添加二氧化碳对生物柴油替代燃料燃烧的化学作用研究(2)
1.1.2 研究意义
生物柴油，主要由甲基脂肪酸酯（FAME）组成[3]。甲酯类燃料，要想作为现今碳氢燃料的替代品，需要从不同的实用性角度方面进行仔细研究。除了燃烧可行性和成本之外，重要的方面还包括能量含量，与基础设施和与燃烧设备的兼容性[4]。燃烧化学方面主要是点火，热释放和熄灭的过程，这对污染物的排放量有至关重要的影响。例如增加二氧化碳可以降低固体颗粒物的排放，同时降低醇、醛、酮类的排放量，但同时会导致一氧化碳的排放量的增加，并且一氧化碳会对人体造成巨大负面影响，比如一氧化碳的吸入量过多会导致头痛、头晕、失眠、耳鸣、恶心等症状，更高浓度的一氧化碳甚至会导致昏迷，痉挛甚至会引起呼吸麻痹而引起死亡[5]。
所以，为了综合衡量添加CO2对生物柴油燃烧的利弊，掌握燃烧污染物的生成及特点，以及能以一种清洁、高效的方式来利用生物柴油而对环境造成最小的影响，对添加不同比例二氧化碳的甲酸甲酯火焰结构的研究显得十分重要。
1.2 研究现状
1.3 本课题研究内容和研究意义
本课题选取甲酸甲酯作为生物柴油的替代燃料燃烧作为研究对象，主要利用化学动力学计算模拟软件Chemkin中的PREMIX子程序，在1atm压力下对当量比φ = 0.8，φ = 1.0和φ = 1.5时的甲酸甲酯燃料中分别添加不同体积分数的普通二氧化碳CO2或者虚拟二氧化碳CO2b（0%，10%，20%），并在此等不同工况下，对燃料的自由扩散燃烧进行研究。研究内容包括甲酸甲酯燃料火焰的结构特点，污染物的生成规律和分布等，揭示CO2对甲酸甲酯燃烧污染物生成的影响作用。
2 燃烧化学动力学计算方法
2.1 Chemkin介绍
Chemkin是现在比较流行的用于计算复杂化学反应的软件，主要用于对燃烧过程、催化过程、微电子过程、自动化工业和大气科学等过程的仿真。它拥有丰富的物理模型、完善的数值方法以及前后处理功能，在和化学反应相关方面都有着广泛的应用。Chemkin以气相动力学、表面动力学、传递过程这三个核心软件包为基础，提供了对21种常见化学反应模型及后处理程序[18]。
Chemkin具有高效率的并行计算功能，对计算机性能的要求不高。对于复杂程度不同的机理文件而言，计算速度仅仅取决于计算机的内存大小。另外，Chemkin可以调节动态负载平衡，以保证对整个化学反应的计算高效进行。
Chemkin解决了上千种燃烧反应，并且形成了对特定过程的全面的理解，这可能会涉及到多种化学产物，浓度范围和气体温度。化学动力学模拟，相对于实验室中直接实验的过程而言，更加考虑到节约时间、提高效率的重要性。
2.2 PREMIX子程序介绍
Chemkin由于能模拟计算很多气相化学动力反应，所以该软件划分为很多个不同的子程序。本课题使用的子程序是PREMIX。
PREMIX是在一个固定稳燃器中，进行预混自由扩散层流火焰的产物和温度分布的计算。PREMIX可以用来确定可燃气体混合物的层流火焰速度，这对于火焰特性研究非常重要。这主要用于解释有限速率的化学动力学问题和多组分分子传输问题。在通过PREMIX进行计算时，特别需要注意控制方程和边界条件，这是有限差分计算的必要条件。在PREMIX这个子程序的运行过程中，为了计算化学反应机理和分析传输特性，需要气相动力学和传输参数的数据支持。考虑到分子扩散，传输特性仿真模拟主要包括使用多组分或者混合平均方程的选择。
PREMIX主要通过隐式有限差分法来解决描述火焰动力学的控制方程，这种方法同时是一种基于时间的稳态方法。同时，PREMIX能自动地按照从粗到细来划分网格，改善和提高网格质量，提高计算结果的收敛性，最终找出适合相应反应机理的最佳网格分布。
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