基于解耦法的柴油和生物柴油表征燃料骨架反应机理研究

发布时间：2017-08-24 01:04

  本文关键词：基于解耦法的柴油和生物柴油表征燃料骨架反应机理研究

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【摘要】：结构紧凑、性能可靠的简化或骨架氧化机理,对发动机的多维计算流体力学(Computational Fluid Dynamic, CFD)模拟至关重要。本文通过不同燃料的火焰传播速度和滞燃期的敏感性分析发现,火焰传播速度主要受小分子及其自由基反应控制,而对燃料相关反应不敏感,与之相反,燃料相关反应对滞燃期显示较高的敏感性。基于以上分析和本课题组的相关工作,提出了解耦法构建燃料骨架机理的理论依据。解耦法将燃料氧化机理分解为三部分：详细H2/CO/C1子机理、简化C2-C3子机理和骨架C4-C。子机理。其中,详细H2/CO/C1子机理用于预测火焰传播和放热率,骨架C4-Cn子机理用于预测燃料消耗和滞燃期,简化C2-C3子机理为过渡机理。由于详细H2/CO/C1子机理规模较小,简化C2-C3和骨架C4-Cn子机理可有效减少组分数目,最终机理可与多维CFD模拟直接耦合。通过优化C4-Cn反应的速率常数和使用详细H2/CO/C1子机理,基于解耦法构建的骨架机理能够准确预测燃料的化学反应特性。通过计算发现,基于解耦法构建各类燃料的骨架机理不适用于低当量比、低温工况,同时,无法重现燃料分子结构对火焰传播速度的影响。为改进解耦法性能,本文基于最新的化学反应动力学理论和实验工作,对解耦法加以改进优化,主要工作包括：(1)更新H2/02子机理；(2)改进HCO/CH3/CH2O子机理反应的速率常数；(3)构建新的C2-C3子机理；(4)改善大分子子机理。结果表明,使用优化后的解耦法构建的骨架氧化机理能够准确预测各类燃料的火焰传播速度、低温放热率以及贫燃工况下的滞燃期。本文使用解耦法构建了包括系列重烷烃、饱和脂肪酸甲基酯、丁醇异构体、主要参比燃料(PRF)骨架氧化反应机理数据库。通过多种不同反应器的实验数据验证,表明在宽广工况下,所有燃料机理均能较好预测单一组分及其混合物的着火和放热特性。由于当前骨架机理结构紧凑,可直接与多维CFD程序相耦合,用以预测实际发动机的着火、燃烧和排放特性。基于均质压燃(HCCI)发动机的实验数据,对机理进一步验证,表明预测的缸内压力、放热率,以及碳氢(HC)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NO,)排放,均与实验值吻合得很好。根据实用燃油主要成分的类别,分别选取正癸烷／异辛烷／甲基环己烷(MCH)/甲苯混合物,以及正癸烷／癸酸甲酯(MD)／5-癸烯甲酯(MD5D)混合物作为柴油和生物柴油的表征燃料,并重点依据相应燃油的化学性质,确定各成分含量。在此基础上,使用改进解耦法构建实用表征燃料的骨架氧化机理,基于宽广工况范围单一组分及其混合物和实用燃油在多种基础反应器和发动机的实验数据,评价机理性能。结果发现预测和测量的滞燃期和主要组分浓度基本一致,表明忽略燃料分子间的交叉反应的合理性。
【关键词】：化学反应动力学机理 骨架机理 解耦法 表征燃料 内燃机
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-20
• 主要符号表20-22
• 英文缩略词22-24
• 1 绪论24-40
• 1.1 研究背景及意义24-25
• 1.2 机理构建方法25-32
• 1.2.1 详细机理构建方法25-27
• 1.2.2 详细机理简化方法27-32
• 1.3 柴油表征燃料32-34
• 1.4 生物柴油表征燃料34-37
• 1.5 当前研究存在的问题37
• 1.6 本文的研究内容37-40
• 2 简化机理的构建方法——解耦法40-78
• 2.1 计算模型40-46
• 2.2 包含误差传播和敏感性分析的直接关系图方法(DRGEPSA)46-48
• 2.2.1 DRGEP方法46-47
• 2.2.2 敏感性分析方法47-48
• 2.3 基于混沌膨胀多项式的不确定性最小化方法(MUM-PCE)48-52
• 2.4 解耦法52-59
• 2.5 解耦法的优化59-67
• 2.5.1 C_0-C_4机理纵览60-64
• 2.5.2 解耦法中H_2/O_2子机理的优化64
• 2.5.3 解耦法中C_1子机理的优化64-65
• 2.5.4 解耦法中C_2-C_3子机理的优化65-66
• 2.5.5 解耦法中大分子子机理的优化66-67
• 2.6 主要参比燃料机理的验证67-77
• 2.6.1 激波管67-70
• 2.6.2 射流搅拌反应器70-71
• 2.6.3 预混层流火焰71
• 2.6.4 层流火焰速度71-74
• 2.6.5 均质压燃发动机74-77
• 2.7 本章小结77-78
• 3 柴油表征燃料骨架氧化机理的构建78-121
• 3.1 重烷烃机理的发展现状78
• 3.2 重烷烃骨架机理的构建78-80
• 3.3 重烷烃骨架机理的验证80-95
• 3.3.1 激波管80-81
• 3.3.2 射流搅拌反应器81-88
• 3.3.3 流动反应器88-90
• 3.3.4 预混层流火焰90
• 3.3.5 对冲火焰90-91
• 3.3.6 火焰传播速度91-94
• 3.3.7 熄火拉伸率94-95
• 3.4 柴油表征燃料的发展95-96
• 3.5 表征燃料骨架机理的构建96-98
• 3.6 表征燃料骨架机理的验证98-119
• 3.6.1 激波管99-106
• 3.6.2 射流搅拌反应器106-110
• 3.6.3 流动反应器110-112
• 3.6.4 预混层流火焰112-113
• 3.6.5 火焰传播速度113-116
• 3.6.6 熄火拉伸率116-117
• 3.6.7 预混压燃发动机117-119
• 3.7 本章小结119-121
• 4 生物柴油表征燃料骨架氧化机理的构建121-148
• 4.1 饱和脂肪酸甲基酯氧化机理的发展现状121-122
• 4.2 饱和脂肪酸甲基酯骨架机理的构建122-125
• 4.3 饱和脂肪酸甲基酯机理的验证125-140
• 4.3.1 激波管125-130
• 4.3.2 射流搅拌反应器130-135
• 4.3.3 流动反应器135-136
• 4.3.4 预混层流火焰136-137
• 4.3.5 对冲火焰137-138
• 4.3.6 火焰传播速度138-140
• 4.3.7 熄火拉伸率140
• 4.4 生物柴油表征燃料的发展140-141
• 4.5 表征燃料骨架机理的构建141-142
• 4.6 表征燃料骨架机理的验证142-147
• 4.6.1 激波管142-143
• 4.6.2 射流搅拌反应器143-145
• 4.6.3 实际发动机145-147
• 4.7 本章小结147-148
• 5 丁醇同分异构体骨架氧化机理的构建148-159
• 5.1 丁醇机理的发展现状148-149
• 5.2 丁醇骨架机理的构建149-151
• 5.3 丁醇骨架机理的验证151-158
• 5.3.1 火焰传播速度151-153
• 5.3.2 激波管153-154
• 5.3.3 射流搅拌反应器154-155
• 5.3.4 流动反应器155-156
• 5.3.5 预混层流火焰156
• 5.3.6 对冲火焰156-158
• 5.4 本章小结158-159
• 6 结论与展望159-163
• 6.1 结论159-161
• 6.2 创新点简述161
• 6.3 未来工作展望161-163
• 参考文献163-189
• 附录A 各种燃料的骨架氧化机理189-208
• 附录B 小分子机理速率常数的改进208-210
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果210-212
• 致谢212-213
• 作者简介213

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本文编号：728305