页岩气预混火焰及发动机燃烧过程稳定性研究

发布时间：2017-10-29 15:22

  本文关键词：页岩气预混火焰及发动机燃烧过程稳定性研究

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【摘要】：页岩气是一种存在于致密细碎屑岩中的非常规天然气,主要成分为CH4,是具有潜力的发动机替代燃料。我国页岩气资源赋存丰富,不同地区页岩气组分存在差异,影响预混燃烧速度,导致发动机燃烧循环变动不同,有必要围绕页岩气组分对预混火焰及发动机燃烧过程稳定性的影响开展研究。全文共分7章,主要围绕页岩气的预混火焰,页岩气发动机燃烧过程与循环变动的变化规律,以及发动机燃烧稳定性的改善措施等三个方面开展了研究。采用定容燃烧弹试验与数值模拟相结合的方法,探讨了页岩气预混火焰传播过程的变化规律。根据页岩气发动机台架试验的结果,分析了组分对发动机燃烧过程的影响,研究了燃烧特征参数的循环变动规律,探讨了循环变动的非线性动力学特征。提出双火花塞点火和页岩气掺混HHO两种措施改善发动机的燃烧稳定性,通过试验研究的方法,分析了改善措施对页岩气发动机循环变动的影响,采用数值模拟的方法,探讨了缸内火焰传播过程的变化规律。初始条件和惰性气体含量对页岩气预混火焰的传播过程存在影响。采用定容燃烧弹试验系统,针对页岩气组分进行了配比,研究了页岩气预混火焰的传播速度,分析了火焰前锋面的稳定性,探讨了预混燃烧速度与火焰稳定性的关系;通过数值模拟的方法,分析了预混燃烧过程中物质浓度的变化规律,结合生成速率和敏感性分析的研究,探讨了页岩气中CH4的消耗过程,研究了绝热火焰温度对化学反应速率的影响。研究表明,初始温度对化学反应速率的影响较小,H+OH基摩尔分数峰值增大,是造成预混燃烧速度变快的主要原因;当初始压力提高时,化学反应速率明显提高,导致H、O和OH基的浓度减小,火焰的传播速度变慢,火焰前锋面的稳定性下降;当量比为1.0时,预混火焰的传播速度最快,稀薄混合气对火焰传播速度的抑制作用强于浓混合气,随着当量比增加,火焰前锋面逐渐稳定;R1反应对CH4消耗速率的影响最大,CH3基是评价CH4消耗速率的重要自由基,随着CH4含量的增大,CH3基浓度降低,CH4的消耗速率下降,导致火焰的传播速度减小;惰性气体抑制绝热火焰温度,化学反应速率减小,火焰的传播速度降低,火焰前锋面的稳定性下降,CO2对预混燃烧速度的抑制作用明显强于N2。采用进气道预混的方式,将单缸试验汽油机改造为页岩气发动机,通过发动机台架试验,配比了不同组分的页岩气,研究了不同气体组分对缸内压力及放热过程的影响,分析了缸内压力的循环变动规律,探讨了最大爆发压力对应的曲轴转角与最大爆发压力和平均指示压力的关系,通过各曲轴转角处压力的波动,研究了发动机不同工作阶段对循环变动的影响。研究表明,当CH4含量增加时,最大爆发压力下降,对应的曲轴转角远离上止点,放热过程变慢,最大爆发压力及对应曲轴转角的循环变动增大;N2和CO2等惰性气体抑制了缸内的燃烧速度,发动机的动力性下降,随着页岩气中惰性气体含量的增加,燃烧循环变动增大,各循环最大爆发压力及对应曲轴转角分布的相关性减小,部分燃烧循环和失火循环增多,发动机的燃烧稳定性下降;燃烧阶段的缸内压力变动是页岩气发动机产生循环变动的主要原因。采用非线性动力学的方法,研究了页岩气发动机循环变动的动力学特征。根据相空间重构理论,分析了相空间轨迹的运动规律,探讨了循环变动对相空间轨迹的影响;采用庞加莱映射的方法,降低了相空间的维数,研究了相空间轨迹与庞加莱截面交点的分布规律;通过燃烧特征参数的返回映射,分析了燃烧过程确定性的变化规律;探讨了气体组分对关联维数和最大Lyapunov指数等混沌特征参数的影响。研究表明,页岩气发动机燃烧过程中,缸内压力在整个相空间呈现出类似准周期的状态,随着页岩气中CH4、N2和CO2含量的增大,圆弧段轨迹逐渐分散,发动机燃烧过程的随机性增强;相空间轨迹在∑XY+截面的庞加莱映射点呈单调递增分布,当惰性气体含量增加时,散点的线性关系逐渐增强,轨迹与∑XY-和∑XZ-截面的交点呈单调递减分布;燃烧特征参数的返回映射点呈团状分布,当N2和CO2含量增大时,部分散点分布在映射点密集区域的左侧和下侧,为部分燃烧循环或失火循环;页岩气发动机燃烧过程表现出一定的混沌特征,随着燃烧循环变动的增加,关联维数和最大Lyapunov指数增大,混沌特征逐渐明显。针对双火花塞点火对页岩气发动机燃烧稳定性的影响。通过试验研究的方法,分析了点火位置和点火时刻对燃烧过程的影响,探讨了发动机燃烧过程稳定性随点火提前角的变化规律,研究了同步双点和异步双点对燃烧过程与循环变动的影响,分析了燃烧循环变动的非线性动力学特征;采用数值模拟的方法,探讨了当点火提前角和点火数量发生变化时缸内火焰的传播过程。研究表明,点火位置与燃烧室中心距离缩短时,火焰发展期的变化较小,快速燃烧期缩短,燃烧速度增大,最大爆发压力上升,对应的曲轴转角提前;随着点火提前角的减小,部分页岩气推迟到膨胀做功阶段燃烧,缸内的湍动能减小,火焰的传播速度降低,最大爆发压力和放热率峰值下降,预混时间延长导致火焰发展期缩短,燃烧循环变动增大,部分燃烧和失火循环增多,相空间轨迹逐渐分散,发动机工作稳定性下降;页岩气发动机采用双火花塞点火时,缸内的湍动能增大,火焰的传播距离缩小,火焰传播速度和火焰面密度提高,导致火焰发展期和快速燃烧期缩短,缸内的燃烧温度升高,同步双点对火焰传播速度的促进作用强于异步双点,燃烧循环变动较小,发动机燃烧过程的确定性较强,混沌特征减弱。围绕布朗气(HHO)对页岩气发动机燃烧稳定性的影响,通过台架试验,研究了页岩气发动机掺混HHO的燃烧过程,分析了缸内压力的循环变动规律,探讨了燃烧特征参数之间的相互关系,研究了循环变动动力学特征随HHO含量的变化规律;通过数值模拟的方法,探讨了缸内温度场的变化,研究了HHO含量对火焰面速度与火焰面密度的影响。研究表明,页岩气发动机掺混HHO后缸内压力升高,压力升高率的分布范围增大,放热率峰值增加,火焰发展期和快速燃烧期缩短;随着HHO含量的增加,燃烧循环变动减小,发动机燃烧过程的稳定性提高,各循环最大爆发压力与对应曲轴转角分布的相关性增强,部分燃烧等不正常燃烧现象得到改善,相空间轨迹分布逐渐密集,发动机燃烧过程的周期性提高,混沌特征减弱;随曲轴转角的增大,缸内的最高燃烧温度增大,火焰的传播速度加快,火焰面密度的峰值提高,快速燃烧期中期,燃烧室底部火焰逐渐向左右两侧移动。
【关键词】：页岩气 预混火焰 稳定性 非线性动力学 双火花塞 布朗气
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要5-8
• abstract8-16
• 1 绪论16-33
• 1.1 选题背景及意义16-18
• 1.2 页岩气的组分18-19
• 1.3 预混火焰研究现状19-26
• 1.3.1 火焰结构20-21
• 1.3.2 预混燃烧速度与火焰传播速度21-24
• 1.3.3 火焰稳定性24-26
• 1.4 气体发动机燃烧稳定性的研究现状26-31
• 1.4.1 燃烧过程的研究26-27
• 1.4.2 循环变动的影响因素27-29
• 1.4.3 循环变动的动力学特征29-31
• 1.5 本文的主要研究工作31-33
• 2 页岩气的预混火焰研究33-67
• 2.1 预混火焰评价参数33-36
• 2.1.1 火焰结构33-34
• 2.1.2 预混燃烧速度与火焰传播速度34
• 2.1.3 燃烧速度的测量方法34-36
• 2.2 火焰的不稳定性36-38
• 2.3 定容燃烧弹试验系统与方案38-41
• 2.3.1 试验设备38-39
• 2.3.2 气体组分配比39-40
• 2.3.3 试验方案40-41
• 2.4 火焰传播过程的影响因素41-45
• 2.4.1 初始条件41-44
• 2.4.2 气体组分44-45
• 2.5 火焰稳定性分析45-53
• 2.5.1 拉伸火焰传播速度45-49
• 2.5.2 无拉伸火焰传播速度49-50
• 2.5.3 预混燃烧速度50-52
• 2.5.4 马克斯坦长度52-53
• 2.6 预混火焰结构的数值模拟53-65
• 2.6.1 机理构建与模拟方案54-55
• 2.6.2 初始条件变化55-60
• 2.6.3 气体组分变化60-65
• 2.7 本章小结65-67
• 3 页岩气发动机燃烧过程研究67-91
• 3.1 循环变动的评价参数67-68
• 3.2 发动机改造与试验方案68-71
• 3.2.1 发动机改造68-70
• 3.2.2 试验方案与设备70-71
• 3.3 气体组分对燃烧过程的影响71-78
• 3.3.1 CH_4含量71-73
• 3.3.2 N_2含量73-76
• 3.3.3 CO_2含量76-78
• 3.4 燃烧循环变动分析78-89
• 3.4.1 最大爆发压力与对应曲轴转角78-82
• 3.4.2 平均指示压力82-87
• 3.4.3 曲轴转角对应压力87-89
• 3.5 本章小结89-91
• 4 循环变动的非线性动力学分析91-119
• 4.1 非线性动力学与混沌理论91-96
• 4.1.1 相空间重构与非线性变换91-93
• 4.1.2 混沌分析法93-96
• 4.2 相空间分析96-103
• 4.2.1 相空间重构96-98
• 4.2.2 XY平面投影98-100
• 4.2.3 YZ平面投影100-103
• 4.3 庞加莱映射103-108
• 4.3.1 ∑XY_+平面103-105
• 4.3.2 ∑XY_-平面105-107
• 4.3.3 ∑XZ_-平面107-108
• 4.4 返回映射108-115
• 4.4.1 最大爆发压力108-110
• 4.4.2 最大爆发压力对应曲轴转角110-113
• 4.4.3 平均指示压力113-115
• 4.5 燃烧过程的混沌特征量115-117
• 4.5.1 关联维数115-116
• 4.5.2 最大Lyapunov指数116-117
• 4.6 本章小结117-119
• 5 双火花塞页岩气发动机燃烧稳定性研究119-147
• 5.1 点火系统调整与试验方案119-121
• 5.1.1 双火花塞布置与控制119-120
• 5.1.2 试验方案120-121
• 5.2 单火花塞点火的燃烧规律121-128
• 5.2.1 火花塞位置121-123
• 5.2.2 点火提前角123-125
• 5.2.3 稳定性研究125-128
• 5.3 双火花塞点火的燃烧规律128-137
• 5.3.1 燃烧过程的变化128-130
• 5.3.2 循环变动分析130-133
• 5.3.3 循环变动的动力学特征133-137
• 5.4 双火花塞对火焰传播过程的影响137-145
• 5.4.1 模型建立与网格划分137-138
• 5.4.2 计算模型选择138-139
• 5.4.3 模型的验证139-140
• 5.4.4 点火时刻影响140-143
• 5.4.5 双火花塞影响143-145
• 5.5 本章小结145-147
• 6 HHO对页岩气发动机燃烧稳定性的影响147-163
• 6.1 HHO的组分及特性147-148
• 6.2 缸内燃烧过程变化规律148-151
• 6.2.1 试验设备与方案148-149
• 6.2.2 缸内压力149-150
• 6.2.3 燃烧放热率150-151
• 6.3 发动机燃烧稳定性分析151-158
• 6.3.1 燃烧循环变动151-154
• 6.3.2 动力学特征分析154-158
• 6.4 火焰传播过程的数值模拟158-161
• 6.4.1 燃烧温度158
• 6.4.2 火焰面速度158-160
• 6.4.3 火焰面密度160-161
• 6.5 本章小结161-163
• 7 全文工作总结与展望163-167
• 7.1 全文工作总结163-166
• 7.2 论文创新点166
• 7.3 未来工作展望166-167
• 参考文献167-180
• 致谢180-181
• 攻读博士期间发表的相关论文及参加科研项目181-182

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本文编号：1113552