基于量子化学理论的等离子体助燃甲烷燃烧机制研究

发布时间：2017-07-18 18:01

  本文关键词：基于量子化学理论的等离子体助燃甲烷燃烧机制研究

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【摘要】：等离子体助燃方式作为一种被广泛应用的新型助燃方式,在航天、能源、环保等领域占有重要的地位。等离子体与燃烧体系的耦合,对燃烧的热力、动力以及流体方面产生影响,造成了分析等离子体助燃机理的困难,故需结合等离子体物理、等离子体动力学、燃烧动力学、流体动力学,分析等离子体助燃机制以及对燃烧的强化效应。本文采用数值模拟与实验测量相结合的方法,确定等离子体助燃甲烷主要的反应机理,研究助燃火焰的发射光谱,分析等离子体助燃甲烷燃烧的强化机制。 量子化学是描述化学微观反应的学科,本文以量子化学为理论基础,基于已初步探明的等离子体助燃甲烷燃烧的主要反应,利用量子化学计算软件Gaussian分析助燃主要反应路径CH4→CH3→CH2O→HCO→CO→CO2,确定反应O2+H、CH4+OH/O/H,CH3+O和CH20+OH/O/H的反应步骤及反应活化能,绘制反应势能面,获得主要反应的反应机理,并完善等离子体助燃甲烷的主要反应途径。同时利用Gaussian软件分析在等离子体助燃环境下主要基团的热力学性质、结构特点、静电势分布及振动分布,得到主要基团的性质特征。 利用光谱仪测量等离子体助燃甲烷燃烧的火焰,获得等离子体火焰不同部位的发射光谱,由于火焰不同部位包含的粒子不同,造成发射光谱的不同。改变输入功率,研究发射光谱的改变情况,结果表明发射光谱的相对强度随着输入功率的增加而增加。此外利用LIFBASE软件模拟N2+和OH的发射谱线,对比实验测量结果拟合获得N2+和OH随着输入功率变化的转动温度和振动温度。 结合模拟与实验结果,分析等离子体助燃甲烷燃烧的强化机制。结果表明,等离子体的加入致使活性基团浓度增加、燃烧温度提高,增强基团活性并减少反应活化能达到强化燃烧的目的。
【关键词】：等离子体助燃 反应机理 发射光谱 强化机制
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK16
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-25
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-24
• 1.2.1 等离子体助燃研究现状12-19
• 1.2.2 甲烷燃烧反应机理研究现状19-23
• 1.2.3 研究成果小结及今后研究方向展望23-24
• 1.3 本文研究目标及研究内容24-25
• 2 基于量子化学的模拟方法25-39
• 2.1 引言25
• 2.2 量子化学理论25-31
• 2.2.1 薛定谔方程25-28
• 2.2.2 密度泛函理论28-31
• 2.3 势能面31-34
• 2.4 频率分析34-37
• 2.4.1 振动频率的计算34-35
• 2.4.2 热力学能与频率的关系35-37
• 2.5 内禀反应坐标理论37-39
• 3 等离子体助燃甲烷燃烧主要基团的模拟分析39-53
• 3.1 引言39
• 3.2 等离子体助燃甲烷主要反应分析39-42
• 3.3 等离子体助燃甲烷主要基团分析42-52
• 3.3.1 主要基团热力学分析42-45
• 3.3.2 主要基团静电分析45-48
• 3.3.3 主要基团频率分析48-52
• 3.4 本章小结52-53
• 4 等离子体助燃甲烷燃烧主要反应的模拟分析53-79
• 4.1 引言53
• 4.2 氧气和氢原子的反应模拟结果分析53-57
• 4.3 甲烷生成甲基的反应模拟结果分析57-60
• 4.4 甲基生成甲醛的反应模拟结果分析60-64
• 4.5 甲醛生成甲酰基的反应模拟结果分析64-75
• 4.5.1 甲醛与氧原子的反应64-68
• 4.5.2 甲醛与羟基的反应68-72
• 4.5.3 甲醛与氢原子的反应72-75
• 4.6 等离子体助燃甲烷燃烧途径补充分析75-76
• 4.7 本章小结76-79
• 5 等离子体助燃甲烷燃烧的发射光谱特性研究79-103
• 5.1 引言79
• 5.2 发射光谱实验方法79-90
• 5.2.1 发射光谱测试原理79-84
• 5.2.2 发射光谱仪参数的影响84-90
• 5.3 等离子体助燃甲烷燃烧的光谱测量90-100
• 5.3.1 火焰不同部位的光谱分布90-93
• 5.3.2 功率对光谱测量的影响93-95
• 5.3.3 光谱测量N2~+和OH的转动温度95-100
• 5.4 等离子体助燃甲烷强化规律分析100-102
• 5.5 本章小结102-103
• 6 全文总结与展望103-107
• 6.1 全文总结103-104
• 6.2 研究工作展望104-107
• 参考文献107-113
• 作者简历113
• 参与研究的课题113-117
• 学位论文数据集

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：558996