醇类燃料自燃主导反应特征及参数敏感性分析

发布时间：2020-07-22 14:29

【摘要】：能源短缺与环境污染问题日益突出,现存燃烧模式和燃烧技术尚有不足之处,为了满足国家节能减排的重大需求,课题组在前人研究的基础上提出了反应控制的均质混合气梯级自燃燃烧模式‖。此种燃烧模式的实现首先要求参加反应的燃料的临界自燃边界阈度要具有充分的差异。为此,本文在课题组自行开发的温度、压力可控的定容燃烧弹平台上,对十六烷值差异较大的醇类燃料(甲醇、乙醇和正丁醇)和烃类燃料(正庚烷)在化学计量比、定燃料量和定空气量下的临界自燃温度进行了测定。实验结果表明:醇类燃料和烃类燃料的临界自燃边界阈度具有充分的差异性,其中在化学计量比下进气压力为80psi时,甲醇和正庚烷的临界自燃温度差值达到最大约为270℃,由此通过控制缸内燃烧反应热化学氛围来实现两种组分燃料的梯级燃烧‖具有可行性;从实验结果中还发现,醇类燃料的临界自燃温度随初始压力及当量比的变化波动较大,烃类燃料的临界自燃温度随外界条件的变化几乎不变,例如在化学计量比下当初始压力由80psi增加到240psi时,三种醇类燃料的临界自燃温度分别下降了68.52℃、78.31℃、58.73℃,而烃类燃料的临界自燃温度仅变化了9.79℃。为了从反应机理的角度解释产生这一现象的原因,为梯级自燃实现策略及方法的选取提供重要参考,本文利用Chemkin软件的封闭均相反应器模型模拟醇类燃料在定容燃烧弹内的燃烧,对醇类燃料的自燃主导反应特征及参数敏感性进行了分析研究并与课题组同学所做的烃类燃料自燃的主要反应特征进行比较,其具体的研究内容及所得结论如下:(1)醇类燃料自燃主导反应特征分析:利用Chemkin软件的封闭均相反应器模型耦合甲醇、乙醇和丁醇的详细反应机理,在初始边界条件T=800K,P=560psi,Φ=1下,模拟几种燃料在定容燃烧弹内的燃烧,通过产率分析找出链传递关系,将醇类燃料的主导反应归纳为链引发、链传递和链终止。绘制了甲醇、乙醇和丁醇(含异构体)的反应路径图,其中甲醇完全燃烧需要5步反应,涉及6种组分,11个基元反应;乙醇完全燃烧需要9步反应,涉及10种组分,20个基元反应;丁醇反应路径相对较为复杂,但在经过3或4步反应之后,仍可生成OH、HO_2等小分子活性基,这些自由基积累到一定程度后,燃料便会发生自燃。而正庚烷的反应路径比较繁杂,分支较多,且外界条件改变时基元反应不唯一,也就是不存在主导反应,这也是造成醇类燃料的临界自燃温度随边界条件变化较烃类燃料敏感的原因。(2)醇类燃料自燃的参数敏感性分析:采用方差分析法,构建三因素(T,P,Φ)五水平正交试验表,确定温度为影响醇类燃料自燃的核心因素。接着,采用单一变量法对不同当量比、压力和温度下的着火标志物OH进行敏感性分析,研究发现当量比和压力的变化只对主导反应速率产生影响,而温度的变化主要影响主导反应路径,温度升高小分子反应逐渐增多。碳原子数对醇类燃料自燃的影响相对较为复杂,当温度小于1000K时碳原子数越多,滞燃期越短,这是因为碳原子数越多反应路径越多,从而在低温下也能快速形成着火自由基,而当温度大于1000K时,此时燃料反应的热化学氛围条件均以具备,碳原子数越多燃料的反应路径越繁杂,从而造成滞燃期越长。在碳原子数相同时,燃料分子中的支链数和甲基数是影响醇类燃料自燃的主要因素,燃料分子中的支链数越多,异构化程度越高,燃料的十六烷值越低,自燃性越差,而燃料分子中的甲基数越多,分子越稳定,从而使滞燃期越长。(3)醇类燃料自燃燃烧边界关联性分析:研究温度、压力和当量比这三个因素协同变化对醇类燃料自燃的影响。结果表明:同一温度下,保证当量比和压力的乘积不变,燃料的滞燃期波动很小,其中甲醇在1200K时,其不同当量比下的滞燃期的方差仅为1.77238E-10接近于零,由此得到同一温度下保证ΦP为定值即燃料中总的C-H键的数目不变时,燃料的滞燃期基本不变。而不同温度下的燃料的滞燃期却基本不在同一个数量级上,其中同一压力下温度为800K时的燃料的滞燃期大约是温度为1000K的100倍、温度为1200K的1000倍,究其原因为温度升高,反应燃料分子能量增加,此时虽然保证燃料中C-H键的数目相同,但是由于反应活性分子的数量增加,且温度升高燃料反应路径发生了变化,所以燃料的滞燃期仍然会缩短。同样的方法,在相同温度下,保证甲醇、乙醇和正丁醇三种燃料中的C-H键的数目相同,研究发现此时三种燃料的滞燃期仍然有所差别,其中同一初始压力下的甲醇的滞燃期约为乙醇的2倍、正丁醇的20倍,这主要是因为乙醇和正丁醇分子中还含有C-C键,而C-C键的断裂也会对反应速率产生影响,致使三者的滞燃期仍有所差异,但是对于同一种燃料,保证ΦP为一定值,即保证了燃料中C-H键的数目一定,其燃料的滞燃期仍是基本不变的。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ511
【图文】：

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