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学术会议
非平衡等离子体辅助NH3/O2/N2/He点火的动力学模拟
张明明 刘健宇 陈琪*

分会场

高效清洁燃烧

摘要

作为新一代绿色高能燃料,氨气在火力发电等领域有着广阔的应用前景。但是,由于其着火特性较为特殊,因此为其在发动机中的应用带来了挑战。基于此,本文提出了采用非平衡等离子体来提高低温下氨的点火性能这一改善方案;基于等离子体燃烧化学,通过数学模拟研究了纳秒脉冲放电(NSD)等离子体辅助氨气燃料分解、氧化和点燃过程中的动力学作用;提出并研究了控制NH3 / O2 / N2 / He混合气着火过程的详细等离子体燃烧化学机理,包括电子碰撞反应、涉及激发态物质和离子的反应以及氨气燃烧的详细动力学机理;并结合了等离子体动力学求解器ZDPlasKin和燃烧化学动力学求解器CHEMKIN建立了零维仿真模型,来计算点火延迟时间以及关键物质随时间和温度的变化规律。仿真计算结果表明,等离子体对1atm压力下的氨气低温点火具有显著的促进作用,可令混合气的点火延迟时间减少三到四个数量级。进一步研究发现,在约化电场强度50-250Td的仿真区间内,当约化电场强度为100Td时,NSD等离子体对混合气点火的促进效果达到最大值。路径通量和敏感性分析表明,限速反应e + NH3→2e + NH3 +对氨气点火过程具有抑制作用,而促进反应e + O2→e + O + O(1D)则表明等离子体产生的O和O(1D)对点火有重大影响。此外,等离子体可通过电子碰撞分解反应e + NH3→e + NH + H2和e + NH3→e + NH2 + H促进NH3分子裂解为NH和NH2自由基,从而对氨气的点火和燃烧起到显著的增强作用。本工作为研究等离子体辅助NH3点火中的等离子体燃烧化学提供了深入的见解。

关键词

等离子体助燃;氨气;着火延迟时间;动力学模拟;路径

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