申请/专利权人：天津大学

申请日：2024-04-11

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN118248232A

主分类号：G16C10/00

分类号：G16C10/00;G16C20/10;G16C20/90;G06F17/11

优先权：

专利状态码：在审-公开

法律状态：2024.06.25#公开

摘要：本发明公开了一种非平衡等离子体助燃氨气过程的多维建模方法，该模型的建立主要包括：求解电子玻尔兹曼方程、带电粒子的漂移扩散方程、电势泊松方程、流体的连续性方程、动量方程、能量方程和组分的输运方程等，将放电引起的组分浓度变化和弹性碰撞功率加入温度ODE方程，实现放电和燃烧反应过程耦合，获得当前时间步长内等离子体放电下的物理参数并进行更新，计算下一时间步长因等离子体放电引起的流场、温度场等参数的变化，依此循环迭代直至放电结束；该多维模型考虑了电子能量分布函数和空间净电荷引起的局部电场，能够更好地反映非平衡等离子体的放电特性，模型更符合物理实际，其物理过程更完整，有利于分析等离子体助燃氨气的物理化学机制。

主权项：1.一种非平衡等离子体助燃氨气过程的多维建模方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：搭建电势泊松方程，考虑空间净电荷引起的局部场强变化，求解电场强度； 其中φ为电势，E为电场强度，ND+、ND-、NDe分别为正电荷、负电荷和电子的数量密度。S2：根据电子碰撞截面、初始场组分数量密度和电场强度，求解二项近似玻尔兹曼方程，获得电子迁移系数、电子碰撞反应速率常数和因放电引起的温度变化； 其中，ε为电子能量，f0和f1分别为电子分布函数中的各向同性和各向异性部分，N为气体数量密度，γ＝2eme12为常系数，e为元电荷、me为电子质量，Q为动量转移截面，σk为反应k的碰撞截面，σk＝∑xkσk，xk为反应k中目标组分的摩尔分数，kk为反应k的反应速率常数，C0为反应碰撞源项，Pelast为弹性碰撞功率，Mk为反应k中目标组分的质量，kB为玻尔兹曼常数，T为混合气温度，Te为电子温度，μe为电子迁移系数；S3：由于化学反应的时间尺度小，求解组分输运方程和能量输运方程之前，预先计算组分和能量方程的化学反应源项，然后再求解组分和能量的输运方程，完成一个CFD时间步长内的时间推进。根据步骤S2求得的电子碰撞反应速率常数计算因放电引起的组分浓度变化ωk,plasm，将弹性碰撞功率加入温度的ODE方程，即方程10，实现耦合求解放电和燃烧反应过程： 其中，[Xk]、ωk,comb、和hk是组分k的摩尔浓度、因常规氧化燃烧引起的组分净生成速率和焓值，ρ是混合气浓度，cp是定压比热。S4：基于S3步骤求解一个时间步内放电和燃烧反应引起的净生成速率、温度变化率，搭建离子输运的漂移扩散方程，求解流体连续性方程、动量、能量方程； 其中，Yk、Jk、ωk分别为组分k的质量分数、通量、因燃烧和放电引起的净生成速率ωk，zk、Dk分别为组分k的电荷数量和扩散系数；p为混合气压力，τ为粘性力张量，E为混合气能量，U为流场速度，q为热传导和组分扩散引起能量通量，方程14和15的最后一项为因电场引起的流场变化和电荷输运引起的焦耳热效应；封闭方程13需要计算组分电子和其他带电粒子的迁移和扩散系数，其中，重组分电荷的迁移和扩散系数根据经验公式计算获得，利用S2步骤中获得电子的迁移系数，再根据爱因斯坦关系式求解电子的扩散系数； 其中，De、μe、Te分别是电子的扩散系数、迁移系数和温度。求解方程11-15即可获得当前时间步下等离子体放电作用下的流场速度、温度、密度、压力等参数。利用当前时间步内的状态参数，根据步骤S1-S4计算下一时间步长内因等离子体放电引起的流场、温度场等状态参数的变化，依此循环往复迭代直至放电结束，完成建立多维空间内等离子体放电、燃烧和流动的耦合求解模型。

全文数据：

权利要求：

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