利用激波管实验装置研究丙烯/氧气/氮气混合气着火滞燃期

利用双膜化学激波管实验装置反射激波方法测量了丙烯/氧气/氮气混合气在温度范围为1650~1900 K、压力为0.1 MPa下的着火滞燃期.通过对理想激波管内流动状态分析,给出了合适的着火滞燃期定义.实验结果表明:随着初始温度的增加,丙烯/氧气/氮气混合气着火滞燃期缩短,着火滞燃期的对数与温度的倒数成正比,入射激波强度与着火滞燃期的对数成反比;高温条件下,混合气的着火滞燃期随着初始压力的增加而增加,随浓度的增加而缩短;利用多元线性回归方法拟合了C3H6着火滞燃期的Arrhenius型关系式,计算结果与文献中的实验数据具有很好的吻合性.     

C_2H_6/H_2混合气着火特性的实验与化学动力学研究

利用高压激波管实验装置测量了化学计量比下的C2H6/H2/O2/Ar混合气的着火延迟期,实验的温度范围为900~1 700K,压力为1.2~16倍标准大气压。实验结果表明:当混合气中C2H6的摩尔分数xC2H630%时,着火延迟期与温度和压力呈现出了典型的Arrhenius依赖性;当3%≤xC2H630%时,着火延迟期与温度仍呈现出Arrhenius关系,但是压力越高全局活化能越高;当xC2H6≤3%时,着火延迟期与温度和压力呈现出复杂的依赖关系。模拟结果表明:xC2H6对C2H6/H2混合气着火延迟期的影响是非线性的,NUIG Aramco Mech 1.3机理可以很好地预测出实验结果;通过化学反应路径分析和标准化的H自由基分析,可以解释着火延迟期对xC2H6的依赖关系。     

稀燃条件下甲烷-空气预混射流的着火特性

基于可控热氛围燃烧试验系统,探究射流当量比、射流速率和协流速率对甲烷-空气预混射流着火特性的影响。根据试验规律对天然气发动机稀薄燃烧的控制策略提出优化建议,以减少失火现象的发生。结果表明：随着协流温度的升高,甲烷-空气预混射流的稀燃极限降低而富燃极限升高,符合大多数碳氢燃料预混合气的着火界限分布规律。不同的射流速率和协流速率下均存在临界当量比,当低于临界当量比时,着火温度随射流当量比的升高而显著降低,当高于临界当量比时,着火温度趋于稳定。在较低的射流当量比工况（0.20 ~ 0.62）下,提高射流速率可以降低着火温度从而优化着火性能。     

碳碳双键对3-己烯酸甲酯着火延迟的影响

为了研究己烯酸甲酯在均质压燃条件下的着火规律,通过一台快速压缩机开展了3-己烯酸甲酯(mhx3d)在上止点压力为1.1,1.5,2.0MPa,当量比为0.5,1.0,1.5条件下的着火试验.并将mhx3d着火延迟与己酸甲酯(mhx)在上止点压力为1.5,2.0MPa,当量比为1时的实验结果进行了对比.使用CHEMKIN-PRO软件对mhx3d和mhx在较宽的温度范围内的着火延迟进行模拟,并进行了反应物浓度分析、敏感性分析和反应路径分析,研究了影响着火的重要基元反应.此外,在mhx3d中加入正丁醇(比例20%,40%,60%)来研究正丁醇对mhx3d着火延迟的影响.结果表明:mhx3d的当量比减少会增大着火延迟,减小最大燃烧压力;mhx3d的着火延迟随着正丁醇含量的增加而增大;mhx3d的着火延迟会随上止点压力的增大而减少;与mhx相比,mhx3d不存在明显的负温度系数现象,这是因为mhx3d中含有碳碳双键.试验测量了mhx3d的着火延迟,揭示了双键结构对mhx3d着火的影响.     

柴油喷雾火焰低温燃烧大涡模拟研究

柴油喷雾燃烧是个复杂的物理化学过程,尤其是低温条件下湍流燃烧仍有许多未知的现象.本文基于大涡模拟方法开展了不同环境温度下正十二烷喷雾火焰燃烧过程的模拟研究.首先,通过与喷雾燃烧基础数据库Engine Combustion Network(ECN)网站上试验数据对比,包括喷雾发展过程、着火延迟期和火焰浮升长度试验值,发现LES-LEM模型能够捕捉喷雾发展过程和燃烧过程,并且与试验数据非常接近.其次,本文深入分析了喷雾火焰中的低温燃烧过程,研究发现,提高初始温度,第1阶段着火延迟期和总的着火延迟期均缩短,而第2阶段着火延迟期变长,同时提高初始环境温度,出现放热率峰值的混合气浓度增加.酮类过氧化物和甲醛可以表征喷雾火焰中的多阶段着火过程,在着火延迟期附近,随着初始温度升高,酮类过氧化物(OC_(12)H_(23)OOH)质量分数峰值逐渐远离当量比混合物分数(Z_(st))向浓混合气方向发展.最后,本文探究了初始温度对整体燃烧放热过程和主要组分,包括碳烟标识物C_2H_2生成的影响.研究发现900 K条件下C_2H_2累积质量高于低温条件下的累积质量,这主要是由于900 K条件下着火延迟期和火焰浮升长度缩短,卷吸进来的空气质量减少,燃油与空气混合变差,产生了有利于C_2H_2形成更广泛的浓混合气区域.     

二异丁烯均质压燃着火与燃烧特性分析

运用数值方法对均质压燃条件下二异丁烯（Diisobutylene ,DIB）的着火与燃烧特性进行了研究。数值计算结果与相应实验结果吻合较好,说明数值计算合理可靠。分析了初始压力、当量比、燃料组分对二异丁烯着火特性的影响,以及二异丁烯在HCCI发动机条件下的燃烧特征。结果表明,随着初始压力、当量比的增加,二异丁烯着火延迟期缩短;燃烧达到的最高温度随着当量比增加而提高,但不受初始压力变化的影响。在均质压燃条件下,二异丁烯同分异构体DIB 1着火先于DIB 2,二异丁烯混合物燃料着火延迟时间依赖于二异丁烯同分异构体组分的比例关系。二异丁烯是单阶段着火燃料,DIB 2最大放热率低于DIB 1,但仍能提供良好的动力性能。     

基础燃料均质压燃燃烧特性的数值计算

结合详细化学反应动力学机理,利用CHEMKIN软件计算了基础燃料均质压燃燃烧(HCCI)的过程,并与单缸HCCI燃烧试验作出对比。研究了燃料成分、压缩比、燃空当量比、初始温度、初始压力对HCCI发动机燃烧的影响。计算结果表明:随着燃料辛烷值的增加,着火延迟期增加;压缩比、当量比、初始温度、初始压力的变化对燃烧着火时刻有显著影响,同时不难看出,基础燃料HCCI燃烧运行工况范围是有限制的。     

DRGEP与敏感性分析方法构建甲苯简化动力学模型

基于Metcalfe提出的甲苯详细反应机制,采用基于误差传递的直接关系图(DRGEP)方法得到由92组分、607反应组成的初步反应框架,然后采用反应速率分析和温度敏感性分析在宽范围的温度、压力和当量比条件下将机制进一步简化,得到48组分、176反应的甲苯简化动力学机制。将甲苯简化机制与激波管的滞燃期、射流搅拌器中的组分浓度及HCCI发动机试验数据进行对比。结果表明:简化后的甲苯机制预测结果与试验结果非常吻合。甲苯被OH基氧化脱氢的反应在浓混合气条件下抑制系统反应的进行,但在稀燃时会促进系统氧化反应,增加系统温度。另外,与O-OC_6H_4O_2相关的反应对着火有重要影响,C_6H_4CH_3与O_2形成O-OC_6H_4CH_2的过程随温度升高延迟着火作用增强。     

正庚烷氧化基态OH基浓度时程吸收光谱诊断

为了提供宽温度范围下正庚烷模型的微观验证数据,利用激波管反射激波方法结合紫外吸收光谱诊断技术,以OH基的A-X(0,0)跃迁R_1(5)谱线中306.686 8 nm为中心诊断波长,测量了温度1 197～1 690 K、压力150 kPa、当量比1.0、燃料初始体积分数0.1%下,正庚烷/氧气/氩气混合气氧化过程中OH基浓度时程。结果表明,激波管真空度和漏气率是影响OH基浓度峰值的主导因素,结果分析中必须给予考虑以确保实验结果的准确性。实验观测到了正庚烷氧化过程OH基浓度时程演变的3种形态,发现入射激波引起的非理想物理边界层效应对OH基浓度时程测量影响显著。与已有的5个代表性正庚烷模型预测值比较发现,当前工况下模型可准确预测各温度下OH基浓度时程演变趋势,但各模型在同时预测宏观点火延迟和微观OH基浓度方面仍有缺陷,温度越低,各模型对点火延迟期的预测偏差越大。反应■对正庚烷模型点火延迟预测性能影响较大,对该反应动力学参数的深入研究有助于完善正庚烷机理。     

混合气压力对爆震波特征参数的影响规律

在混合气当量比一定的条件下，采用平衡常数法对烃-空气系统的爆震燃烧产物的平衡温度、平衡压力及爆震波速进行了计算及比较。在此基础上研究了混合气压力对爆震波特征参数的影响规律。结果表明：在同一当量比下，平衡温度和爆震波速随混合气压力变化规律一致，随着初始压力的增大而增大，逐渐趋于一最大值。平衡压力与初始压力呈线性增大。同时，对于不同燃料，分子量越大，其平衡温度、平衡压力就越大。     

Experimental study of n-heptane ignition delay with carbon dioxide addition in a rapid compression machine under low-temperature conditions

The ignition delay of n-heptane homogeneous charge compression ignition(HCCI) combustion under high levels of carbon dioxide addition was quantitatively measured at elevated pressure from low to intermediate temperatures in a rapid compression machine.The experiments were conducted in the compressed temperature range 613-750 K.Both the compression ratio and fuel/air equivalence ratio were varied to investigate their effects on the ignition delay of n-heptane.Carbon dioxide was subsequently added to study the influence of the carbon dioxide level on the ignition delay of n-heptane under low-temperature conditions.It was found that carbon dioxide had different effects on the two-stages of ignition delay of n-heptane under low-temperature conditions:the concentration of carbon dioxide had little effect on the first-stage ignition time;a certain concentration of carbon dioxide accelerated the first-stage ignition but had a significantly larger impact on the second-stage ignition delay,thus increasing the overall ignition delay time.The results also showed that the first-stage ignition delay of n-heptane is only a function of temperature under low-temperature conditions.The mass of n-heptane in the combustible mixture,the equivalence ratio,and the pressure at the top dead center had little effect on the first-stage ignition time of n-heptane.     

二甲基醚发动机工作过程的数值模拟研究

以二甲基醚着火反应机理和热力学燃烧模型为基础,建立了二甲基醚着火数据库及发动机工作过程的数学模型,藉此进行了发动机的循环模拟计算．计算结果与验证实验结果对比表明,Wiebe模型、Watson模型和Whitehouse-Way模型均可应用于二甲基醚发动机工作过程的模拟计算．应用化学反应动力学模型对DME发动机着火过程模拟计算结果所建立的着火数据库表明,滞燃期是缸内温度、压力和燃空当量比的函数,在一定的燃空当量比范围内,着火滞燃期随燃空当量比增大而变小．而采取将着火数据库与Watson燃烧子模型相耦合的模拟计算能够与实验结果相吻合。     

O2／CO2气氛下着火延迟特性影响因素分析

采用详细化学反应动力学方法研究了3种烷烃燃料（正戊烷、正己烷和正庚烷）在O2／CO2气氛及空气气氛下的着火延迟特性,探讨了初始温度为1000～1350K,压力为1．6～4．0MPa,过氧系数为0．7～1．3条件下,不同燃烧气氛、CO2体积分数、温度、压力、过氧系数等因素对3种烷烃燃料着火延迟的影响规律．结果表明：在相同初始O2体积分数条件下,高CO2体积分数气氛下3种烷烃燃料的着火延迟时间比空气气氛下明显延长;随着燃烧系统中初始CO2体积分数的增加,3种烷烃燃料的着火延迟时间进一步增加,O2／CO2气氛下出现着火延迟现象不仅与CO2的热物性有关,还与燃烧系统内CO2的化学反应动力学作用有关．     

Shock tube study on auto-ignition characteristics of kerosene/air mixtures

Ignition delay times are obtained for kerosene/air mixtures behind the reflected shock waves at temperatures between 1445 and 1650 K,at a pressure of 0.11 MPa and an equivalence ratio of 1.0.A nebulization device with Laval nozzle is used to nebulize kerosene and form an aerosol phase,which evaporates and diffuses rapidly behind the incident shock waves.Mixtures auto-ignite behind the reflected shock waves.An ICCD is used to visualize the kerosene/air mixture’s ignition characteristics.The mixture’s ignition intensity increases with increase in initial temperature.Continuous and irregular flames exist below 1515 K while plane and discontinuous flames exist over 1560 K.Ignition delay times decrease with increase in initial temperature.Experimental data shows good agreement with results reported previously in the literature.A new surrogate (consisting of 10% toluene,10% ethylbenzene and 80% n-decane) is proposed for kerosene.Honnet et al.’s mechanism is used to simulate the ignition of kerosene with calculations agreeing well with the experimental data.The sensitivity of reaction H+O2 <=>OH+O,which shows the highest sensitivity to the ignition delay time,increases with an increase in temperature.The chain breaching reaction of CH3 with O2 accelerates the total reaction rate and the H-atom abstraction of n-decane controls the total reaction rate.The rate of production and instantaneous heat production indicate that two reactions,H+O2 <=>OH+O and O+H2 <=>OH+H,are the key reactions to the formation of OH radicals,as well as the main endothermic reaction.However,the reaction of R3 is the main heat release reaction during ignition.Flame structure analysis shows that initial pressure is increased slightly as CO and H2O will appear before main ignition.     

Experimental and kinetic study on ignition delay times of methane/hydrogen/oxygen/nitrogen mixtures by shock tube

Ignition delay times of methane/hydrogen/oxygen/nitrogen mixtures with hydrogen amount-of-substance fractions ranging from 0–20% were measured in a shock tube facility.The ambient temperature varied from 1422 to 1877 K and the pressure was maintained at 0.4 MPa behind the reflected shock wave.The experiments were conducted at an equivalence ratio of 2.0.The fuel mixtures were diluted with nitrogen gas so that the nitrogen amount-of-substance fraction was 95%.The experimental ignition delay time of the CH4/H2 mixture decreased as the hydrogen amount-of-substance fraction increased.The enhancement of ignition by hydrogen addition was weak when the ambient temperature was >1750 K,and strong when the temperature was <1725 K.The ignition delay time of 20% H2/80% CH4 was only one-third that of 100% CH4 at 1500 K.A modified model based on GRI-Mech 3.0 was proposed and used to calculate the ignition delay times of test mixtures.The calculated results agreed with the experimental ignition delay times.Normalized sensitivity analysis showed that HO·+H2 →H·+H2O was the main reaction for the formation of the H· at 1400 K.As the hydrogen amount-of-substance fraction increased,chain branching was enhanced through the reaction H·+O2→O·+HO·,and this reduced the ignition delay time.At 1800 K,the methyl radical (H3C·) became the key species that influenced the ignition of the CH4/H2/O2/N2 mixtures,and sensitivity coefficients of the chain termination reaction 2H3C·(+M)→C2H6(+M),and chain propagation reaction HO2+H3C·→HO·+CH3O decreased,which reduced the influence of hydrogen addition on the ignition of the CH4/H2 mixtures.     

癸酸甲酯/醇类混合燃料以及乙醇燃料自点火试验

研究了发动机工作条件下,癸酸甲酯和乙醇燃料以及癸酸甲酯和正丁醇混合燃料的自点火特性.在加热激波管中,利用反射激波后的试验区域研究了混合燃料的点火延时.混合燃料是体积比为90%癸酸甲酯/10%乙醇燃料、50%癸酸甲酯/50%乙醇燃料和90%癸酸甲酯/10%正丁醇的混合物.在2 MPa下,研究了当量比对点火延时的影响,同时考察了癸酸甲酯中醇类的添加体积混合比和醇的种类对点火延时的影响,进一步研究了乙醇燃料在不同当量比下的点火延时.

     

基于准维多区模型的DME发动机燃烧数值模拟

提出了一种基于准维多区模型的直喷式二甲醚发动机燃烧过程的数值模拟方法,其中喷雾模拟考虑了燃油分布、液滴蒸发和空气卷吸对喷雾混合的影响。自燃着火过程的模拟以二甲醚着火反应机理为基础,建立了计及温度、压力和燃空当量比因索的着火滞燃期数据库,通过将该数据库与准维多区喷雾混合模型相耦合,对二甲醚发动机的性能和一氧化氮排放进行了预测分析．实验结果表明,模拟计算结果与实测数据符合较好．