柴油/DMF双燃料简化化学动力学模型的构建

首先基于2,5-二甲基呋喃(2,5-dimethylfuran,DMF)详细机理,运用峰值浓度分析法、反应路径分析法、敏感性分析法和反应速率分析法进行机理简化,构建了包含95种组分和352个反应的DMF简化动力学机理,并对激波管滞燃期和重要燃烧产物浓度进行验证。在此基础上,采用"解耦"思想耦合了柴油多组分替代物(正庚烷/甲苯/正己烯)简化机理,最终构建了一个包含123种组分和394个反应的柴油/DMF双燃料简化机理。研究结果表明:在较宽的当量比(0.5~2.0)和初始压力(0.1~8.0MPa)边界条件下,双燃料简化机理对滞燃期、射流搅拌反应器中物种摩尔分数、层流火焰速度等基础燃烧数据及零维单区内燃机模型组分生成规律吻合性较好。     

基于HCCI发动机着火特性的柴油三组分表征燃料详细化学动力学模型

构建了一个由正庚烷、甲苯和环己烷组成,并加入正庚烷与甲苯的交叉反应,三组分柴油表征燃料的详细化学动力学机理模型,包含1 171种物质、4 580个基元反应.基于着火时刻对于均质充量压燃(HCCI)燃烧的重要性,以着火点为主要衡量标准,采用单区燃烧模型,以不同比例的三组分表征燃料详细化学反应动力学机理模拟HCCI燃烧的燃烧始点,根据HCCI发动机试验数据,确定了三组分机理的最佳组分质量比为8∶1∶1(正庚烷∶甲苯∶环己烷).还对单组分(正庚烷)、最佳比例的双组分(正庚烷、甲苯)和最佳比例的三组分机理进行了比较验证,对3种机理模拟得到的着火滞燃期和放热率的结果进行对比,详细分析了环己烷对表征燃料滞燃期的调整作用,以及交叉反应的加入对表征燃料的影响.结果表明:新的柴油三组分详细机理可以更为准确地描述柴油HCCI着火时刻.     

正庚烷甲苯混合物燃烧简化机理分析

提出了一个新的包括多环芳香烃(PAH)生成的正庚烷/甲苯混合物燃烧化学动力学简化机理.该机理包括64种物质,120个反应,与激波管内滞燃期实验结果吻合较好.在不同进气氧体积分数下,使用该机理对柴油机缸内燃烧过程进行了计算,其结果与缸内的实验结果吻合良好.通过机理的敏感性分析发现,PAH的重要前驱物乙炔主要是由甲苯反应路径中的C6H5及C6H4O2生成,说明在正庚烷中加入甲苯会对模拟柴油的燃烧特别是碳烟的生成有很大的影响;过氧化氢自由基HO2和羟自由基OH在甲苯、正庚烷的分解反应及小分子烃的裂解和氧化反应中都起着非常重要的作用.     

一种生物柴油替代物简化机理的构建与验证

选取MD9D、癸酸甲酯(MD)和正庚烷三组分作为生物柴油替代混合物,建立详细化学动力学反应机理。在此基础上,通过误差传递直接关系图法(DRGEP)、同分异构体简化法(Isomer Lumping)、基于DRGEP敏感性分析法3种简化方法耦合的方式对详细化学动力学反应机理进行简化,构建一个简化机理,利用CHEMKIN-PRO软件对简化机理进行模拟计算,并与试验结果进行对比分析。结果表明:简化机理对生物柴油燃烧过程中着火延迟期和重要中间产物CO、CO_2、CH_4、C_2H_4、C_3H_6等有较好的预测能力;在750~900K的低温阶段能再现生物柴油燃烧过程中的负温度系数现象,并且能够在低温燃烧时预测早期CO_2的生成。     

燃烧室形状对正丁醇-柴油燃烧碳烟前驱物生成的影响

通过保持压缩比和燃烧室容积不变,应用计算流体力学(CFD)软件建立燃烧室三维数值模型并耦合CHEMKIN,以正庚烷-正丁醇-多环芳香烃-甲苯简化机理作为正丁醇-柴油混合燃料燃烧化学反应动力学机理,研究不同径深比燃烧室对正丁醇-柴油低温燃烧不同燃烧阶段碳烟前驱物A4(C16H10)生成的影响.结果显示,燃烧室径深比对正丁醇-柴油混合燃料燃烧压力和放热率影响较小,对A4的生成历程影响较大.在燃烧初期,A4主要分布在燃烧室凹坑、侧壁和活塞顶,燃料高温裂解产生的中间基团C2H2和C3H3在A4的生成过程中起关键作用.径深比较小时,局部高温使A4的生成量较多,径深比较大时,温度分布均匀,A4生成量少.在燃烧末期,A4的生成集中在燃烧室凹坑,且随着径深比的增加,A4的生成量呈现先增加后减小的趋势.     

正庚烷预混火焰中PAHs的生成机理

应用CHEMKIN软件对正庚烷预混火焰中碳黑的先驱物PAHs的生成机理进行研究,得到了包含49种组分、94个基元反应的简化模型.该饥理包含正庚烷的燃烧和PAHs的生成两部分,正庚烷的燃烧模型构建在Patel等人模型的基础上,增加了3个低温区关键反应;PAHs生成机理主要根据脱氢加乙炔(HACA)反应机理添加.新模型能够模拟正庚烷预混燃烧的冷焰和热焰反应以及预测PAHs的生成过程,与详细模型计算结果吻合较好.为CFD多维模型与化学反应动力学模型相耦合的燃烧计算提供了可行的途径.     

正庚烷燃烧详细化学动力学模型的简化及其有效性分析

为了应用CFD多维数值分析模型研究柴油机排放中多环芳香烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAH)生成和变化规律,很有必要发展一个简化的、包含PAH形成和生长机理的正庚烷燃烧化学反应动力学模型.通过敏感性分析,找到了柴油模拟燃料正庚烷燃烧过程的18个重要反应,其中8个过氧烷基(C7H1O2)的异构化反应,5个过氧羟庚基(C7H14OOH)的分解反应,2个正庚烷(N7H16被羟基氧化的反应,2个过氧化氢酮(NC7KET)的裂解反应及1个过氧化氢的分解反应,并对其作用进行了分析.在保留这18个重要反应及与PAH形成重要前体物相关的重要反应的基础上,构建了包含46种物质77个基元反应(记为46/77)和37种物质45个基元反应(记为37/45)两个简化动力学模型,并对其有效性进行了验证.结果表明,两种简化模型缸内压力和温度曲线均与包含544种物质2446个基元反应的详细模型(记为544/2 446)吻合得较好,而46/77简化模型更能准确地模拟燃烧相位、缸内压力及温度的变化过程.通过与544/2446详细模型比较,发现37/45简化模型可以较好地模拟CO、H2 O2、CH7O、OH的产生和变化历程,而46/77简化模型可以较好地模拟C2H2、NC7 H16、HCO的生成和消耗过程.     

进气状态对正丁醇-柴油低温燃烧PAHs生成的影响

以正庚烷-正丁醇-多环芳香烃-甲苯简化机理作为正丁醇-柴油混合燃料燃烧化学反应动力学机理,应用AVL-FIRE软件耦合CHEMKIN建立三维数值模型,研究了进气状态(进气压力、进气温度和进气涡流比)对正丁醇-柴油混合燃料低温燃烧多环芳香烃(PAHs)生成的影响规律.结果表明:随着进气压力和进气温度的提高,PAHs各组分的生成时刻提前,缸内最终生成量增加,尤其是A2(菲)和A4(芘);在燃烧后期,随着进气压力和进气温度的提高,PAHs各组分消耗速率加快;随着涡流比的增加,PAHs各组分生成时刻提前,A1(苯)、A2(菲)和A3(萘)缸内最终生成量增加.当涡流比从1.2变化到1.6时,A4(芘)的缸内最终生成量随涡流比的增加而减少;而当涡流比从1.6变化到2.4时,A4的缸内最终生成量随涡流比的增大而增加.     

包含NO_2的正庚烷燃烧简化机理

在对美国加利福尼亚大学燃烧实验室给出的氮氧化物(NOx)生成机理(49种组分,277个基元反应)进行敏感性分析后,提取出对NOx生成的重要反应,加入到正庚烷燃烧简化机理(29种组分,52个基元反应)中,创建了一个新的包含NOx的正庚烷燃烧化学动力学简化机理(40种组分,72个基元反应)。最后将得到的新机理与Patel正庚烷燃烧机理的模拟结果进行对比分析,以及通过与计算流体动力学CFD软件耦合的模拟结果对比分析,验证了该机理的有效性和准确性。     

正丁醇-柴油低温燃烧碳烟前驱物生成机理

以正庚烷-正丁醇-多环芳香烃-甲苯简化机理作为正丁醇-柴油混合燃料燃烧化学反应动力学机理,应用计算流体动力学软件耦合化学动力学机理建立三维数值模型,研究了正丁醇掺混比例和EGR率对正丁醇-柴油混合燃料低温燃烧碳烟前驱物(苯(A1)、萘(A2)、菲(A3)和芘(A4))生成的影响.结果表明:碳烟前驱物主要在预混燃烧阶段生成.随着正丁醇掺混比例的增加,A1、A2、A3和A4的生成时刻延迟,A1的最终生成量先增加后减少,A2、A3和A4的最终生成量减少.随着EGR率的增加,A1、A2、A3和A4的生成时刻延迟,A1的最终生成量增加,A2、A3和A4的最终生成量先增加后减少.A3的最终生成量峰值所对应的EGR率随着正丁醇掺混比例的增大而减小.     

柴油多元表征燃料多环芳烃生成模型的开发

构建了适用于正癸烷、甲苯和甲基环己烷等3种单一燃料及其混合燃料的多环芳烃(PAHs)骨架模型,包括103个组分和248个反应.用新模型分别模拟了正癸烷、甲基环己烷、正癸烷/甲苯混合燃料以及柴油表征燃料在基础反应器中的氧化过程,结果表明:该模型能重现重要组分浓度的试验值.将此模型与笔者开发的碳烟模型相耦合并纳入KIVA-3V程序,对一台以2号柴油为燃料的发动机的燃烧过程和碳烟排放进行了模拟,结果表明:新的模型都能较准确地计算缸内压力、放热率、碳烟排放量和PAHs的生成过程.     

正庚烷部分预混燃烧下多环芳烃生成的简化机理

采用反应流与敏感性分析方法对小分子烃类燃料预混燃烧下多环芳烃生成的详细机理(101种组分,544个基元反应)进行了简化,得到了包括52种组分,83个基元反应的简化机理.采用该简化机理对乙烷预混燃烧下多环芳烃的生成规律进行了数值计算.结果表明,采用该简化机理计算得到的反应物与部分生成物摩尔分数的变化趋势与实验值基本吻合;在该简化机理上加入正庚烷分解和氧化的主要反应(27种组分,36个基元反应),构成了庚烷火焰中多环芳烃生成的简化机理(62种组分,1 19个基元反应);同时对该简化机理在正庚烷部分预混燃烧下多环芳烃的生成规律进行了数值计算,结果表明,采用该简化机理进行计算时所得到的温度分布、主要反应物与部分生成物的摩尔分数的变化趋势与实验值基本吻合.     

正丁醇燃料特性对柴油机低温燃烧影响的机理

在一台单缸柴油机上,将20%体积分数的正庚烷、异辛烷和正丁醇分别与柴油进行掺混燃烧,研究了正丁醇沸点、燃料组分、十六烷值和含氧特性等理化特性对柴油机低温燃烧(LTC)的影响机理.结果表明,十六烷值是影响LTC燃烧特性的主导参数,柴油+正庚烷和柴油+异辛烷的燃烧特性分别与纯柴油和柴油+正丁醇接近.碳烟排放上,柴油+正庚烷与纯柴油差别很小,表明在20%掺混条件下,物理特性和燃料组分对LTC碳烟排放影响较小;柴油+异辛烷的碳烟排放较纯柴油降低明显,表明十六烷值是影响LTC碳烟排放的重要因素;柴油+正丁醇的碳烟排放比柴油+异辛烷有较大降低,表明正丁醇含氧特性对改善LTC碳烟排放具有重要作用.燃料理化特性对NOx、CO和HC等气体污染物排放影响较小.     

基于详细模型汽油替代燃料碳烟生成特性分析

基于矩方法算法和预混火焰程序,实现一维预混火焰中汽油替代燃料燃烧生成碳烟的详细数值模拟.其中气相详细模型为包含多环芳烃(PAHs)生成机理的多组分汽油替代燃料反应动力学模型,详细碳烟颗粒相模型包含成核、凝并、PAHs表面沉积、表面生长和表面氧化过程.结果表明:燃烧过程中苯(C6H6)分子摩尔分数是影响PAHs生成的直接原因,决定了汽油替代燃料生成PAHs摩尔分数的大小;芘(C16H10)分子摩尔分数直接影响碳烟的生成过程,决定汽油替代燃料碳烟排放水平;可依据汽油替代燃料的组成评价燃烧生成PAHs和碳烟的水平,汽油替代燃料中甲苯/二异丁烯总含量越高,其生成PAHs和碳烟量越大,反之亦然.     

一个新的用于HCCI发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型

提出了一个新的适用于HCCI发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型，包含44种组分和72个反应。由四个子模型组成：低温反应子模型是在Li等人模型的基础上，定义具体的醛类(RcH0)产物和小分子碳氢产物(Rs)而构建；增加了用于链接低温反应向高温反应过渡的大分子直接裂解成小分子反应子模型；高温反应子模型是在Griffiths等人模型的基础上，去除了无关的基元反应，增加两个关于CO和CH3O的氧化反应而构建；此外，还采用了Golovitchev简化模型中NOx生成子模型。新模型能够模拟正庚烷HCCI燃烧的冷焰和热焰反应以及NOx生成的整个过程，与详细模型计算结果吻合较好。CPU计算时间是详细模型的1／1000，为CFD多维模型与化学反应动力学模型相耦合的燃烧计算提供了可行的途径。     

正庚烷对冲扩散火焰中多环芳烃形成机理的简化

使用敏感性分析对正庚烷对冲扩散燃烧火焰中多环芳烃生成的详细反应机理(包括108种组分、572个基元反应)进行简化,得到了可与CFD多维模型耦合计算的简化机理,该机理包括56种组分、83个基元反应.简化机理和详细机理的计算结果非常吻合,表明得到的简化机理能够精确地描述正庚烷对冲扩散火焰的燃烧特性,并且能够定量预测多环芳烃(例如苯、萘、菲、芘等)的生成.     

DNH三燃料简化化学动力学机理的构建与验证

将简化天然气GRI 3.0机理与柴油替代机理95/5,vv、氢气详细机理以及污染物生成模型组合,得到含79种组分、244步反应的DNH三燃料机理,通过敏感性分析、重要组分分析,调整化学动力学参数,对DNH机理进行验证.结果表明:DNH机理在当量比0.3~1.0内可准确预测单燃料的滞燃期、重要产物、污染物生成过程;通过CFD耦合DNH机理,在柴油、柴油/天然气和柴油/天然气/氢气三种模式下,模拟值与试验值一致性较好,表明DNH模型可满足发动机缸内燃烧模拟的需求.     

DME-PRF混合燃料化学动力学简化机理

使用二甲醚燃料微引燃汽油混合燃烧过程可以改善汽油高稀释燃烧的可控性,并进一步改进其热效率.为了从机理上研究微引燃混合燃烧过程,构建了一个可以兼顾不同DME-PRF掺混比例的化学反应动力学简化模型.通过层级扩展的方式,从CO/H2内核基团的反应开始,在此基础上逐步加入C1~C3过渡反应机理模块,以及C4~C7/C8的PRF子机理和DME子机理模块.最终得到一个包含79种组分267个基元反应的多组分替代燃料简化机理.激波管实验验证结果表明,该机理可以较准确地预测不同温度、压力、当量比下单一燃料和混合燃料的着火延迟;发动机实验证明,该机理对于着火相位和放热率有着不错的预测效果.     

乙烯-正庚烷混合燃料在碳烟生成中的协同效应

在对冲扩散火焰中对乙烯-正庚烷混合燃料的燃烧进行了模拟研究.耦合的反应机理包含正庚烷的裂解、C0-C4核心小分子反应、初始苯环生成、拓展到六苯并苯(A7)的PAH化学和包含36步成核反应的碳烟表面机理.在预混火焰中对正庚烷的燃烧进行了模拟,得到的关键组分的浓度变化与文献中的试验数据吻合较好.在对冲扩散火焰中对乙烯-正庚烷掺混燃料的燃烧进行模拟,结果显示:随着正庚烷掺混比的增加,碳烟体积分数(SVF)、苯及PAH的峰值均呈现先增加后降低的趋势,当掺混比为5%,时,SVF的峰值达到最大.对苯的生成进行详细分析,发现丙基和甲基在这种协同效应中起着关键作用.此外,随着掺混比的增加,苯与PAH的反应生成区逐渐往氧化剂侧移动,越过滞止平面后苯的生成率和消耗率均大大降低.     

代理柴油/水催化重整简化化学动力学模型的研究

柴油废气重整是将柴油机废气和水蒸气以及柴油蒸汽在高温低压的条件下发生催化反应生成富氢混合气的过程。本文利用CHEMKIN软件建立柴油废气重整化学动力学模型,利用正庚烷代替柴油成分,模拟研究了重整过程的正庚烷的消耗情况和氢气生成情况,通过敏感性分析和生成速率分析得出对正庚烷和氢气反应影响较大的基元反应和典型消耗/生成路径以及适宜反应的温度条件。