近可燃极限预混气体的点火机理与火焰传播特性

近年来，近可燃极限预混气体被广泛应用于研发高性能内燃机和微尺度燃烧器之中。同时，阻止近可燃极限预混气体的燃烧也是火灾防范和灭火方面的重要问题。然而,国内外目前尚无关于其点火与火焰传播方面的基础研究。近可燃极限预混气体有着高火焰厚度、高点火能、高活化能、低化学反应速率、低火焰传播速率、低火焰温度等特性，而在这些极端情况下的传统点火与火焰传播理论还很不成熟，因此非常有必要完善和发展该方面的理论。本项目将以内燃机、微尺度燃烧器和火灾安全为应用背景，采用理论分析、数值模拟和实验相结合的研究手段，对近可燃极限预混气体的点火机理与火焰传播特性开展系统的研究，在燃烧理论、研究方法、应用基础等方面取得进展。本项目将建立关于近可燃极限预混气体点火与火焰传播的基础理论，揭示高压、微尺度以及微重力环境对近可燃极限预混气体点火与火焰传播的影响，研究结果可为近可燃极限预混气体的实际应用提供重要的理论基础和依据。

本项目以内燃机、微尺度燃烧器和火灾安全为应用背景，采用理论分析、数值模拟和实验测量相结合的研究手段，按照计划任务书对近可燃极限预混气体的点火机理与火焰传播特性开展了系统的研究，在燃烧理论、研究方法、应用基础等方面取得了一定的成果。通过渐近理论分析和数值模拟，系统地研究了近可燃极限预混气体点火后初始火焰核的传播过程，发展了描述不同燃料临界点火尺寸与最小点火能的理论，揭示了临界点火尺寸与最小点火能之间的关系。研究了热辐射对近可燃极限预混气体火焰传播过程的影响，建立了考虑热辐射的球形火焰传播理论，揭示了由热辐射带来的直接影响和间接影响：直接影响指的是辐射热损失会降低火焰温度，从而降低火焰传播速度；间接影响指的是辐射热损失导致的冷却会引起逆向火焰传播的流动，从而降低火焰传播速度。对近可燃极限预混气体，直接影响起主导作用。在理论分析中引入了涉及自由基的链支化反应与链终止反应，建立了基于两步化学反应模型的点火与火焰传播理论，研究了热点火过程、化学点火过程以及两者间的差异。基于发展的球形传播火焰理论，推导出了描述火焰传播速度随拉伸率变化的线性与非线性模型，在此基础上研究了各种模型的准确性及其在球形传播火焰法中的应用情况，分析了不同模型和不同火焰半径范围对确定近可燃极限预混气体层流火焰速度和Markstein长度的影响。通过数值模拟研究了不同稀释气体(氦气、氩气、氮气和二氧化碳)对氢气/空气与甲烷/空气混合物点火过程的影响，分析了添加稀释气体改变混合物最小点火能的热力学效应与火焰动力学效应。发展了模拟近可燃极限预混气体点火与火焰传播的高效精确算法：高维模型重现方法和动态自适应机理方法，采用这两者算法能够在确保计算精度的前提下将计算速度提高一个量级，可以极大地提高近极限燃烧模拟的计算效率。采用球形火焰法测量了不同燃料(合成气、正葵烷、异丙基甲苯)的层流火焰速度，研究了这些燃料的点火与火焰传播规律。本项目发展和完善了近可燃极限预混燃烧的基础理论与计算方法，研究结果为近极限燃烧的实际应用提供了的理论指导和依据。