烷烃燃烧过程的详细动力学机理研究

The combustion of the fossil fuel plays an important role in national defense and our daily life. A deep understanding about the combustion mechanism make sense to the reduction of the pollution, it has become the focus of study in recent years. Due to the complexity of the combustion process, we did not have a clear understanding about the detailed combustion mechanism of conventional fuel. Therefore, this project plans to employ the quantum chemical calculation and reactive molecular dynamic simulation method to carry out a comprehensive research of the detailed kinetic mechanism of the combustion of single and blended hydrocarbon fuel. Through combine these two methods together, we can provide the accurate kinetic date that relevant to the alkane pyrolysis and combustion. On the other hand, by analyzing the dynamic evolution process, as well as the dynamic correlation of the intermediates and elementary reactions during the whole combustion process, we can get the detailed combustion mechanism of hydrocarbon on the atom level, especially the middle reaction mechanism. Clarify the effect of the fuel structure, the fuel composition, pressure, temperature and other factors on the combustion process. Provide theoretical support for experimental synthesis of new fuels; improve the combustion efficiency and new automotive engine design.

化石燃料的燃烧在社会生活、国防、军事等方面发挥着不可替代的作用。对基础燃烧过程及燃烧机理的深入认识对节能减排意义重大，已成为近年研究的焦点。但由于燃烧反应复杂性，众多常规燃料的详细燃烧机理尚不清楚。本项目拟使用量子化学结合基于反应力场的分子动力学模拟等多尺度研究方法，对单一组分、多元复杂组分的烷烃的裂解燃烧过程进行多角度的研究。两种方法互相补充，一方面利用高精度的计算方法计算与烷烃燃烧过程相关的，实验上无法准确测量的动力学数据；另一方面通过分析在整个裂解燃烧过程当中不同物种和不同反应的动态演化过程以及动态关联信息，在原子分子层面上清晰的呈现烷烃燃料裂解和燃烧过程的初始反应路径以及后续的反应过程，实现对烷烃复杂裂解和燃烧过程的详细的动力学机理的分析。进一步澄清燃料分子结构性质、燃料组分配比、压力、温度等因素对燃烧过程的影响。为提高燃料燃烧效率、新型发动机设计及合成新燃料等提供理论上的支持。

化石燃料的燃烧在社会生活、国防、军事等方面发挥着不可替代的作用。对基础燃烧过程及燃烧机理的深入认识对节能减排意义重大，已成为近年研究的焦点。但由于燃烧反应复杂性，众多常规燃料的详细燃烧机理尚不清楚。本项目拟使用量子化学结合基于反应力场的分子动力学模拟和数值模拟等多尺度研究方法，对常规碳氢燃料的裂解燃烧过程进行多角度的研究。本项目选择异辛烷和甲基环己烷为研究对象，首先根据Reaxff力场的特点调整了键级随键长的表达式，使双键、三键解离的势能曲线更贴合量化得到的势能曲线，随后调整了键级的在键长方向的取值范围，并在这些修改的基础上重新拟合了力场参数。随后利用优化后的反应性力场研究了异辛烷在高温高压箱的裂解和燃烧机理，模拟结果表明，异辛烷碳碳键断裂是异辛烷消耗的主要路径，模拟得到的表观速率常数与实验测得的表观速率常数有较好的吻合。此外，利用Reaxff对甲基环己烷的裂解和燃烧机理进行了研究，系统研究了甲基环己烷的高温裂解初始反应机理，并考察了主要的中间体反应机理及其裂解的动力学行为，给出了MCH高温裂解反应的主要流程图。同时研究了MCH高温氧化的初始反应机理；中间反应机理以及实际的燃烧条件对MCH燃烧反应的影响。通过以上研究，在原子分子层面上清晰的呈现烷烃燃料裂解和燃烧过程的初始反应路径以及后续的反应过程，实现对烷烃复杂裂解和燃烧过程的详细的动力学机理的分析。进一步澄清燃料分子结构性质、燃料组分配比、压力、温度等因素对燃烧过程的影响。为提高燃料燃烧效率、新型发动机设计及合成新燃料等提供理论上的支持。