文献综述
引言
能源与环境问题一直都是当今社会面临的两大难题。能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，随着世界经济的飞速发展，全球人口数量的急剧增加，人们对能源的需求量也在日益增大，在能源消耗经济发展的背后隐藏的环境问题日益凸显，环境污染和能源不必要的消耗在发展中国家尤其突出。我国目前能源消费主要是碳氢化合物燃料（如天然气、煤、石油等），乱排乱放对地球环境造成了很严重的破坏。随着我国工业化进程的加速，经济发展对能源的需求必将日益增大，随之而来的污染物排放问题也将日趋严重。中国作为全球的能源消耗大国，十分重视能源与环境问题，但是由于我国人口基数决定能源消耗量很大，使我国在能源利用和环境保护方面所面临的任务也是十分艰巨。面对日益突出的能源和环境问题，有两种具有现实意义的思路和方案被广泛认可：其一是对现代社会的能源结构进行调整，不断开发和使用新型可再生无污染的替代能源；其二是对当前的能源利用方式进行优化，对化石燃料的燃烧过程进行精确控制，从而提高能源转化效率，降低污染物排放。因此，减少燃料燃烧时产生的环境污染、提高能源利用效率是我们的重要使命。
本课题针对不同压力作用对正庚烷扩散火焰开展了实验研究，获得不同压力作用对正庚烷扩散火焰特征的影响规律，可为研究不同压力与正庚烷扩散冷焰和热焰火焰的相互作用提供支持，对完善燃烧基础理论具有一定的参考价值。
简介和研究现状
2.1正庚烷燃烧的发展简介
正庚烷的十六烷值为56，作为长直链烷烃的代表，具有成熟的生产工艺，较高的能量密度，燃烧污染物排放较少可以作为一种新型的替代能源。但是，正庚烷作为一种液体燃料，燃烧过程比较复杂，燃烧不稳定，燃烧转化率较低，不完全燃烧产物排放较多。正庚烷的燃烧过程可大概分为三个阶段：首先，正庚烷与H和OH基团发生脱氢反应，生成C7H15的同分异构体；其次，正庚烷分解得到的大分子碳氢化合物中间产物发生裂解反应，通过一步或多步裂解生成C2H4；最后，则是C2H4与O和OH基团相结合发生氧化反应，最终生成CO2和H2O。在正庚烷燃烧过程中，C7H16的脱氢反应是整个反应的起始和重要步骤，与C2H4相关的裂解和氧化反应是整个反应的核心反应步骤[2]。
不同条件下采用不同的机理模拟数据，以达到最好的一致性。目前较常用的正庚烷化学动力学机理包括LLNL机理[15]、Aramco机理[16]、GRI-Mech3.0机理[4]和USC-II机理[4]。LLNL机理在1998年由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Curran[7]等人提出，这个反应机理通过在激波管、快速压缩机、变压流动反应器和射流搅拌反应器等内的大量试验得到验证。现今劳伦斯利弗莫尔国家实验室提供的LLNL机理[17]已发展到3.1版本，包含654种组分和2827个基元反应。正庚烷Aramco机理出自于爱尔兰国立高威大学，该模型包括1268种组分和5336个基元反应，已对着火延迟时间、层流燃烧速度等特征参数进行了验证，模型预测值和试验数据之间有良好的一致性。在高压、高当量比时，Aramco机理对正庚烷的着火延迟时间预测效果较好[8]。而在中压、化学 计量当量比附近时，LLNL机理的模拟结果与试验数据有更好的一致性。2011年，Mehl[5]等对Curran[7]等提出的机理进行了升级，该机理经过了激波管和快速压缩机等装置的试验数据验证，能够在较宽的温度范围内对正庚烷的燃烧过程进行良好的预测。Chakraborty[19]使用管状反应器测量了压力对正庚烷热解的影响，结果表明随着压力的升高，热解产物中氢气、甲烷、乙烯和丙烯的含量减少，而丙烷、正丁烷和1-丁烯含量升高。在之前研究的基础上，中国科技大学的袁涛[3]对正庚烷的燃烧和热解机理进行了总结和整合，并且使用反射式飞行时间质谱、超声分子束以及同步辐射真空紫外单光子电离相结合的方法详细地研究了正庚烷的热解过程，同时对其热解产物进行了鉴定和分析，同时使用GAUSSIAN 03和CHEMKIN软件得出了正庚烷热解的详细反应路径和反应机理。
燃烧过程是一个包括物理变化、化学变化的复杂的发光放热过程，为了求解在燃烧过程中的化学变化过程，1980年，KeeRJ[9]等在美国的Sandia实验室首先编写了CHEMKIN软件。CHEMKIN作为可以求解复杂化学反应问题的强大的软件包，不仅能够模拟燃烧过程，还能够对催化过程、等离子体、化学气相沉积等反应过程进行求解。CHEMKIN的版本由初始的CHEMKIN-I、CHEMKIN-II、CHEMKIN-III、CHEMKIN-Ⅳ一直发展到现在的最新版本CHEMKIN-PRO。
Kelley[6]使用一种自主设计的燃烧室，实验研究了高压下C5-C8正烷烃的层流火焰传播速度和Markstein长度，结果表明在相同的燃烧条件下，这些燃料的火焰传播速度基本相同，随着压力的增加，火焰厚度减小，使得拉伸率对火焰传播速度的影响作用降低。在新型均质压燃（HCCI）与火花塞辅助压燃（SAHCCI）环境下，Gou[10]等人使用多时间尺度（MTS）与简化动力学模型模拟了庚烷的点火、火焰分区以及各个分区间的转化，发现火焰的分区状况会受初始温度梯度与压力的影响；低温化学反应的存在使得低温火焰与高温火焰具有迥异的动力学和输运特性以及传播速度；此外发现，负温度系数效应会促进超音速自点火，在低温度梯度下极大影响了点火锋面与声波的相互作用。Krisman[11]等人采用二维DNS模拟了二甲醚低温反应产生的“冷焰”对于二甲醚两阶段自点火尤其是高温点火HTC的影响，与均匀混合气相比，冷焰的产生将导致较浓混合气区域内第一阶段自燃的点火延时在减小，并影响自燃核形成的位置及时间。之后Krisman[12]等人详细模拟了在4000 kPa，400 K与900 K理想柴油机条件下二甲醚的湍流两阶段点火特性，发现其点火是个包含LTC/HTC预混及非预混燃烧的复杂多级过程。Zhang[13,14]等人采用三维DNS模拟研究了标准参考燃料PRF70在部分预混燃烧（PPC）内燃机工况下的自点火及废气排放情况，并分析了燃烧中间产物CO的变化以深入了解部分预混燃烧区结构以及燃烧污染物的产生机理。
本课题目标是完成不同压力下正庚烷热焰和冷焰的燃烧特性实验及模拟，得到压力对正庚烷熄火极限、火焰温度、火焰传播速度、燃烧产物、化学反应路径等方面的影响。变量比较冷焰和热焰杂不同压力条件下的燃烧特性。
2.2正庚烷燃烧特性的研究现状
2.2.1微通道内正庚烷燃烧特性的研究现状
随着微细加工技术特别是纳米技术的发展，使得小型和微型燃烧设备的研发和使用被广泛关注。由于微细通道内的燃烧存在燃烧空间小、燃料停留时间短以及燃烧散热大等问题，微通道内的催化燃烧问题成为近年来的研究热点[20-29]。目前，微通道内催化燃烧的燃料主要以气体燃料为主，液体燃料的研究尚处于起步和初始阶段。而正庚烷作为长直链烷烃的代表，许多学者对其在微燃烧器内的催化燃烧问题进行了一定的探索和研究。黄眺[30-32]使用石英玻璃反应器研究了正庚烷在Pt催化下的微燃烧特性，得到了正庚烷在微通道内的燃烧转化率、稳燃范围以及燃烧过程中微通道内的温度分布，验证了Pt催化剂在燃烧过程中的催化作用，分析了当量比对正庚烷燃烧转化率的影响，发现当量比为1.0的工况下正庚烷燃烧转化率最高，同时还发现了正庚烷可以在壁面温度低于430 K时维持自稳燃烧。
由正庚烷的物理特性可知，其在常温下呈液体状态，许多学者对微细通道内正庚烷喷雾燃烧的燃烧现象和燃烧特性进行了深入研究，为液体燃料在多孔介质中燃烧特性的研究提供了理论和实验依据。
2.2.2正庚烷在快速压缩机、内燃机内燃烧特性的研究现状
