柴油机燃烧过程中多环芳香烃的生成机理

以正庚烷和甲苯作为柴油燃料替代混合物,构建了1个包含多环芳香烃（PAHs）的柴油燃料替代混合物燃烧化学动力学机理,PAHs的生成考虑到5个苯环。该机理包括153种组分,697个基元反应。在激波管、正庚烷预混火焰和均质充量压燃着火发动机条件下对该机理进行了验证,结果表明构建的机理在HCCI燃烧方面的预测性能是可靠的,可以进一步简化,进而为CFD多维模型与化学反应动力学模型相耦合计算燃烧和排放提供了可行的途径。     

天然气/氢气/空气自燃着火过程的动力学特性

在定压条件下,基于GRI-Mesh 3.0机理(包含53种组分和325个基元反应),采用化学反应动力学模型,研究了在不同初始温度、压力和化学当量比等条件下,氢气掺混比例对天然气/氢气混合气体的自燃着火特性的影响。在仿真分析中,主要着眼于混合气体温度的变化,各主要组分浓度的变化,着火迟延时间的变化,以及火焰传播速度的变化等。研究结果表明:不同初始条件下,随着天然气掺氢比例的增加,混合气体的着火延迟时间明显缩短,火焰传播速度大幅提高,而对火焰温度影响较小。     

正庚烷在O2/CO2环境中的着火特性

为准确预测正庚烷(n-C_7H_(16))在O_2/CO_2环境中的着火延迟,提出了Chalmers 1(C1)化学动力学机理。该机理包含32个组分和96个反应,考虑了CO_2对正庚烷着火延迟的影响,计算了不同CO_2体积分数条件下的着火延迟时间。建立了定容燃烧弹(constant volume combustion chamber, CVCC)可视化试验平台在5个工况下对机理进行了验证,对CO_2的热效应、第三体效应和各基元反应对着火的敏感性进行了分析。结果表明:该机理能够预测正庚烷在不同体积分数比的O_2/CO_2环境中的着火延迟时间,与试验数据相比,最大误差6.5%,最小误差1.4%。CO_2的第三体效应导致着火延迟在工况1(65%O_2/35%CO_2)中缩短了6%,在工况5(30%O_2/70%CO_2)中缩短了27.3%。     

汽油/加氢催化生物柴油混合燃油简化机理的构建及验证

针对汽油/加氢催化生物柴油(HCB)混合燃油可改善汽油直喷压燃模式中低负荷着火困难和燃烧不稳定的现象,基于燃油分子结构和理化特性相似原则,提出了正十六烷作为加氢催化生物柴油的表征燃料.采用多种简化方法对正十六烷详细机理(POLIMI＿1 412)进行简化,并与汽油表征燃料骨架机理以及氮氧化物子机理进行耦合,获得了82个组分和370步基元反应的汽油/HCB混合燃油简化机理.采用反应路径分析和敏感性分析方法,对部分反应的反应速率常数进行优化.结果表明：对着火延迟期的敏感性分析发现,各反应的敏感性随温度和当量比变化显著;低温工况下,大多数低温反应对着火起控制作用,而对于层流火焰速度,主要是小分子反应起控制作用;通过对简化机理的着火延迟期、层流火焰速度和组分摩尔分数进行对比验证,以及对简化机理在压燃发动机仿真中的适用情况进行验证,发现简化后获得机理可以很好预测汽油/HCB混合燃油着火燃烧特性.     

高浓度CO2对70%正庚烷+30%甲苯着火延迟的影响

为了研究柴油在O2/CO2环境下的着火延迟时间,建立了以70%正庚烷+30%甲苯作为柴油表征燃料的着火延迟时间模型,该模型考虑了高浓度CO2对着火的阻燃作用,得到了着火延迟时间与温度、环境密度以及O2、CO2气体浓度等之间的函数关系。利用正庚烷/甲苯机理的仿真计算和定容燃烧弹可视化试验,对不同CO2体积分数下的着火延迟时间和影响着火发生的重要基元反应进行深入研究。结果表明：该模型能够预测柴油在O2/CO2环境下的着火延迟时间,且在50%CO2环境下计算和实验的平均误差值为5.71%;CO2的热效应对着火延迟时间的影响起主导作用,同时当CO2体积分数大于60%时,CO2的第三体碰撞效应对着火发生的促进作用显著增强。     

基于组分浓度的LNG-柴油燃料反应机理简化

以甲烷-正庚烷-异辛烷-环己烷-甲苯混合物作为LNG(液化天然气)-柴油模型燃料,构建了包含1 425种组分和5 597个基元反应的LNG-柴油模型燃料详细燃烧反应机理.以重要组分摩尔分数为目标参数,通过基于误差传递直接关系图法对该详细机理进行了简化,分析了简化阈值与机理规模的关系,结合反应路径研究了机理简化的规律.结果表明:随着简化阈值增大,机理规模逐渐减小,但减小的速度逐渐降低,当阈值增大至0.8时,简化机理规模基本恒定.结合简化阈值与误差,确定合理的简化机理包含208种组分和1 087个基元反应,该机理可准确预测模型燃料的着火延时与层流燃烧速度.简化机理保留了H2/CO/C1子机理、C2-C3半详细机理和C4-C8骨架机理,去除了约85%冗余组分和81%的基元反应.     

耦合详细反应动力学机理的碳氢燃料预混火焰结构数值预测

理论研究碳氢燃料、空气预混气流动燃烧过程数值计算方法 以碳氢类燃料中具有代表性的柴油为例 ,采用其最新研究的化学反应动力学机理 (包含 32 7个基元反应 ,涉及 71种组分 ) ,使用美国SANDIA国家实验室开发的CHEMKIN系列软件、PREMIX程序和LAWRENCE国家实验室开发的解刚性反应系统算法器 ,模拟了不同工况下预混火焰中温度、反应物、主产物和自由基浓度随火焰高度的变化关系 ,为反应设计提供依据     

柴油/甲醇高温富燃动力学机理的简化

采用直接关系图(DRG)法和敏感性分析(SA)法对包含261种组分、1,338个反应的柴油/甲醇高温氧化机理进行了简化.开发了适用于层流火焰模型的DRG简化程序,取阈值0.01得到包含65种组分、409个反应的初步简化机理,将该机理与详细机理的模拟结果进行了对比分析;在初步简化结果的基础上,采用SA方法进一步得到包含61种组分、151个反应的简化机理.简化机理对参比燃料中甲苯和产物中苯的模拟结果与层流火焰的试验值吻合较好,能反映碳烟前驱体的演化过程;氧化剂、主要产物以及其他参比燃料的预测值与试验值接近,可以描绘层流预混火焰结构;简化机理与预测双燃料着火的23步反应机理结合后,应用到缸内燃烧的三维模拟中,可以较为准确地预测缸内压力和放热率的变化.     

RP-3航空煤油替代燃料简化-优化反应动力学建模

针对传统化学反应机理简化方法无法兼顾精度和计算量的问题,提出了耦合化学反应机理简化和优化方法(CROM).应用CROM成功实现了对RP-3航空煤油3组分替代燃料详细化学反应机理的简化和优化,得到包含47组分、94反应的优化机理.采用优化机理,数值模拟了RP-3航空煤油在激波管和对冲火焰装置中的燃烧过程,并将模拟结果与文献实验值和文献计算值进行对比验证.结果表明,该优化机理能够准确预测RP-3航空煤油的点火延迟时间和火焰传播速度,且比文献的化学反应机理规模更小、计算效率更高,具有较高的工程应用价值.     

4类碳氢燃料的高温燃烧反应简化建模

以正辛烷(n-C₈H₁₈)、异辛烷(i-C₈H₁₈)、甲基环己烷(CH₃cyC₆)和正丁基苯(A1C₄H₉)4类大分子碳氢燃料为对象,探究了简化建模方法对含不同官能团的碳氢化合物燃烧反应动力学的适用性。建立了上述4类碳氢燃料的简化反应动力学模型,包含124个化学组分和854个基元反应;采用热解反应和氧化反应过程的主要中间产物分布、点火延时时间、层流燃烧速率等基础燃烧数据对该模型进行验证;分析了4类燃料中间产物的碳分布及对宏观燃烧特性的影响;以n-C₈H₁₈为例,采用误差传播直接关系图谱法对所建简化模型进行进一步简化,简化后的模型包含56个化学组分和387个基元反应。结果表明:本简化建模方法不仅对直链烷烃和支链烷烃有较好描述,同时适用于环烷烃和烷基芳香烃的燃烧化学;不同官能团的大分子碳氢燃料裂解中间产物的不同决定了其宏观燃烧特性;该建模方法通过进一步简化,可有效与先进计算...     

汽油PRF简化化学反应动力学模型的构建研究

利用反应路径分析和敏感性分析方法对异辛烷和正庚烷的详细化学反应动力学模型进行简化,根据“半解耦”思想,以C0~C1的小分子机理作为汽油基础参考燃料（PRF）的“内核”,构建了包含41种组分和131个反应的PRF简化化学反应动力学模型,并通过了基础反应器包括激波管（ST）、一维层流火焰速度（LFS）和射流搅拌器（JSR）...     

DME发动机准维直喷燃烧模型

为了能够预测二甲醚(DME)燃料缸内直喷燃烧及排放过程,基于该燃料气相喷雾雾化模型,推导出DME准维燃烧分区模型.通过气相射流模型对缸内情况进行分区,采用CHEMKIN库函数求解每个区化学反应速度.模型基于DME详细化学反应机理(包含79个物种、399步基元反应),采用DVODE算法对微分方程组进行求解,能够对DME着火过程进行模拟,并且能够对多种排放物(CO,NOz等)进行模拟预测.     

柴油替代燃料着火过程的动力学特性

在均质充量压燃着火（HCCI）条件下,对构建的柴油替代燃料化学动力学模型,应用CHEMKIN软件闭式均相反应器模块研究了柴油替代燃料中甲苯的存在以及在不同初始温度下甲苯的含量对柴油替代燃料着火延迟时间的影响,结果表明：柴油替代燃料的着火特性主要由正庚烷来控制,而柴油替代燃料中甲苯缓慢的氧化对着火特性影响不大。在较低的初始温度下,甲苯的含量对着火时间的影响是明显的。随着甲苯含量的增加,更多的着火延迟过程会出现。     

新型零碳氨燃料的燃烧特性研究进展

介绍了国内外对氨燃烧特性的最新研究成果,分析了氢气、合成气、甲烷等各种燃料掺混对氨火焰在点火延迟时间、层流火焰速度和NO_x排放特性方面的影响,阐述了近年来包含NH3组分的化学反应动力学机理模型的研究现状,并总结了现阶段的氨燃烧的工业化应用探索,为之后的相关研究提供参考．氨作为新型零碳燃料替代传统化石能源燃烧供能是可行的,未来发展纯NH3、NH3与各种气液固燃料的掺混燃烧技术及低NO_x燃烧技术,最终有望在内燃机、燃气轮机、锅炉等动力装置中大规模使用．     

化学反应机理对煤油超声速燃烧数值模拟的影响

本文在RANS方法框架下,采用部分预混火焰面模型耦合3种不同的煤油替代燃料的多步机理,对液态煤油在基于双级支板喷注的超燃冲压发动机中的超声速燃烧过程进行了数值模拟研究。来流总温为1231 K,入口马赫数为2.0。液态煤油通过两级十字型布置的支板直喷入燃烧室。煤油替代燃料的化学反应机理分别包括16组分23步反应(Mech.16),40组分141步反应(Mech.40),以及106组分382步反应(Mech.106)。结果表明:化学反应机理对燃烧流场的流动结构和火焰结构均存在着显著的影响。与试验结果相比,包括了低温机理的Mech.40预测的壁面静压分布曲线明显优于另外两种机理。这是因为该机理可以较为准确地预测低温区域的点火延迟时间,并且预估的熄火标量耗散率更大一些。     

H2/RP-3航空煤油混合燃料着火特性研究

实现碳氢燃料的快速点火与稳定燃烧是超燃冲压发动机研制过程中必须解决的关键问题。在航空煤油中添加乙醇燃料,利用乙醇热分解得到氢气等可燃小分子气体来改善燃烧过程是达到促进航空煤油着火与燃烧稳定的有效手段。选取正癸烷、甲苯、丙基环己烷三组份混合燃料作为RP-3航空煤油的模拟替代燃料,构建了其燃烧反应机理;并对该机理进行了验证。为揭示氢气对RP-3航空煤油着火特性的影响,构建了RP-3航空煤油/氢气混合燃料的燃烧反应机理;并对该机理进行了验证。同时,采用该燃烧反应机理分析了多工况下掺氢比对RP-3航空煤油着火特性的影响。结果表明,采用正癸烷、甲苯、丙基环己烷三组份混合燃料的燃烧反应机理计算得到的着火延迟时间与相应工况下RP-3航空煤油着火延迟时间的试验数据吻合良好;多工况下氢气添加能够提升RP-3航空煤油/氢气混合气活性,缩短着火延迟时间,促进燃料着火;同时,随着混合气中掺氢比的升高,混合气的着火延迟时间逐渐缩短。     

航空煤油反应动力学模型的发展现状和挑战

航空发动机数值仿真有助于加速发动机的研发进程，但需要准确可靠的航空煤油燃烧反应动力学模型。该文总结了近20年国内外航空煤油(Jet A和RP-3)及其模型燃料的研究进展，包括航空煤油的主要成分及理化性质测定、航空煤油及其模型燃料的基础燃烧实验、模型燃料构建方法及配方组成，以及模型燃料反应动力学模型的发展与验证等方面。航空煤油燃烧数值模拟的关键在于模型燃料的建立及其详细、简化燃烧反应动力学机理的发展，在高保真刻画燃烧反应动力学特性的前提下，航空煤油简化机理最终用于航空发动机燃烧室的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真。该文将航空煤油反应动力学模型研究分为航空煤油的实验研究、模型燃料构建及其反应动力学模型研究3个部分，并着重讨论了此部分的发展现状与挑战。     

甲醇/柴油PAHs形成途径的动力学模型与仿真

对甲醇/柴油化学反应和多环芳香烃(PAHs)的生成机理进行了分析,构建了由228种组分和1 584个基元反应组成的甲醇/柴油PAHs计算模型.采用CHEMKIN软件中的reflect shock和均质零维反应模型,研究了甲醇/柴油混合燃料的PAHs生成过程及变化规律.结果表明:该模型能准确预测甲醇/柴油燃烧过程中的反应温度,甲醇摩尔分数,反应中间产物CO,CO2,O2的摩尔分数随时间的变化规律和着火延迟;甲醇/柴油燃烧过程中,单个苯环主要通过丙炔基聚合和环化反应以及苯基的加氢反应形成;多个苯环主要通过脱氢加乙炔反应形成;PAHs的生成量随着甲醇掺混比例的增加而下降;随着混合气当量比减小,PAHs的前驱体C2H2,C3H3生成量减少.     

正庚烷-甲烷二元燃料着火特性的模拟研究

针对试验中发现的柴油引燃天然气会推迟着火的现象,采用零维模型定量分析了由于加入甲烷所引起的混合气氧分压、定容热容以及化学动力学反应的变化对正庚烷着火的推迟作用,表明了动力学反应的变化对着火推迟有着重要的影响.其次,通过对二元燃料详细机理的耦合分析,对二元燃料动力学反应在着火推迟中的作用机理做出了解释.发现在低温氧化过程中,由于甲烷将活跃的OH转化为稳定的H2O2,同时甲烷不具备与正庚烷类似的低温链分支反应,故降低了系统的反应活性.随着初始温度增加至超过1,000,K,H2O2开始迅速分解,控制着火的重要反应也随之由正庚烷二次加氧后的链分支反应,逐渐向着反应H2O2=OH+OH、CH3+HO2=CH3O+OH、H+O2=OH+O转变,动力学反应对正庚烷着火的影响也由抑制转变为促进.最后,创建了一个包含53步反应、36种组分的简化机理.计算结果表明,该机理在不同初始温度、初始压力、当量比的情况下,可以对二元燃料着火时刻有较好的预测.     

初始NO_x对甲苯参比燃料燃烧相位影响机理研究

为了更好地理解低温燃烧环境下初始NOx对汽油自燃特性的影响,构建了一个异辛烷、正庚烷、甲苯低温氧化阶段与NOx相关联的反应模型.以甲烷、丁烷、乙烯等燃料与NOx的关联反应为基础,甄选并补充了汽油大分子替代燃料对应初始烃类物质与含氮组分反应以及低温阶段氮氧化物的生成与转化反应.与三种不同成分及配比结构的燃料实验数据对比,验证了此反应模型能用于预测NOx对相应燃料着火延迟及放热规律的影响,并对燃料在不同掺混比例时初始NOx的添加情况进行了分析,获得了初始NOx对不同燃料成分的主要作用途径.结果表明:系统燃烧相位会随初始NOx添加而提前,当燃料中以甲苯为主要成分时提前较多,而当主要成分为烷烃时,变动更为平缓.