甲醇/PODE双燃料化学反应机理模型研究
发布时间：2022-02-11 18:18
随着我国庞大的汽车保有量带来的石油供需矛盾以及汽车尾气排放造成的大气污染问题日益凸显,煤基代用燃料的发展和新型燃烧技术的开发已成为近年来的研究热点。高辛烷值的甲醇与高十六烷值的聚甲氧基二甲醚（Polyoxymethylene dimethyl ethers,PODE）都属于高含氧量的煤基燃料,两者有效的组合燃烧对内燃机节能减排具有重要现实意义。目前,关于甲醇/PODE双燃料化学动力学机理模型的研究尚未涉及。因此,本文基于解耦思想构建了甲醇/PODE双燃料化学动力学简化模型,并对构建的机理进行优化和验证分析。本文以甲醇和PODE3作为表征燃料,构建了甲醇/PODE双燃料化学动力学简化模型。首先,基于反应路径分析,联合直接关系图法、敏感性分析法等机理简化方法对详细的PODE3反应机理进行了简化,得到PODE3综合燃烧简化反应模型（71/316）;其次,以甲醇详细反应机理和从PODE3简化反应机理中提取的小分子反应共同作为双燃料机理的核心部分;最后,将双燃料核心机理与PODE3简化子...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
甲醇为原料制备聚甲氧基二甲醚工艺路线
甲醇/PODE双燃料化学反应机理模型研究18图2.1典型直接关系图组分关系示例Fig.2.1TypicalrelationsofthespeciesinadirectrelationgraphDRG具有较高的简化效率和精度，因而适用于规模较大的机理模型的初步简化。相比于基于Jacobian矩阵迭代计算的数学简化方法，DRG法的运行时间仅与关系图中边线数量成线性关系，这极大降低了简化运算时间，但是DRG忽视了每个物种或基元反应对机理所计算的目标参数的影响[78]。2.2.3基于误差传播的直接关系图法针对DRG存在的缺陷，部分研究学者[79-80]对原始的DRG方法做了改进和拓展，提出了考虑误差传递的直接关系图法（Directedrelationgraphwitherrorpropagation，DRGEP）。DRGEP在计算组分A、B之间的相互作用系数采用：(),1max,IAiiBiiABAAvwrPC==（2.13）其中，(),1max0,IAAiiiPvw==（2.14）(),1max0,IAAiiiCvw==（2.15）式中：AP表示生成组分A的全部基元反应生成速率之和，AC指A作为反应组分的全部基元反应消耗速率之和。为了进一步阐明DRGEP的基本思想，参考图2.2对组分A与E之间关系的描述来进行说明。值得注意的是，图中A→B并不是一个基元反应，它代表反应物或生成物中包含A和B的所有基元反应。式（2.16）定义了从组分A沿反应路径p到达生成物B的相关系数AB,pr[81]：
江苏大学硕士学位论文191,1jjmABpSSjrr=+=（2.16）式中：m表示组分A、B之间沿反应路径p的所有边线数量。那么从组分A沿不同路径到组分E的相关系数分别有：AE,1ABBEr=rr，AE,2AEr=r，AE,3ACCDDEr=rrr。现将沿以上三条路径的相关系数中最大值定义为组分A、E之间整体相关系数AER，即：(),1,2,3max,,DRGEPAEAEAEAERrrr=（2.17）通过比较DRGEPAER与给定的阈值EP之间大小关系来判断组分E对组分A的重要程度。当DRGEPAEEPR时，组分E可以从机理中去除。相比于DRG只考虑单个基元反应的重要性，DRGEP方法能够计算两组分之间包含若干基元反应路径的整体重要性，将误差传递考虑在其中，因而DRGEP能够进一步提高机理的简化效率和计算精度。图2.2组分A与E关系图谱Fig.2.2DRGbetweencomponentsAandE2.3CHEMKIN-PRO软件概述1980年，经美国Sandia实验室相关研究人员的共同努力，最早的CHEMKIN软件诞生，它能够计算流动的火焰燃烧[67]。为了提升软件的计算能力并解决更多的燃烧问题，CHEMKIN软件经历了多次开发和完善，并被美国的ReactionDesign（RD）公司收购。RD公司又于2013年被工程仿真软件公司ANSYS收购，自此CHEMKIN成为ANSYS软件中的一个模块。CHEMKIN具备处理并计算各类复杂化学反应问题的能力，它被广泛用于分析求解催化过程、燃烧过程、化学气相沉积等化学反应过程中的问题[82]。CHEMKIN在汽车工业上常用于解决涉及燃料化学反应机理、后处理器、火焰传播速度等内燃机缸内燃烧和排放过程的问题。最新版本的CHEMKIN-PRO能够实现较为快速和准确的化学分析，本文所有反应器模拟均在CHEMKIN-PRO软件中完成。
【参考文献】：
期刊论文
[1]甲醇/PODE预混合引燃模式在防爆柴油机上的研究[J]. 耿新,朱建军,谢玉峰,吴子龙. 机械设计与制造. 2019(05)
[2]2017年中国石油进出口状况分析[J]. 田春荣. 国际石油经济. 2018(03)
[3]《内燃机工程》2016年（第37卷）总目次[J]. 内燃机工程. 2016(06)
[4]预混引燃燃烧模式下甲醇比例对防爆柴油机排放的影响[J]. 郭宇杰,朱建军,韩卫,苏志伟,吴子龙. 科学技术与工程. 2016(30)
[5]解耦法:一个构建简化或骨架机理的有效方法（英文）[J]. 常亚超,贾明,范玮卫,李耀鹏,刘红,解茂昭. 物理化学学报. 2016(09)
[6]柴油/甲醇双燃料发动机各缸燃烧均匀性研究[J]. 陈志方,姚春德,王全刚,韩国鹏,窦站成,危红媛,王斌,刘美娟,吴涛阳. 燃烧科学与技术. 2017(01)
[7]聚甲氧基二甲醚（PODE）与柴油的互溶性研究[J]. 肖潇,郑轶,王云芳,张武高. 柴油机. 2015(03)
[8]甲醇柴油比对二元燃料燃烧与排放特性的影响[J]. 刘军恒,姚春德,魏立江,耿鹏,王全刚,余海涛. 工程热物理学报. 2014(10)
[9]甲醇柴油双燃料燃烧结合DOC/POC耦合大幅度减少发动机微粒排放的研究[J]. 姚春德,刘辰,耿鹏,王全刚,潘望,韩国鹏,余海涛,王建云. 环境科学学报. 2014(11)
[10]汽油替代燃料燃烧过程中多环芳烃生成的化学动力学模型[J]. 郑东,张云鹏,钟北京. 物理化学学报. 2013(06)
博士论文
[1]燃料燃烧反应动力学机理高效简化方法研究[D]. 王卫.重庆大学 2016
[2]微乳化甲醇柴油的理化特性与燃烧特性研究[D]. 宋印东.江苏大学 2013
[3]柴油燃料替代混合物低温燃烧机理数值模拟与试验研究[D]. 雒婧.天津大学 2012
硕士论文
[1]多点喷射甲醇/柴油双燃料发动机排放特性研究[D]. 陈妮.长安大学 2018
[2]甲肼燃烧中两个中间体裂解的非谐振效应研究[D]. 于洪晶.大连海事大学 2018
[3]合成气生产异丁醇的工艺模拟计算和优化研究[D]. 杨雪.济南大学 2017
[4]分子筛SCR催化剂降低柴油机NOx反应机理的数值模拟[D]. 冯廷智.大连理工大学 2016
[5]PODE/甲醇组合燃烧在防爆柴油机中应用研究[D]. 苏志伟.太原理工大学 2016
[6]柴油甲醇组合燃烧在工程机械上的研究及应用[D]. 王建云.天津大学 2014
[7]我国石油进口来源安全体系中的伊朗研究[D]. 王强.西南大学 2014
[8]甲醇替代率对压燃式发动机排放性能影响[D]. 丁新隆.天津大学 2014
[9]特定金属元素在燃烧火焰中转化过程的数值模拟[D]. 张晓雨.华北电力大学 2013
[10]化学反应学习中“宏观—微观—符号”三重表征的研究[D]. 张力平.山东师范大学 2012
本文编号：3620737
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
甲醇为原料制备聚甲氧基二甲醚工艺路线
甲醇/PODE双燃料化学反应机理模型研究18图2.1典型直接关系图组分关系示例Fig.2.1TypicalrelationsofthespeciesinadirectrelationgraphDRG具有较高的简化效率和精度，因而适用于规模较大的机理模型的初步简化。相比于基于Jacobian矩阵迭代计算的数学简化方法，DRG法的运行时间仅与关系图中边线数量成线性关系，这极大降低了简化运算时间，但是DRG忽视了每个物种或基元反应对机理所计算的目标参数的影响[78]。2.2.3基于误差传播的直接关系图法针对DRG存在的缺陷，部分研究学者[79-80]对原始的DRG方法做了改进和拓展，提出了考虑误差传递的直接关系图法（Directedrelationgraphwitherrorpropagation，DRGEP）。DRGEP在计算组分A、B之间的相互作用系数采用：(),1max,IAiiBiiABAAvwrPC==（2.13）其中，(),1max0,IAAiiiPvw==（2.14）(),1max0,IAAiiiCvw==（2.15）式中：AP表示生成组分A的全部基元反应生成速率之和，AC指A作为反应组分的全部基元反应消耗速率之和。为了进一步阐明DRGEP的基本思想，参考图2.2对组分A与E之间关系的描述来进行说明。值得注意的是，图中A→B并不是一个基元反应，它代表反应物或生成物中包含A和B的所有基元反应。式（2.16）定义了从组分A沿反应路径p到达生成物B的相关系数AB,pr[81]：
江苏大学硕士学位论文191,1jjmABpSSjrr=+=（2.16）式中：m表示组分A、B之间沿反应路径p的所有边线数量。那么从组分A沿不同路径到组分E的相关系数分别有：AE,1ABBEr=rr，AE,2AEr=r，AE,3ACCDDEr=rrr。现将沿以上三条路径的相关系数中最大值定义为组分A、E之间整体相关系数AER，即：(),1,2,3max,,DRGEPAEAEAEAERrrr=（2.17）通过比较DRGEPAER与给定的阈值EP之间大小关系来判断组分E对组分A的重要程度。当DRGEPAEEPR时，组分E可以从机理中去除。相比于DRG只考虑单个基元反应的重要性，DRGEP方法能够计算两组分之间包含若干基元反应路径的整体重要性，将误差传递考虑在其中，因而DRGEP能够进一步提高机理的简化效率和计算精度。图2.2组分A与E关系图谱Fig.2.2DRGbetweencomponentsAandE2.3CHEMKIN-PRO软件概述1980年，经美国Sandia实验室相关研究人员的共同努力，最早的CHEMKIN软件诞生，它能够计算流动的火焰燃烧[67]。为了提升软件的计算能力并解决更多的燃烧问题，CHEMKIN软件经历了多次开发和完善，并被美国的ReactionDesign（RD）公司收购。RD公司又于2013年被工程仿真软件公司ANSYS收购，自此CHEMKIN成为ANSYS软件中的一个模块。CHEMKIN具备处理并计算各类复杂化学反应问题的能力，它被广泛用于分析求解催化过程、燃烧过程、化学气相沉积等化学反应过程中的问题[82]。CHEMKIN在汽车工业上常用于解决涉及燃料化学反应机理、后处理器、火焰传播速度等内燃机缸内燃烧和排放过程的问题。最新版本的CHEMKIN-PRO能够实现较为快速和准确的化学分析，本文所有反应器模拟均在CHEMKIN-PRO软件中完成。
【参考文献】：
期刊论文
[1]甲醇/PODE预混合引燃模式在防爆柴油机上的研究[J]. 耿新,朱建军,谢玉峰,吴子龙. 机械设计与制造. 2019(05)
[2]2017年中国石油进出口状况分析[J]. 田春荣. 国际石油经济. 2018(03)
[3]《内燃机工程》2016年（第37卷）总目次[J]. 内燃机工程. 2016(06)
[4]预混引燃燃烧模式下甲醇比例对防爆柴油机排放的影响[J]. 郭宇杰,朱建军,韩卫,苏志伟,吴子龙. 科学技术与工程. 2016(30)
[5]解耦法:一个构建简化或骨架机理的有效方法（英文）[J]. 常亚超,贾明,范玮卫,李耀鹏,刘红,解茂昭. 物理化学学报. 2016(09)
[6]柴油/甲醇双燃料发动机各缸燃烧均匀性研究[J]. 陈志方,姚春德,王全刚,韩国鹏,窦站成,危红媛,王斌,刘美娟,吴涛阳. 燃烧科学与技术. 2017(01)
[7]聚甲氧基二甲醚（PODE）与柴油的互溶性研究[J]. 肖潇,郑轶,王云芳,张武高. 柴油机. 2015(03)
[8]甲醇柴油比对二元燃料燃烧与排放特性的影响[J]. 刘军恒,姚春德,魏立江,耿鹏,王全刚,余海涛. 工程热物理学报. 2014(10)
[9]甲醇柴油双燃料燃烧结合DOC/POC耦合大幅度减少发动机微粒排放的研究[J]. 姚春德,刘辰,耿鹏,王全刚,潘望,韩国鹏,余海涛,王建云. 环境科学学报. 2014(11)
[10]汽油替代燃料燃烧过程中多环芳烃生成的化学动力学模型[J]. 郑东,张云鹏,钟北京. 物理化学学报. 2013(06)
博士论文
[1]燃料燃烧反应动力学机理高效简化方法研究[D]. 王卫.重庆大学 2016
[2]微乳化甲醇柴油的理化特性与燃烧特性研究[D]. 宋印东.江苏大学 2013
[3]柴油燃料替代混合物低温燃烧机理数值模拟与试验研究[D]. 雒婧.天津大学 2012
硕士论文
[1]多点喷射甲醇/柴油双燃料发动机排放特性研究[D]. 陈妮.长安大学 2018
[2]甲肼燃烧中两个中间体裂解的非谐振效应研究[D]. 于洪晶.大连海事大学 2018
[3]合成气生产异丁醇的工艺模拟计算和优化研究[D]. 杨雪.济南大学 2017
[4]分子筛SCR催化剂降低柴油机NOx反应机理的数值模拟[D]. 冯廷智.大连理工大学 2016
[5]PODE/甲醇组合燃烧在防爆柴油机中应用研究[D]. 苏志伟.太原理工大学 2016
[6]柴油甲醇组合燃烧在工程机械上的研究及应用[D]. 王建云.天津大学 2014
[7]我国石油进口来源安全体系中的伊朗研究[D]. 王强.西南大学 2014
[8]甲醇替代率对压燃式发动机排放性能影响[D]. 丁新隆.天津大学 2014
[9]特定金属元素在燃烧火焰中转化过程的数值模拟[D]. 张晓雨.华北电力大学 2013
[10]化学反应学习中“宏观—微观—符号”三重表征的研究[D]. 张力平.山东师范大学 2012
本文编号：3620737
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hxgylw/3620737.html
