充量密度和氧体积分数对柴油机高负荷下热效率和排放的影响

采用试验和数值模拟相结合的方法研究了上止点时的充量密度、温度和氧体积分数对柴油机高负荷条件下的燃烧路径、排放和热效率的影响.结果表明:高的充量密度导致低的全局燃氧当量比,增强了燃氧混合率和化学反应速率,有利于提高热效率.提高充量密度对NOx的形成有两个相反的作用:增加充量的总热容,抑制燃烧温度;增加空气的卷吸率,提高混合气的温度.低的氧体积分数降低了燃油/气体混合气的化学反应速率,推迟放热率.高负荷柴油发动机在燃烧过程中有大量不完全燃烧产物CO形成和存在,这被称为"CO的冷储藏",其推迟了放热率相位,降低了已燃气体的温度,致使NOx排放降低.研究还发现发动机的碳烟排放与"CO的冷储藏"量相关.     

一次氧化剂O_2体积分数对富氧燃烧煤粉着火距离影响的数值模拟

对40kW同轴射流富氧煤粉燃烧试验系统进行数值模拟,研究了在总体O2体积分数和氧化剂过量系数一定的条件下,不同一次氧化剂O2体积分数对同轴射流富氧燃烧煤粉着火距离的影响,分析了低一次氧化剂O2体积分数下富氧燃烧煤粉着火及火焰稳定性.结果表明:在总体O2体积分数为40%和氧化剂过量系数为1.15的条件下,当一次氧化剂O2体积分数为20.9%时,着火距离较小,为附着火焰;当一次氧化剂O2体积分数减小至14.6%、10.0%和5.5%时,着火距离明显增大,着火延迟,为分离火焰;适当提高二次氧化剂预热温度有利于低一次氧化剂O2体积分数下富氧燃烧的煤粉着火及火焰稳定.     

基于小火焰生成流型模型的喷雾燃烧数值计算

基于Open FOAM开发了小火焰生成流型模型,并针对ECN(enginecombustionnetwork)SprayH(正庚烷喷雾燃烧)进行了数值模拟,研究了该模型对喷雾燃烧数值模拟的适用性.结果表明,该模型能够很好地捕捉着火延迟等特征参数.同时对比了基于OH质量分数和温升两种火焰浮起长度定义,结果显示前者对取值更不敏感,且能与实验更好地吻合.此外,深入分析了着火位置和燃烧发展历程,结果表明,在氧体积分数8%和12%工况,着火点的当量比均在0.8左右.对于氧体积分数15%工况,反应进度变量集中生成的区域对应于温度峰值,燃烧最迅速区域的当量比略大于1.     

基于激光诱导炽光法的柴油喷雾燃烧碳烟生成特性

采用激光诱导炽光法(LII),对高温高压定容燃烧弹内柴油喷雾燃烧火焰及碳烟生成的二维分布图像进行了测量分析,研究了在不同定容室环境温度、环境压力和喷射压力下燃烧火焰和油气混合特性对碳烟生成与分布的影响规律.结果表明:柴油燃料滞燃期会随环境温度和环境压力的升高而缩短;扩散燃烧火焰的浮起长度内空气卷吸量是影响碳烟形成过程的一个重要因素,高的环境温度和环境压力,以及低的喷油压力会产生较短的柴油火焰浮起长度;高的柴油喷射压力、低的环境压力和温度所产生的LII信号强度较弱,即此时激光片光内的碳烟体积分数较小.在喷雾混合中自然形成的混合气浓度分层和温度分层,既影响到混合气的着火和燃烧过程,又诱发碳烟颗粒的产生,研究结果对优化燃烧系统设计,验证燃烧模型提供了有价值的依据.     

一次氧化剂O2体积分数对富氧燃烧煤粉着火距离影响的数值模拟

对40 kW同轴射流富氧煤粉燃烧试验系统进行数值模拟,研究了在总体O2体积分数和氧化剂过量系数一定的条件下,不同一次氧化剂O2体积分数对同轴射流富氧燃烧煤粉着火距离的影响,分析了低一次氧化剂O2体积分数下富氧燃烧煤粉着火及火焰稳定性.结果表明:在总体O2体积分数为40％和氧化剂过量系数为1.15的条件下,当一次氧化剂O2体积分数为20.9％时,着火距离较小,为附着火焰;当一次氧化剂O2体积分数减小至14.6％、10.0％和5.5％时,着火距离明显增大,着火延迟,为分离火焰;适当提高二次氧化剂预热温度有利于低一次氧化剂O2体积分数下富氧燃烧的煤粉着火及火焰稳定.     

湍流条件下高当量比合成气着火实验研究

为了研究高当量比合成气着火极限条件下初始湍流环境对火焰初始发展阶段的影响规律,在湍流定容燃烧实验装置中开展了常温、常压条件下50%CO/50%H2合成气相关湍流燃烧实验,并研究了火焰等效半径和火焰传播速度变化的规律及影响因素.研究结果表明:在本文实验条件下层流环境中,火焰传播速度呈现先减小后增加的趋势,并且随着当量比的增加而逐渐减小,合成气着火极限当量比为5.8;在高当量比混合气条件下,初始湍流强度的增加可以拓宽可燃混合气的着火极限;在高当量比着火极限条件下,火焰等效半径随着湍流强度增大而增加,火焰传播速度随着湍流强度的增加而增大,同一湍流强度环境中,火焰传播速度总体呈现出先减小后增大的趋势.     

柴油机高密度-低温燃烧过程参数对碳烟生成影响的模拟

在发动机高、满负荷工况下,基于发动机试验和前期提出的多步现象学碳烟模型深入研究了充量密度、氧体积分数、燃烧温度以及混合气浓度等状态参数对于碳烟表面生长以及氧化作用的影响,研究表明:充量密度促进混合、增加热容的作用可以减缓碳烟表面活化程度的衰减速率,同时使碳烟表面活化程度降低;随着充量密度增加,燃烧温度以及未燃碳氢的降低有利于减少碳烟单位面积生长速率RCH,进而影响碳烟生成量降低.提高充量密度增加进气中氧气的绝对量是提高碳烟氧化速率的主要因素,这些因素共同导致碳烟排放量降低.另一方面,进气氧体积分数降低使燃烧温度降低,积累了大量浓混合气与未燃碳氢,化学动力学机理表明,这不利于未燃碳氢转化生成乙炔的过程,导致乙炔生成的最大峰值降低.由未燃碳氢化合物浓度(乙炔、UHC自由基)以及燃烧温度共同影响的RCH随着初始氧体积分数的降低呈现出减小的趋势.而浓混合气会促进碳烟表面活化程度增加.因此,RCH随着初始氧体积分数的降低呈先减小而后增大的趋势.     

二甲醚／空气预混合气燃烧特性

利用定容燃烧弹研究了不同当量比和初始压力下的二甲醚/空气预混合气的燃烧特性,并基于准维双区模型计算了二甲醚/空气预混合气燃烧特征参数.研究结果表明:在各初始压力条件下,化学计量比附近的混合气压力升高率和混合气质量燃烧速率最大.对于稀混合气和当量比混合气,火焰传播速率随初始压力的降低而增加;而对于浓混合气,火焰传播速率随初始压力的降低而降低.最高燃烧压力出现在化学计量比附近而与初始压力无关.对于给定的当量比,最高燃烧压力随初始压力的增加而明显增加.在化学计量比附近,燃烧持续期和火焰发展期最短且基本上不随初始压力变化.     

初始温度/压力对天然气层流燃烧速率的影响

在定容燃烧弹内利用高速纹影摄像法研究了不同初始温度和初始压力下不同当量比的天然气-空气混合气的火焰传播过程,并结合火焰传播照片分析了初始压力和初始温度对混合气层流燃烧速率的影响.研究表明,天然气-空气混合气的无拉伸火焰传播速率和无拉伸层流燃烧速率随当量比的增加先增大后减小,且最大值出现在化学当量比附近.火焰传播速率和层流燃烧速率均随着初始压力的升高而降低,随着初始温度的升高而提高.     

混合气初始状态对微型燃烧室内HCCI燃烧的影响

基于微型燃烧室内自由活塞单次压缩实现均质充量压燃(homogeneous charge compress ignition,HCCI)燃烧的可视化试验,结合甲烷的详细化学反应动力学机理及动网格技术,建立了三维动网格模型,将自由活塞运动与燃烧过程相耦合,对不同初始状态下微型燃烧室内HCCI燃烧特性进行了数值模拟,得到了不同初始温度、初始压力、当量比及混合气泄漏下的燃烧特性及动力特性的变化规律。研究结果表明:初始温度、初始压力及当量比对微型燃烧室内HCCI燃烧影响较大,随着初始温度的升高,微型燃烧室内HCCI压缩着火范围扩大,但随着初始压力的增大,压缩比降低,压缩着火范围减小,当量比的变化显著影响微型燃烧室内HCCI压缩燃烧的最高温度和最高压力,混合气泄漏主要影响膨胀过程,对动力性能影响非常显著。     

燃料分层对乙醇/柴油双燃料发动机循环波动的影响

基于一台单缸柴油机,采用进气道喷射乙醇同时缸内直喷柴油的方式实现双燃料预混压缩着火(PCI)燃烧模式.固定发动机转速和负荷,通过调整预混乙醇比例以及柴油直喷策略,实现了不同程度的混合气燃料分层,并测量了相应的发动机循环波动特性,试验中NOx排放和COVIMEP分别控制在0.4 g/(kW·h)和7%以下.结合数值模拟研究了混合气燃料分层对双燃料发动机循环波动的影响,结果表明:燃料分层直接影响双燃料发动机循环波动.首先,着火正时在上止点附近时有助于降低双燃料发动机循环波动,乙醇预混当量比、柴油直喷中主喷油量以及主喷正时直接影响混合气初始着火区域燃料活性以及当量比,进而影响混合气着火正时.其次,混合气着火正时稳定性对于保证双燃料发动机燃烧稳定性较为关键.此外,燃烧相位以及缸内爆压不变,采用较高的乙醇预混比例结合推迟的主喷正时可以实现更加稳定的着火,进而降低双燃料发动机循环波动率.     

乙烯/空气扩散火焰截面烟黑体积分数和温度分布的反投影重建

给出了基于图像双通道辐射能反投影值的火焰截面内烟黑体积分数和温度分布的重建模型,通过试验分析了乙烯/空气扩散火焰不同高度断面内温度和体积分数的分布特性.从数据结果可以看出,与温度相比,同一截面内烟黑体积分数的最大值更靠近火焰边缘,同时受温度和氧浓度影响,火焰中心乙烯气体在离开喷嘴后并没有立即参与燃烧反应,其完全着火燃烧点在火焰中部以上,而烟黑温度和体积分数截面平均的最大值也出现在这一位置.     

湍流状态下双燃料混合物自燃和火焰传播过程

采用直接数值模拟(DNS)方法,研究了低速机缸内热力学状态下甲烷/正庚烷混合物的着火及燃烧过程,分析了湍流状态下双燃料混合层中的着火特性及火焰发展过程．结果表明：第一阶段着火后,湍流作用下混合气偏浓区域生成冷焰;第二阶段着火后,甲烷/空气预混气侧生成多个高温膨胀核心．混合分数梯度平缓区域更易生成高温核心,而混合分数梯度较大时会增大标量耗散率、加强热量和活性基团的耗散,不利于燃烧反应的稳定发展．湍流作用下火焰前沿形成褶皱向两侧传播,热膨胀核心位置的火焰前沿传播较快．甲烷/空气预混气侧含氧量增加导致火焰前沿传播加快,前沿褶皱程度逐渐降低;正庚烷侧火焰前沿在传播下游存在冷焰反应区域,形成“双火焰”结构,随着反应进行,火焰前沿传播进入更浓的混合物中,双火焰面之间的距离逐渐缩短．     

基于CFD耦合现象学碳烟模型研究温度对碳烟生成的影响

基于9步法现象学碳烟模型,根据4种情况考虑了碳烟表面氧化对碳烟数密度的影响,并将改进后的模型耦合到KIVA-3V Release 2程序中.应用该模型,对柴油在定容弹中不同初始温度(800、900和1,000,K)下的燃烧和碳烟生成进行了多维数值模拟,并通过对应的试验结果进行校准.结果表明:各工况下预测的碳烟生成过程与试验值能定性地吻合.随着初始温度降低,点火时刻推迟,燃烧持续期缩短,燃烧模式由扩散燃烧向预混燃烧转变,碳烟生成降低.低初始温度下,碳烟的生成和氧化机理均受到抑制,然而局部燃烧温度峰值的降低和高温区域的缩减并不明显,碳烟的降低主要由于高燃油当量比区域的缩减.     

二乙醚-空气预混合气层流燃烧速率测定

在定容燃烧弹内利用高速纹影摄像法系统地研究了不同初始压力、不同初始温度和不同燃空当量比下二乙醚-空气预混合气的层流燃烧特性。利用球形发展火焰分析得到了不同初始压力、不同初始温度和不同燃空当量比下二乙醚-空气预混合气的无拉伸层流火焰燃烧速率、马克斯坦长度等层流燃烧参数。研究结果表明:无拉伸层流火焰燃烧速率随初始温度的增加而增加,随初始压力的增加而降低;马克斯坦长度随着初始温度的增加而减小,随初始压力的增加而减小,随当量比的增加而减小,表明火焰前锋面不稳定性随初始温度和初始压力的增加而增加,随混合气浓度的增加而增加。基于试验数据获得了二乙醚-空气预混合气无拉伸层流燃烧速率的关系式。     

异丁醇/辛酸甲酯混合燃料预混层流火焰速度的研究

针对生物柴油与醇类混合燃料燃烧机理研究的需求,采用高速纹影光学诊断方法和定容燃烧弹系统试验研究了异丁醇/辛酸甲酯混合燃料的预混层流燃烧特性。测量了不同当量比和初始压力条件下的不同配比混合燃料—空气预混合气的层流燃烧火焰速度,火焰拉伸率以及马克斯坦长度。分析了燃烧初始条件及异丁醇掺混比例对混合燃料的无拉伸层流燃烧速度及火焰不稳定性的影响规律。结果表明:异丁醇/辛酸甲酯混合燃料的拉伸层流火焰传播速度和层流火焰燃烧速度随着当量比的增加先增加后减少,随着初始压力的增加而减小;马克斯坦长度随着当量比和初始压力的增加而减小;异丁醇掺混比例的增加加快了层流火焰燃烧速度,但使得火焰的不稳定性倾向增加。     

二甲醚-空气混合气层流燃烧速度的测定

在定容燃烧弹中利用高速纹影摄像法系统地研究了不同燃空当量比和初始压力下二甲醚-空气混合气的层流燃烧特性.利用球形扩散火焰理论分析纹影照片,获得了不同初始压力和当量比下的二甲醚-空气混合气层流燃烧速率.结果表明：随着初始压力的增大,层流燃烧速率显著减小,层流燃烧速率的峰值向浓混合气侧偏移.拉伸层流燃烧速率随拉伸率的增加而增加,拉伸层流质量燃烧速率随拉伸率的增加而减小.根据球形扩散火焰模型得到混合气的马克斯坦长度值表明：在各初始压力下,随着当量比的增加,二甲醚-空气混合气的马克斯坦长度值逐渐减小,火焰前锋面的不稳定性增加.     

正癸烷的中低温着火特性

在一台快速压缩机上进行了正癸烷在当量比0.46~1.50、压力0.7~1.5,MPa、温度范围600~750,K条件下的中低温着火特性研究.结果表明,正癸烷具有明显的两阶段着火特性;正癸烷着火延迟均随着温度、压力的升高而减小;不同当量比和氧气体积分数条件下的研究表明,正癸烷低温阶段着火延迟更依赖于燃料体积分数而对氧体积分数不敏感.采用两个正癸烷机理进行了模拟研究并与实验结果进行了对比,并通过敏感性分析研究了特定基元反应在控制正癸烷着火过程中的作用.     

煤粉热解特性对其富氧气氛下着火机理的影响

利用非等温热重分析法对两种烟煤的热解特性及富氧下的燃烧特性进行研究.实验结果表明,煤粉中低温下的热解行为对其富氧气氛下的着火机理有明显影响.挥发分初析温度低、热解特性指数D大的煤,随着氧体积分数的增加,着火方式逐渐由非均相转变为均相.而挥发分初析温度高、D较小的煤,着火方式则无明显变化.热解活性高的煤,在着火机理转变后,着火温度显著降低,但燃尽温度基本不受影响.氧体积分数提高后两种煤粉的燃烧特性指数S都有所增大,但相同氧体积分数下不同煤种之间的S相差不多,说明着火机理的改变对S无明显影响.     

乙醇汽油/空气自着火特性的激波管试验

在雾化激波管中利用反射激波研究了乙醇汽油/空气混合气在高温、低压条件下的自着火特性.测量了混合气在温度为1 100～1 750 K、压力为0.10～0.65 MPa条件下,燃空当量比为0.2～2.5时的着火延迟期、着火壁面压力及OH基自发光强度,分析了当量比、着火温度及压力对混合气自着火特性的影响.结果表明:乙醇汽油/空气混合气的着火延迟期在高温条件下随当量比的增大而延长,不同压力下着火延迟期的对数与着火温度的倒数均呈线性分布,满足Arrhenius关系,并且在低压范围内着火延迟期对压力的依赖性较高;混合气在当量比为1.0、着火温度为1 300～1 430 K时发生剧烈爆燃,此时OH基自发光强瞬间达到峰值后急剧下降,而温度升高后,OH基自发光维持较高强度的时间增长,爆燃压力峰值降低,接近等压燃烧.