基于Monte-Carlo算法的燃烧过程碳烟颗粒生成特性

基于颗粒群平衡模拟的理论方法,建立描述碳氢燃料碳烟颗粒群尺寸分布函数演变过程的颗粒群平衡方程,将已有的详细化学反应机理和基于颗粒群平衡理论的碳烟模型进行耦合,采用直接模拟Monte-Carlo算法求解系统中的颗粒群平衡方程,获得燃烧过程中碳烟颗粒群尺寸分布函数的时空演变过程详细信息,同时模拟颗粒群成核、表面生长、凝并和氧化等多个动力学事件演变过程,分析颗粒数浓度、碳烟体积分数和最大颗粒数对颗粒物形成过程的影响规律,以及燃烧过程中颗粒粒径分布特性.     

柴油机运行工况对排气管内碳烟尺寸的影响

改变柴油机运行工况,采集排气管内碳烟颗粒,通过透射电镜对碳烟颗粒进行观测,拍摄碳烟颗粒形貌图片,采用Image-ProPlus软件统计分析碳烟颗粒的平均投影面积(A)、平均回转半径(R_g)、包含基本碳粒子的平均数(N_p)以及基本碳粒子的平均粒径(d_p)等特征参数,得到碳烟颗粒的分形维数.研究发现:改变柴油机负荷对排气管内的碳烟颗粒尺寸的影响要远大于改变转速带来的影响.转速不变时,随着负荷的增大,A、Rg、N_p和d_p均呈v型变化趋势,分形维数呈上升趋势;负荷不变时,随着转速的增大,A、R_g、N_p、d_p小幅度上升,分形维数基本不变.     

柴油机缸内碳烟颗粒形成过程与尺寸分布特性

采用了唯象的半经验碳烟排放模型,考虑了碳粒成核、表面成长、凝结和氧化的基本过程,模拟计算了柴油机缸内燃烧条件下缸内碳烟形成过程中的活性基核、碳粒核的生成规律及碳粒尺寸分布规律,并对碳烟排放进行了分析。计算结果表明:燃烧温度和混合物当量比对初始碳核的生成有很重要的影响,碳核粒子首先在活塞凹坑底部的浓混合区域生成,随燃烧的扩散过程,燃烧室中心位置和凹坑唇边挤流区相继出现较高浓度的基核,但存在浓度相位差,缸内不同位置生成碳粒数量和尺寸分布是不同的,不同尺寸范围的碳粒数量和质量之间存在对应关系。     

基于矩方法的碳烟颗粒动力学演化过程

基于离散颗粒群平衡理论,构建了碳烟颗粒动力学演化过程的数学模型,模型包含了颗粒的成核、碰撞凝聚、氧化和表面生长等过程,采用Lagrange内插值的矩方法建立了该模型相应的数值模型.以均匀搅拌器燃烧模型为基础,将上述数值模型与含有碳烟生成前驱物的详细化学反应机理进行耦合,并运用Fortran语言编程,搭建了颗粒动力学演变过程的计算平台.同时,对碳烟颗粒成核过程构建了3种成核模型.通过计算获得了碳烟颗粒生长演化的相关信息,探讨了不同成核模型对其他动力学事件,如凝聚、表面生长和表面氧化过程的影响.     

基于激光诊断的生物柴油碳烟生成特性研究

制作了1个以液体为燃料可以产生层流扩散火焰的燃烧器,应用双色激光诱导炽光法(LII)技术来测量火焰中的绝对碳烟体积分数.基于在2个波长上获取的火焰中某1点的LII信号,获得被激光加热的碳烟粒子温度,同时得到此点的碳烟浓度,通过映射得到火焰的二维碳烟浓度分布.采用激光诱导荧光法可获得碳烟前驱物多环芳香烃在火焰中的二维分布,将激光诱导荧光和激光诱导炽光相结合,在柴油和生物柴油混合燃料的层流扩散火焰上进行测试.研究结果表明,随着生物柴油掺混比例的增加,碳烟和多环芳香烃的最大浓度都随之降低,浓区分布面积也进一步缩小.     

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.     

基于平均反应率的现象学碳烟氧化模型研究及应用

提出了一个基于平均反应率的现象学耦合碳烟氧化模型,将其应用于柴油机数值模拟中,并结合试验的方法研究了后喷射对碳烟排放的影响.将Hiroyasu碳烟生成模型和提出的碳烟氧化模型集成在CFD源程序中构建多维模型,根据不同的后喷射方案计算碳烟的生成和氧化历程,同时结合试验数据分析后喷射影响碳烟氧化的各种因素.研究结果表明,采用提出的碳烟模型和试验方法能真实地反映柴油机碳烟的生成和氧化历程以及后喷射对碳烟排放的影响规律,对柴油机满足低排放的研究具有一定参考价值.     

碳烟颗粒生长演变历程环境因素的影响

基于颗粒群平衡方程和包含有多环芳香烃分子生成的详细化学反应机理,构建了详细的碳烟生长数学模型,模型包含颗粒的成核、凝聚、表面生长和氧化等过程;采用Lagrange内插值的矩方法,导出了颗粒尺寸分布函数各阶矩的微分方程;与均匀搅拌器燃烧模型相耦合,应用Fortran语言编程,搭建了碳烟颗粒动力学演变历程的计算平台.探讨了温度、压力和燃空当量比等环境因素对碳烟颗粒生长演变历程的影响,计算结果表明:碳烟颗粒的数密度在某一温度下达到峰值,在温度相对较低、当量比和压力相对较高的环境下,碳烟的生成质量也较大;碳烟颗粒的最终质量是颗粒生长与氧化共同作用的结果.     

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.     

适用于柴油HCCI燃烧的碳烟半经验模型研究

将改进的碳烟半经验模型和简化正庚烷的化学反应机理纳入KIVA-3V程序中,以描述柴油燃烧过程中碳烟的生成和氧化历程。通过以正庚烷为燃料的激波管试验验证发现,在较宽的温度和压力范围内,该碳烟半经验模型可以相对准确地预测碳烟的生成率、颗粒直径和数密度。在定容燃烧器中典型的传统柴油机的扩散燃烧和接近于均质压燃(HCCI)发动机的预混燃烧状况下,应用此碳烟模型进一步研究了喷孔直径和喷射压力对碳烟排放的影响。结果发现模型预测得到的碳烟体积分数分布与试验吻合得较好,同时显示当控制局部当量比小于2.0时可以避免碳烟的生成。     

柴油温度对燃烧火焰温度和碳烟生成的影响

通过定容燃烧弹,采用双色法研究不同柴油温度对冷起动过程中燃烧火焰温度和碳烟生成特性的影响,获取缸内燃烧火焰温度分布和表征碳烟分布的KL因子.结果表明:在喷油后3.5 ～ 6.0 ms的燃烧稳定时期,柴油温度为40℃的火焰中大于2 200 K的区域约占60％,柴油温度为20℃的火焰中大于2 200 K的区域约占55％,柴...     

燃料着火性对小型柴油机燃烧特性的影响

应用自行开发的柴油机瞬态工况控制系统,研究了燃料着火性对小型柴油机稳态及恒转速增转矩瞬态工况下燃烧特性的影响规律.结果表明,在稳态和恒转速增转矩瞬态工况下,燃料十六烷值对燃烧参数的影响具有类似的规律.随燃料十六烷值的降低,着火始点延迟,滞燃期增加,燃烧速率加快,燃烧持续期减小,但预混燃烧期和预混合燃烧量增加,缸内压力峰值、放热率峰值及压力升高率升高.     

掺混甲烷对预混合丙烯火焰碳烟生成的影响

基于当量比为1.79且最高火焰温度为1 829 K的预混合丙烯火焰,研究了燃料掺混对碳烟生成的影响以及协同效应.分别将5％、20％、40％摩尔分数的甲烷混合到丙烯中,形成具有相同当量比和最高火焰温度的预混火焰.使用微孔探针采样技术和扫描电迁移率粒径谱仪,在燃烧器稳定滞止火焰中测量了碳烟粒径分布.研究发现,掺混甲烷后的火...     

基于动态识别柴油喷雾破碎特征的ELSA改进算法

欧拉-拉格朗日实时耦合的喷雾(ELSA)方法是雾化破碎的前沿算法,其中模型转换是该方法的关键技术之一;作为ELSA转换研究中常用的固定网格分区方法,需要根据试验来确定近场稠密区与远场边界的位置,以及作为改进而采用的液滴距离以及液相体积比等方法来实现动态ELSA转换.在现有的ELSA转化研究基础上,笔者对在液柱前锋液膜破...     

柴油机燃烧多环芳香烃前驱体等物质的化学动力学研究

为了揭示混合气浓度对柴油机排放的影响规律,采用正庚烷氧化详细反应机理及化学动力学分析软件对不同燃空当量比下柴油机燃烧初级碳烟粒子前驱体等重要反应中间产物或自由基的形成及发展历程进行了数值模拟．模拟结果表明,降低混合气浓度可以实现低温燃烧,使燃烧温度远离“碳烟形成温度窗”,大幅度降低柴油机碳烟排放．混合气浓度对反应中间产物或自由基有重要影响,通过改变混合气浓度可以控制燃烧过程中多环芳香烃(PAH)前体物乙炔(C2H2)、炔丙基(C3H3)及其他重要物质羟基(OH)、过氧羟自由基(HO2)、过氧化氢(H2O2)、甲醛(CH2O)和一氧化碳(CO)等的生成量,从而实现控制柴油机排放．     

进气氮气含量对柴油机混合气形成与燃烧过程的影响

在一台可以拍摄气缸内混合气形成和燃烧过程的发动机上，用高速摄像机研究了进气中加入不同浓度的氮气（N2）后柴油机的油束发展，混合气形成，着火以及燃烧过程， 同时还采用三基色法对高速摄像机拍摄的燃烧火焰的照片进行了温度场分布的计算分析。拍摄的图像和计算结果表明，加入了不同比例的N2，对燃油束的雾化及混合气的形成过程没有影响，对滞燃期的影响也不大，但对火焰的燃烧最高温度和燃烧室的平均温度降低影响很大。N2的加入量越大，燃烧温度下降越多，燃烧过程结束的也就越早。     

基于非线性模型的舰船电站柴油机瞬态特性仿真及试验研究

建立了舰船高背压涡轮增压柴油机的非线性动态仿真模型,并在VC 环境下开发了仿真软件,对负荷突加突卸、排气背压波动、停机过程等典型瞬态工况进行仿真研究。仿真结果与试验结果的比较表明该仿真模型具有较高的精度,可以用于研究柴油机在瞬态工况下的运行特性,可以较好的反映柴油机宏观的性能参数的动态特性,也可以从微观上描述柴油机的动态热力过程。     

喷油泵各缸喷油量不均匀度对发动机燃烧及排放的影响

采取一种新的控制小齿条位置时各缸循环喷油量不均匀度的喷油泵标定方法,得到了标定点、怠速点和小齿条位置的各缸喷油量不均匀度大幅度改善的喷油泵,并研究了该喷油泵对发动机燃烧及排放的影响．研究结果表明,喷油泵的各缸喷油量不均匀度改善后,发动机缸内最大压力和最大压力升高率明显降低,发动机的NOx排放显著降低,PM排放略微提高．适当提前发动机喷油提前角,发动机的排放可以达到欧Ⅱ水平．     

基于共享最小二乘支持向量机模型的电站锅炉燃烧系统的优化

电站锅炉燃烧系统是一个复杂的多输入多输出系统,为了在同一个模型中实现高效率、低污染物排放的优化目标,对标准最小二乘支持向量机回归方法进行了扩展．借助某电厂1000MW超超临界锅炉的现场燃烧调整试验数据,建立了以锅炉热效率和NOx排放质量浓度为输出的共享最小二乘支持向量机（LSSVM）模型,采用一种改进的粒子群算法对共享模型中的锅炉运行工况进行了寻优．结果表明：在共享LSSVM模型中,锅炉热效率和NOx排放质量浓度的平均预测误差分别可达到0．028％和2．16％,搜索得到的高效率和低NOx排放的参数组合可为电站锅炉优化运行提供指导．