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.     

改进的动力学模型对DPF热再生过程的影响

针对柴油机颗粒捕集器的再生过程建立了数学模型.考虑到颗粒在反应过程中比表面积变化对反应速率的影响,通过热重分析仪上的等温氧化实验和程序升温实验,求得了柴油机碳烟颗粒氧化的比表面积变化函数和动力学参数,建立了碳烟氧化的反应速率方程.通过数值模拟将本模型与传统的Bisset-Konstandopoulos模型(B-K模型)进行对比,结果表明,由于采用了更符合碳烟氧化过程的反应方程,本模型计算得到的再生时间短、最大壁面温度高、最大壁面温度梯度大,而B-K模型计算结果高估了再生时间,低估了最大壁面温度和最大壁面温度梯度,不利于再生过程的安全性和经济性分析.     

CO_2添加对碳烟生成及其尺寸分布的影响

基于颗粒群演化的模拟理论方法,构建了一维稳态层流预混火焰中碳烟颗粒动力学演化过程的数学模型.通过耦合含有生成芘分子(A4)的详细化学反应机理,并采用蒙特卡洛(Monte Carlo)随机算法求解颗粒群平衡方程获得碳烟颗粒动力学演变尺寸分布信息.在此基础上,详细分析了层流预混火焰中二氧化碳添加对碳烟颗粒物尺寸分布的影响.结果表明:添加二氧化碳降低了碳烟颗粒成核速率,使得小粒径碳烟颗粒数密度减小;同时,添加二氧化碳减弱了碳烟颗粒表面生长速率,以及提高了OH和O2浓度而加速了碳烟的氧化反应,使得大粒径碳烟颗粒数密度降低.CO2添加对碳烟颗粒生成起到了一定抑制作用.     

甲醇抑制层流预混火焰中碳烟生成的机理

利用矩方法研究了层流甲醇/乙烯预混火焰中碳烟颗粒形成的化学反应动力学机理.模型考虑了颗粒的成核、颗粒间的凝结与聚合、气态组分在颗粒表面的生长与氧化过程.整个机理涉及101种组分和543个基元反应.计算了不同甲醇摩尔分数时碳烟粒子体积分数、粒子直径及重要中间组分的摩尔分数,对乙炔和苯的生成/消耗进行了敏感性分析,揭示了甲醇燃烧过程中氧原子的迁移路径.计算结果表明,甲醇能有效地减少碳烟及其前驱体多环芳香烃、多环芳香烃前驱体物质(如乙炔、炔丙基等)的生成量.燃烧过程甲醇中氧原子在甲醇基、甲醛、羟基、甲醛基、一氧化碳和二氧化碳等物质中迁移.     

基于详细模型汽油替代燃料碳烟生成特性分析

基于矩方法算法和预混火焰程序,实现一维预混火焰中汽油替代燃料燃烧生成碳烟的详细数值模拟.其中气相详细模型为包含多环芳烃(PAHs)生成机理的多组分汽油替代燃料反应动力学模型,详细碳烟颗粒相模型包含成核、凝并、PAHs表面沉积、表面生长和表面氧化过程.结果表明:燃烧过程中苯(C6H6)分子摩尔分数是影响PAHs生成的直接原因,决定了汽油替代燃料生成PAHs摩尔分数的大小;芘(C16H10)分子摩尔分数直接影响碳烟的生成过程,决定汽油替代燃料碳烟排放水平;可依据汽油替代燃料的组成评价燃烧生成PAHs和碳烟的水平,汽油替代燃料中甲苯/二异丁烯总含量越高,其生成PAHs和碳烟量越大,反之亦然.     

详细的碳烟成核和氧化模型

建立了适应多种燃料计算的考虑多种多环芳烃(PAH)二聚反应的初始成核模型以及考虑碳烟尺寸变化引起的有效碰撞系数动态变化的氧化模型.提出了将任意大小碳烟模糊分解到典型碳烟空间的简化计算方法,避免了由于考虑多种PAH二聚反应引起的计算量增大的问题,同时实现了与分级气溶胶模型的兼容和匹配.乙烯和航空煤油Jet A-1的算例表面新模型能够改善碳烟浓度的预测精度,特别是碳烟浓度峰值的数值预测结果.     

基于改进的详细碳烟模型的柴油燃烧碳烟颗粒物的生成特性

采用改进的详细碳烟模型,耦合了由正庚烷和甲苯组成的混合燃料的简化反应机理.在碳烟模型中,考虑了反应中生成的乙炔类异构体和多环芳香烃前驱物对碳烟颗粒成长过程的影响作用,分别以可视化发动机和单缸柴油机台架试验的结果,对详细碳烟模型预测柴油机碳炯生成和氧化过程的准确性和有效性进行了验证.结果表明,模拟得到的缸内压力、放热率曲线以及着火时刻和试验结果吻合较好,得到的碳烟浓度瞬态二维分布与采用双色法得到的试验结果较为接近,碳烟排放量的模拟值与试验值的变化趋势基本一致,因而本文的详细碳烟模型可较好地预测不同工况条件下柴油机碳烟颗粒排放的变化趋势.同时,采用提出的详细碳烟模型对柴油机内碳烟颗粒数密度和平均尺寸进行数值模拟,研究其在柴油机缸内的变化情况,结果表明,碳烟颗粒的直径在预混燃烧期和急燃期急剧增加,在缓燃期以及燃烧后期收敛于某一稳定值.     

乙烯预混火焰中乙醇添加对碳烟生长的影响

基于颗粒群平衡理论,构建了详细的碳烟模型,采用Monte-Carlo算法进行数值求解,结合详细的化学反应机理,对乙烯/乙醇/空气层流预混火焰中碳烟的生成进行了研究.通过计算对比了不同比例乙醇(0、10%、20%和30%)添加对碳烟颗粒生成过程的影响,获得了不同火焰高度下碳烟体积分数和尺寸分布等信息.结果表明:乙醇的添加增强了火焰中碳烟前驱物和碳烟颗粒的氧化反应,有效抑制了碳烟的生成;随着乙醇添加量的增加,颗粒尺寸分布的双峰结构越不明显,第2峰值往前推移.     

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。     

添加CO_2/H_2O对正丁醇火焰中碳烟反应的影响

耦合简化的正丁醇动力学机理和固定分区碳烟模型,研究了在空气中添加CO_2或H_2O蒸气对正丁醇同轴扩散火焰中碳烟质量分数和数密度的影响,计算结果表明:添加CO_2或H_2O蒸气后,整体上二者均降低;此外,添加CO_2后各反应与组分生成往火焰下游移动.碳烟数密度的降低是由于温度和苾(A4)浓度降低引起的成核速率的下降,而碳烟质量分数的降低主要是由于H摩尔分数、颗粒总表面积及温度降低引起的脱氢加乙炔(HACA)速率的下降.碳烟最终在火焰下游被完全氧化,主要氧化组分为OH.     

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.     

喷油策略对汽油压燃燃烧及碳烟生成过程影响的数值模拟研究

基于三维计算流体动力学(CFD)软件CONVERGE,耦合甲苯掺比燃料(toluene reference fuel,TRF)简化动力学机理及多步现象学碳烟模型,建立汽油压燃(GCI)的数值模拟模型。通过改变气道喷射比例、主喷时刻和预主喷间隔研究了高负荷条件下气道喷射结合缸内直喷的喷油策略对GCI燃烧及碳烟生成过程的影响。研究结果表明,增加气道喷射比例、提前主喷时刻和增大预主喷间隔都能够缩短燃烧持续期,使放热更为集中,从而降低碳烟排放;改变气道喷射比例对碳烟成核及表面生长有较大的影响,主喷时刻提前能够提高氧化速率。当气道喷射比例为40%,主喷时刻为-8°,预主喷间隔为15°时,碳烟排放为0.015 1g/(kW·h),相比试验基准工况降低了33.8%,而最大压升率也控制在可接受的范围内。     

直喷柴油机碳烟生成和氧化历程的数值研究

提出了研究碳烟的生成和氧化历程及工作条件影响的方法。将Surovikin碳烟生成模型和Nagle碳烟氧化模型集成在ICFD-CN源程序中构建多维模型，采用数值循环模拟的方法，根据不同的工作条件计算碳烟的生成和氧化历程。结合试验数据分析和比较进气温度、空燃比、负荷、转速和喷油提前角对碳烟生成和氧化历程的影响。研究表明：用数值模拟的方法反映了1137柴油机碳烟的生成和氧化历程以及设计参数对碳烟的生成和氧化的影响规律，对柴油机的设计具有参考价值。     

柴油机内碳烟颗粒破碎的数值模拟

基于离散颗粒群理论,考虑碳烟尺寸影响因素,构建碳烟颗粒动力学模型中破碎模型.采用群体平衡方程建立了碳烟生成破碎的详细数学模型,并采用矩量投影法进行求解.将该破碎模型与参考燃料化学机理TRF机理、KIVA-CHEMKIN程序进行耦合,模拟计算碳烟颗粒在柴油机内的破碎过程.结果表明:加入破碎模型后,后燃阶段缸内碳烟数密度计...     

不同环境下喷雾燃烧碳烟演化历程的数值模拟

针对柴油发动机在不同负荷下碳烟排放特征的演变和发展,依据ECN喷雾定容燃烧实验中碳烟的测量数据,基于OpenFOAM开源软件喷雾燃烧求解器,耦合半经验现象学碳烟预测模型．通过Φ-T关系图呈现环境因素改变对碳烟形成及氧化各阶段的影响,分析各子过程的分布区域和演化规律,进而提出环境条件对碳烟生成及演化历程的影响机制．研究结果表明：现象学模型本身能够较好地反映碳烟的分布情况．碳烟生长主要发生在当量比Φ>3区域;而碳烟发生氧化的区域,也是OH主要分布的区间,大多位于当量比Φ<2的位置．环境温度和密度的增加初期促进了碳烟的成核,加剧了颗粒的聚并速率,使得颗粒数显著下降;而环境氧体积分数的增加抑制了碳烟颗粒数的增长和聚并速率,使碳烟整体尺寸趋于小尺寸、高密度的分布情况．     

乙烯/氧气预混火焰中燃空当量比对碳烟表面官能团和氧化活性的影响

采用乙烯/氧气/氩气预混燃烧系统和毛细管取样系统并结合多种先进分析技术,研究了预混火焰燃空当量比对碳烟颗粒表面官能团及其氧化活性的影响.结果表明,随燃空当量比的增加,碳烟颗粒表面脂肪族C—H官能团和含氧官能团(C—OH和C=O官能团)的摩尔分数均呈下降趋势;而碳烟颗粒的氧化反应特征温度和表观活化能呈增大趋势,表明在较大燃空当量比下所生成碳烟颗粒的氧化活性较低;碳烟颗粒表面官能团对氧化活性有着直接作用,表面官能团含量越多,其氧化反应活性越高.碳烟颗粒表面脂肪族C—H官能团对其氧化活性影响相对较大,而含氧官能团影响相对较小.     

柴油机缸内团聚态颗粒氧化过程中的破碎

基于全气缸取样系统采集不同燃烧时刻的柴油机碳烟,使用粒数粒径测试分析仪和透射电子显微镜测量了碳烟的粒径分布、数密度、分形维数和团聚度,进而获得团聚态颗粒的破碎速率,在上述工作的基础上,分析了柴油机缸内碳烟氧化主导阶段团聚态颗粒物的破碎现象.结果表明:碳烟氧化主导阶段初期,团聚态颗粒破碎速率高,碳烟颗粒总粒数密度和核态颗粒数密度增加,同时分形维数和团聚度明显减小.随氧化主导阶段燃烧反应的进行,破碎速率逐渐降低,总颗粒数密度逐渐减小,核态颗粒数密度先增加后减小,而分形维数和团聚度呈现上升的趋势.     

温度对预混合乙烯火焰碳烟生成的影响

基于碳烟测试标准方法(预混合稳定滞止火焰法),研究火焰温度对预混合乙烯火焰中碳烟生成的影响,为发展和验证碳烟模型提供标准试验依据.试验表明:碳烟生成对火焰温度非常敏感.火焰温度约在1,650~1,750,K范围内对碳烟生成更有利,碳烟体积分数更高;在此范围之外,火焰温度对碳烟生成都有一定的限制作用;当火焰温度约为1,580,K时,反应动力学速率较低,碳烟成核与长大缓慢,碳烟体积分数较低;当火焰温度约为1,872,K时,尽管此时碳烟成核反应动力学速率较高,但受碳烟成核过程热力学可逆性的影响,碳烟成核与长大显著受限,碳烟体积分数显著降低.     

柴油机碳烟缸内氧化特性的研究

测量了缸内碳烟基本粒子粒径分布、纳观结构参数,计算了柴油机燃烧过程中碳烟颗粒氧化速率．采用拉曼光谱分析了碳烟颗粒石墨化程度与纳观结构参数的关系．结果显示,基本粒子纳观结构参数与发动机运行工况有关,且在燃烧过程中是变化的,并对碳烟颗粒的氧化活性存在影响,其中主要是微晶长度的影响．缸内碳烟实测氧化速率与Nagle／Stri...