微型内燃机工况下C1–C4烷烃着火延迟数值模拟

燃料着火延迟时间对采用蓄热自着火方式的微型内燃机非常重要。利用Chemkin-Pro软件,分别对甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷空气混合气在微型内燃机运行工况下进行着火延迟时间模拟计算,探究初始温度（500 K ~ 1 000 K）、压力（1~ 10atm）和当量比（0.6 ~ 1.2）对着火延迟时间的影响。同时分析了微型内燃机扫气不尽的尾气残留组分（N2、CO2和H2O）对正丁烷着火延迟时间的影响。结果表明：在四种燃料中,正丁烷的低温着火延迟特性最佳,是一种适合于采用蓄热自着火方式的微型内燃机燃料;初始温度、压力的提高和当量比的增大有利于燃料着火延迟时间的缩短;尾气残留使得燃料着火延迟时间变长,着火延迟特性变差,尾气各组分的热效应和基元反应对燃料着火延迟有着不同的影响机制。     

氮气稀释气对天然气着火特性的影响

为获得氮气稀释气对天然气着火特性的影响规律,对不同当量比、初始压力、初始温度以及氮气稀释系数下天然气的着火延迟时间进行了试验测试与数值计算,并分析了氮气稀释气对其着火特性的影响机理。结果表明,随初始温度的变化天然气着火延迟时间呈线性变化趋势;天然气的着火延迟时间随初始温度或初始压力的升高逐渐缩短,且受当量比的影响不明显;随着氮气稀释系数的增加,天然气的着火延迟时间逐渐延长,且促进天然气着火的关键反应步,■的敏感性系数将大幅度下降。     

NH3/DME混合物着火特性试验与数值模拟研究

为了探究NH₃/DME混合物的着火特性，利用激波管测量了初始温度T=1 250～1 800 K、当量比Φ=0.5～2.0、DME掺混比X_DME=0～1.0、压力p=1 MPa条件下NH₃/DME混合物的着火延迟时间。基于测量的试验数据，更新了Issayev等人构建的NH₃/DME燃烧反应动力学模型的部分基元反应，更新后的模型表现出对NH₃/DME着火延迟时间的良好预测。在此基础上，进一步开展了NH₃/DME着火特性值模拟研究。结果表明：NH₃/DME高温着火延迟时间随二甲醚(DME)掺混比的增加呈指数降低；NH₃/DME的着火延迟时间随当量比的增加先降低后升高，且不同温度下达到最低着火延迟时间的当量比不同；中低温下NH₃/DME的着火延迟时间随初始温度的变化规律与高温下不同，呈现出明显的负温度系数(NTC)现象。     

柴油在O_2/CO_2氛围下燃烧特性模拟和试验

为研究柴油在O_2/CO_2氛围下的着火特性,提出了柴油表征燃料(正庚烷)在65%O_2/35%CO_2氛围下的着火延迟时间模型.该模型考虑到了O_2和CO_2对燃烧反应速率的影响,得到了温度和着火延迟时间的关系,推导出了着火延迟时间的计算公式,运用稳定状态法对正庚烷的基元反应进行缩减,计算了正庚烷在空气和65%O_2/35%CO_2氛围下的着火延迟时间;搭建了定容燃烧弹可视化试验系统,对柴油在空气和65%O_2/35%CO_2氛围下的着火过程进行了可视化研究;对试验所得的着火延迟时间、火焰浮起长度和燃烧压力变化进行了比较分析.结果表明:该着火延迟时间模型可以很好地模拟柴油在65%O_2/35%CO_2氛围下的着火过程,柴油在此氛围下的着火延迟时间变化非常明显,比在空气氛围下缩短了50%;柴油在此氛围下的火焰浮起长度短于在空气氛围中的;喷油压力的改变会对柴油的着火延迟时间及定容燃烧弹内的最大燃烧压力产生影响.     

受限空间油气热着火的简化机理与分析

油气热着火是导致油气火灾的重要原因之一,对油气热着火发生的反应机理研究具有重要的理论和现实意义.通过对正庚烷、异辛烷和C1~C4详细反应机理的模拟研究,得到3个主要结果:一是通过温度敏感性分析、路径分析等方法,获得了油气热着火简化机理,包含47个组分,100个基元反应;二是通过对简化机理的模拟分析发现,随着初始温度的增加,热着火的延迟时间减少,当初始温度小于850,K时,延迟时间较长,而初始温度大于900,K后,延迟时间相差不多;三是在相同温度和碳氢浓度下,组分浓度越均匀,延迟期越短,大分子浓度越大,延迟期越长,反应后温度越低,小分子浓度越大,反应越充分.     

耦合详细/半详细反应动力学机理的碳氢燃料预混气着火过程及火焰结构数值预测

理论分析碳氢类燃料、空气预混气热着火和流动燃烧过程数值计算方法.并对IPIC -CFDⅡ软件进行修改,使之适合燃料零维着火与火焰结构计算.程序采用了美国SANDLA国家实验室、NASA和BERKELEY大学热力学数据库中的相关参数以及大型化学反应动力学软件包CHEMKIN中相关的模型和子程序;火焰结构计算模块引入美国SANDLA国家实验室开发的PREMIX程序.运用开发的源码,以庚烷/空气预混气和碳氢类燃料中具有代表性的柴油为例采用最新的化学反应动力学机理(其中庚烷氧化机理包含290个基元反应,涉及57种组分;柴油动力学机理包含327个基元反应,涉及71种组分),计算了C7H16/O2/N2预混气在不同点火温度、不同当量比和不同压力下的着火延迟时间,预测了火焰中反应物、主产物、自由基浓度以及温度变化的时间进程;同时模拟了柴油在不同工况下,其预混火焰中温度、反应物、主产物和自由基浓度随火焰高度的变化关系.以上研究为反应设计提供指导.     

轻烃燃气着火延迟特性研究

轻烃燃气是一种新型燃气,产地不同会造成主要成分戊烷异构体含量不同,着火延迟时间是描述燃烧特性的重要参数也是验证动力学机理的重要依据,本文使用CHEMKIN PRO模拟研究温度1000～1800K、压力1～20atm、当量比0.5～2.0范围内正戊烷异戊烷不同掺混比对着火延迟时间的影响,采用生成速率分析法（ROP）和敏感性分析法探究正戊烷异戊烷掺混比对着火延迟时间的影响机理。结果表明：温度增加会减小着火延迟时间;在本文研究压力范围内,掺混比影响着火延迟时间趋势较为复杂;从贫燃料区至富燃料区,当量比增加会减小着火延迟时间。异构体中随着正戊烷含量减小着火延迟时间增加,掺混比的影响随着温度、压力增加而减小;OH是戊烷反应消耗脱氢的主要自由基,正戊烷易与OH、HO2反应脱氢,异戊烷易与H、O反应脱氢,当正戊烷含量减少时,OH和HO2消耗减少、H和O消耗增加;反应过程中的主要自由基R（C5H11）基和QO（C5H10O）基含量随着正戊烷含量减小而减小;温度为1000K时,正戊烷敏感性系数最大的反应促进着火减小着火延迟时间,掺混异戊烷后敏感性系数最大的反应抑制着火增加着火延迟时间,当温度为1800K时,敏感性系数最大的反应均为R1,其他反应敏感性系数相对较小,掺混比对着火延迟时间的影响较小。     

正癸烷的中低温着火特性

在一台快速压缩机上进行了正癸烷在当量比0.46~1.50、压力0.7~1.5,MPa、温度范围600~750,K条件下的中低温着火特性研究.结果表明,正癸烷具有明显的两阶段着火特性;正癸烷着火延迟均随着温度、压力的升高而减小;不同当量比和氧气体积分数条件下的研究表明,正癸烷低温阶段着火延迟更依赖于燃料体积分数而对氧体积分数不敏感.采用两个正癸烷机理进行了模拟研究并与实验结果进行了对比,并通过敏感性分析研究了特定基元反应在控制正癸烷着火过程中的作用.     

耦合详细／半详细反应动力学机理的碳氢燃料预混气着火过程及火焰结构数值预测

理论分析碳氢类燃料，空气预混气热着火和流动燃烧过程数值计算方法，并对IPIC－CFDⅡ软件进行修改，使之适合燃料零维着火与火焰结构计算，程序采用了美国SANDIA国家实验室，NASA和BERKELEY大学热力不数据库中的相关参数以及大型化学反应动力学软件包CHEMKIN中相关的模型和子程序；火焰结构计算模块引入美国SANDIA国家实验室开发的PREMIX程序，运用开发的源码，以庚烷／空气预混气和碳氢类燃料中具有代表性的柴油为例；采用最新的化学反应动力学机理（其中庚烷氧化机理包含290个基元反应，涉及57种组分；柴油动力学机理包含327个基元反应，涉及71种组分），计算了C7H16／O2／N2，预混气在不同点火温度，不同当量比和不同压力下的着火延迟时间，预测了火争中反应物，主产物，自由基浓度以及温度变化的时间进程，同时模拟了柴油在不同工况下，其预混火焰中温度，反应物，主产物和自由基浓度随火争高度的变化关系。以上研究为反应设计提供指导。     

己酸甲酯和正丁醇混合燃料着火延迟试验和模拟

通过一台快速压缩机开展了己酸甲酯和正丁醇混合燃料着火延迟的试验.混合气初始温度为353,K,当量比为1.0,采用79%的Ar/N2混合气进行稀释,上止点压力分别为1.1、1.5和2.0,MPa,正丁醇在混合燃料中的比例分别为0、40%和60%,压缩上止点温度为660~830,K.利用CHEMKIN软件在较宽温度范围内对混合燃料着火延迟进行了模拟比较.结果表明:己酸甲酯/正丁醇的着火延迟随温度变化表现出3阶段燃烧特性,具有明显的负温度系数现象.混合燃料的着火延迟随压缩压力的增大而减小,随正丁醇预混比的增大而增加,正丁醇可减弱混合燃料燃烧爆震倾向.低温燃烧时,混合燃料中的己酸甲酯和正丁醇都呈现两阶段反应特征.高温燃烧时,混合燃料中的己酸甲酯和正丁醇都呈现出单阶段反应现象.正丁醇的加入对己酸甲酯的低温反应路径有较为明显的影响,对其高温反应路径影响不大.     

SO_2对热解气再燃还原NO影响的数值模拟

热解气是锅炉再燃脱销的重要燃料,由于烟气中含有大量NO_x、SO_x、粉尘等污染物,对于NO_x、SO_x在还原气氛下的反应活性及其两者的相互作用机制研究还不充分。采用CHEMKIN4.1化学动力学软件,基于详细的化学动力学模型Dagaut03机理(1006个反应,145种组分)和理想的零维全混流反应器模型,利用生成速率分析和敏感性分析方法对SO_2对热解气再燃还原NO在不同温度(1 100~1 400 K)和当量比(0.75~1.25)条件下的影响进行数值模拟和机制分析。计算结果表明:SO_2通过2步基元反应实现自由基终止反应,降低反应系统活性,抑制NO还原,而并不改变NO生成和消耗的主要途径和主要基元反应。在模拟的工况中,SO_2抑制NO还原的影响随当量比增加而加强,随温度升高而逐渐减弱。     

柴油引燃天然气着火过程分析

采和最新化学反应动力学机量，对具有少量柴油引燃的天然气、空气混合物着火过程进行了理论分析。其中：甲烷氧化机理包含79个基元反应，涉及32种组分；柴油反应机理包含327个基地反应，涉及71种组分。对IPIC－CFDⅡ软件进行修改，使之适合双燃料系统的燃烧计算，程序采用了美国SANDIA国家实验室，NASA和BERKELEY大学热力学数据库中的相关参数以及大型化学反应动力学软件包CHEMKINⅢ中相关的模型和子程序。运用开发的源码，计算了柴油、天然气和空气混合物在不同点火温度、不同当量比和不同压力下的着火延迟时间，同时预测了火焰中反应物、主产物、自由基浓度以及温度变化的时间进程。     

乙醇汽油/空气自着火特性的激波管试验

在雾化激波管中利用反射激波研究了乙醇汽油/空气混合气在高温、低压条件下的自着火特性.测量了混合气在温度为1 100～1 750 K、压力为0.10～0.65 MPa条件下,燃空当量比为0.2～2.5时的着火延迟期、着火壁面压力及OH基自发光强度,分析了当量比、着火温度及压力对混合气自着火特性的影响.结果表明:乙醇汽油/空气混合气的着火延迟期在高温条件下随当量比的增大而延长,不同压力下着火延迟期的对数与着火温度的倒数均呈线性分布,满足Arrhenius关系,并且在低压范围内着火延迟期对压力的依赖性较高;混合气在当量比为1.0、着火温度为1 300～1 430 K时发生剧烈爆燃,此时OH基自发光强瞬间达到峰值后急剧下降,而温度升高后,OH基自发光维持较高强度的时间增长,爆燃压力峰值降低,接近等压燃烧.     

CO_2的物理化学属性对于煤粉富氧燃烧着火的影响

许多研究者发现煤粉在O_2/CO_2气氛下相较O_2/N2会出现明显的着火延迟,并认为这主要是由于CO_2较高的比热容引起的.通过定义不同的人工物质X,Y,W详细计算分析了CO_2的化学属性、比热容以及辐射特性在均相着火及非均相着火机理下对于着火延迟的影响.结果表明,在均相着火中,CO_2的化学属性和较高比热容对于煤粉着火延迟起重要作用,其中化学属性的影响主要是由于大量CO_2的存在导致了反应(R99)(OH+CO=CO_2+H)在CO_2气氛下出现逆转,在X气氛下为放热反应,而在CO_2气氛下为吸热反应.同时,大量的CO_2会促进反应(R120)(CO_2+OH=HO_2+CO)及反应(R152)(CH2(s)+CO_2=CH2+CO_2)等反应加快,进而使得化学反应吸热增多.在非均相着火中,CO_2的较高比热容以及辐射特性对于着火延迟起决定性作用,CO_2的化学属性对于着火延迟几乎没有影响.     

浓度分层下正庚烷自点火过程的直接数值模拟

针对实际内燃机内存在浓度分层的情况,采用直接数值模拟,研究了浓度分层对正庚烷在空气中的自点火过程的影响.结果表明:在压力2.4 MPa,初始温度860 K(位于负温度系数区域)下,随着浓度分层的增加,整体着火时间提前,但是第1阶段点火延迟时间几乎没有变化.第2阶段着火位置的混合物分数随着浓度分层的增加而变大,说明两阶段着火不存在统一的最易着火的混合分数.通过budget分析,揭示低温反应和高温反应阶段存在不同的火焰传播模式.     

压缩比、CO2对二甲醚均质压燃影响的数值模拟

利用化学反应动力学软件建立二甲醚均质压燃燃烧模型,研究了压缩比和进气掺入CO2对二甲醚均质燃烧的影响。结果表明：增大压缩比加快了二甲醚基元反应速率,使着火提前,燃烧压力、温度上升;进气中加入CO2可以延迟着火时刻,降低缸内压力和温度;CO2对二甲醚均质压燃高温燃烧阶段影响更大。     

对冲扩散火焰中单颗粒煤着火瞬态模型

建立了适用于分析对冲扩散火焰中单个煤粉颗粒穿焰过程的瞬态模型,考虑了流场、温度场及组分浓度分布对单颗粒煤的运动、升温及着火特性的影响.结果表明,计算条件下煤粉颗粒最大升温速率均超过1×105,K/s.煤颗粒在穿焰过程中的着火温度随粒径增长单调递减,同时着火延迟时间先增长后趋缓.在火焰面后发生均相着火的煤颗粒其着火延迟时间随粒径变化很小,可能是因为进入高浓度氧化性气氛使得析出的挥发分迅速着火.     

低氧再燃条件下煤粉均相着火温度的测量

在一维炉试验台上研究了煤粉颗粒群在低氧浓度再燃条件下的均相着火规律.结果表明:在低氧浓度下(＜10% 体积分数),煤粉均相着火呈现出反应不剧烈、不连续的特点;氧浓度对于煤粉均相着火温度的影响近似成指数变化关系,即氧浓度越低,均相着火温度越高;在一定范围内,氧浓度越低,煤粉均相着火延迟时间越长;煤粉均相着火温度随粒径减小而提高,近似成线性关系;不同氧浓度前提下,粒径对着火温度的影响作用不同.     

聚甲氧基二甲醚–2燃烧动力学模型及试验研究

采用试验研究与动力学建模相结合方法,对聚甲氧基二甲醚-2(polyoxymethylene dimethyl ethers-2,PODE₂)的中低温燃烧特性进行了研究。基于二甲氧基甲烷(dimethoxymethane,DMM)详细反应机理,遵循基于反应类的速率准则构建了PODE₂详细化学反应动力学机理,并与文献试验数据进行了验证;在快速压缩机试验平台测量了PODE₂在温度范围为550～900 K,当量比为0.5、1.0、2.0时着火延迟时间,结合所构建的详细反应机理,对PODE₂中低温条件下自着火过程控制因素进行了分析。结果表明,所构建的PODE₂反应机理可以很好地再现试验测量的着火延迟时间,对文献中现有的试验数据均能给出合理的预测。PODE₂自着火过程呈现明显的两阶段着火现象,没有表现出负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)行为;PODE₂第一阶段着火延迟时间在低温段随温度呈线性变化...     

正丁醇/生物柴油混合燃料的中低温着火特性

通过一台新开发的超高压快速压缩机，进行了不同比例的正丁醇/生物柴油混合燃料在当量比为0.3～1.0、压力为1～6 MPa以及温度为700～975 K条件下的自着火特性研究．结果表明：混合燃料的着火延迟时间随着温度、压力和当量比的升高而减小．此外，混合燃料的着火延迟时间随着正丁醇比例的增加而增大，但随着温度的升高，着火延迟时间对正丁醇的比例不敏感．采用已有的详细动力学模型进行了模拟研究并与试验结果进行了对比．通过对正丁醇/生物柴油自着火特性的化学动力学分析，研究了自着火过程中正丁醇和生物柴油之间的化学相互作用．结果表明：正丁醇的加入极大程度抢夺了生物柴油低温反应产生的自由基，削弱了生物柴油的低温反应路径．