焰传播速度会提升。

张帆等人^[4]运用OpenFOAM，模拟了正庚烷在RATS燃具上的预混湍流火焰，结果发现，低温点火的过程中，燃料氧化受到初始温度和流速的影响，从而影响湍流燃烧速度，伴随着初始反应温度的不断升高，湍流燃烧逐渐由反应冻结区过渡到低温点火区^[4]。

目前关于低温冷焰特性的研究主要集中在国外。Hajilou等人^[8]对添加臭氧的预混二甲醚进行了试验研究，借助Hencken燃烧器生成了均匀稳定的层流冷焰，利用数值模拟进行佐证，研究了从贫燃区到富燃区冷焰传播速度、温度与当量比的关系。研究结果发现，在当量比0.4-1.4的范围内，燃烧生成的冷焰峰值温度随当量比的增加而降低，在当量比0.6-1.4的范围内，冷焰传播速度随当量比的增加而降低。

Oshibe等人^[12]运用加热型流式反应器研究了二甲醚低温条件下的多级氧化过程。试验发现，流速对结果存在一定影响，在低速区可以观察到稳定的冷焰，观测到低温冷焰的光是由于燃烧生成了甲醛。此外，Oshibe等人还分析了多级氧化过程中热释放率的变化以及各级氧化过程中火焰结构的变化。

Ju等人^[6]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^[7]详细分析了压力为1、1.5、2、4和20atm时稀薄燃烧区冷焰的变化，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，研究了稀释度、计算域和热损失等因素对冷焰温度和速度的影响。

以上对DME研究发现在预混条件下可以获得稳定维持的冷焰，但在扩散条件下的研究尚不完善，对于扩散冷焰的研究，内外学者大多采用正庚烷作为研究材料。Won等人^[14]通过添加臭氧获得了可稳定维持的正庚烷对冲射流扩散冷焰，探究了稀释度，拉伸率和臭氧浓度对低温燃烧特性的影响。Katta等人^[13]通过试验和模拟的方法获得了可以稳定维持的正庚烷对冲射流扩散冷焰，探究了点火温度对火焰的影响和冷焰结构，该试验是通过加热空气来点燃燃料，研究发现在点火温度对试验结果有影响，当点火温度在某一温度范围内时，燃烧生成冷焰，当点火温度超过某一值时，燃烧生成热焰。

由上可知，DME可以在预混条件下生成稳定的冷焰，正庚烷可以在扩散条件下生成冷焰，DME是否也能在扩散的条件下生成稳定的冷焰是本文主要研究内容。

1.3 研究内容

为了研究DME是否也能在扩散的条件下生成稳定的冷焰，首先建立OpenFOAM对冲平面火焰模型，研究在不超过1000K的点火温度下能否生成稳定的冷焰。然后，进一步研究DME扩散冷焰的燃烧特性，包含火焰速度、火焰位置、火焰结构，以及不同初始当量比下的火焰温度，同时，模拟一组热焰，与冷焰模拟结果进行对比分析。最后，改变点火温度，分析点火温度对DME扩散冷焰火焰传播特性的影响。利用reactingFoam求解器进行求解，利用paraview后处理软件处理分析结果。

本文旨在利用OpenFOAM软件建立DME的扩散火焰数值计算模型，并获得可稳定维持的对冲冷焰；在此基础上，揭示DME扩散冷焰传播特性参数的规律，探究当量比与冷焰温度、冷焰位置的关系，同时探究冷焰结构，从而更好地了解冷焰的燃烧特性，为进一步深入地试验研究冷焰和低温化学打下基础。

第2章 DME扩散对冲冷焰模拟方法

本文旨在构建DME扩散对冲冷焰的数值模型以及对DME扩散冷焰传播特性的研究。本章介绍了几何模型、控制方程、热物理模型以及模拟的具体初始条件。

2.1 几何模型

图2.1 几何模型简图

本文利用OpenFOAM采用有限容积法，模拟在不考虑重力的条件下求解，物理模型简图如图2.1所示，计算求解区域包含一个20 mm × 20 mm的二维平面区域，顶部通入的是燃料（CH₃OCH₃）和稀释气体（N₂），底部通入的是氧化剂（O₂）和稀释气体（N₂）。内部场有一个初始温度（即点火温度），起到点火作用。外部场环绕的是氮气，温度与燃料、氧化剂侧初始温度相同，可以减少热损失的作用。模型以燃料边界中点和氧化剂边界中点作为中轴线，以燃料边界与中轴线的交点为坐标原点O，沿中轴线方向分布为x方向，燃料侧位于x = 0处，氧化剂侧位于x = 20 mm处。由于对冲火焰可以看做是一个定x值的平面，沿x方向上分布的温度、组分浓度、密度等分布与y值无关，所以可以将二维模型简化为一维模型^[15]，选取中轴线上的火焰温度、物质组分等对象来研究低温燃烧特性。

2.2 控制方程

连续性方程^[15-16]：

其中定义函数：，u是x方向上的流速，v是y方向上的流速。

动量方程^[16]：

能量方程^[15-16]：

是第i种组分质量分数，是单位体积第i种组分的摩尔生成速率，是第i种组分的焓值。是组分的扩散速度，，为热扩散系数，是有效质量扩散系数，。

组分方程^[15-16]：

其中是第i种组分摩尔质量。

2.3 热物理模型

OpenFOAM通过压力-温度体系建立热物理模型，并通过这个体系求解其他物理参数值。OpenFOAM预定义了大量的热物理模型库及相关的状态方程，用户可以在这一基础上利用关键词指定所需的热物理模型。相关设置包含：type、mixture、transport、thermo、energy、equationOfState。

其中，对type指定热物理模型库hePsiThermo，该关键词是调用了固定组份基于可压缩性ψ = （RT）^-1的模型库psiThermo和基于可压缩性ψ的反应混合热物理模型库psiReactionThermo。燃烧过程中，由于对冲火焰模型属于发生化学反应的变组份混合模型，所以对mixture指定reactingMixture，组分和具体的反应过程需要定义相关的机理文件，本文选用的是LLNL实验室的DME机理，该机理包含79种组分，350步反应。transport指代的是输运模型，需要计算μ、κ以及扩散率，OpenFOAM中可选的输运模型包含三种：const、sutherland、polynomial。本文选用的是sutherland，需要通过温度sutherland系数As、Ts计算粘度，如式（2.5）。

热动力学模型选用janaf，从JANAF表选择参数，通过温度的函数计算c_p，如式（2.6），其中a₀到a₄均为JANAF热力学表中的参数。

由于模型不包含热源，energy选用sensibleEnthalpy，相关的焓值公式为：

equationOfState选用理想气体状态方程：

2.4 初始参数设置

首先，本文探究不同初始当量比下的低温燃烧特性。结合Ju等人^[7]研究发现，在压力为2 atm时，燃料能在较宽的当量比范围内发生低温氧化，同时随着当量比变化，研究的因变量变化趋势较明显，因此，模拟在2 atm的条件下进行。燃料侧通入流速0.1 m/s，初始温度为400 K的燃料（CH₃OCH₃）及稀释氮气，摩尔稀释比为4。氧化剂侧通入的是流速为0.1 m/s，初始温度为400 K的O₂/N₂，通过改变氧化剂和氮气的稀释比例来调整燃料和氧化剂的初始当量比，并设定初始当量比在0.6-2.0之间，以0.1间隔为一组进行模拟，这里的当量比是一个名义当量比，只是用来表明燃料和氧化剂的相对比例，并不能表明燃烧区域的当量比是多少。点火温度800 K，外部场温度400 K。

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