《新能源汽车与无人驾驶革命》课程思政教改实践

新能源汽车与无人驾驶是当代备受关注两个的热点领域,其快速发展过程是我国实现中华民族伟大复兴的一个重要组成部分。本课程密切贴合时代需求,从能源、汽车与无人驾驶等多个方面出发,对各个行业的发展历程及其相互融合过程进行综合梳理,在“宽基础薄专业”的大学教学改革理念下,大幅扩充本课程的教学内容范围,大幅增强思想政治教育功能。通过强化能源与人类文明的发展关系,将能源安全、能源理论、气候变化、粮食安全、大国博弈、科技革命、产业升级等九大社会与科学重大问题有机地统一起来,通过多种教学手段,使学生系统地从人类历史发展及国家战略的宏观层面到技术理论的微观层面均产生崭新的认知,培养具视野宽广、思维创新、信念坚定、能力突出、有坚定共产主义理想的新时代科学工作者。

富氢富氧调控的甲烷预混火焰结构和排放特性

基于单头部钝体旋流模型燃烧器,以H_(2)、O_(2)和CO_(2)为添加剂对甲烷空气预混火焰(CH4/air)进行调控,探究其对火焰结构、火焰稳定性和排放特性的影响规律。对各个掺混气进行变量控制和工况设计,利用数码相机和OH基平面激光诱导荧光技术测量火焰结构,利用Testo340烟气排放仪测量烟温及污染物CO和NO_(x)排放量。研究结果表明:H_(2)和O_(2)掺混使火焰更加紧凑并增强燃烧强度,而CO_(2)添加对此具有调节作用,它使火焰分布更宽,燃烧强度降低。O_(2)掺混促成富氧燃烧之后,CO和NO_(x)排放量均明显增加,不利于排放特性优化。相比之下,H_(2)掺混在降低CO排放的同时能基本不影响NO_(x)排放水平,同时以CO_(2)替代N_(2)虽然会提高CO排放,但可大幅降低NO_(x)排放。H_(2)和CO_(2)掺混的影响具有较好的互补性,两者结合是实现甲烷稳定低排放燃烧调控的有效方法。

超临界水甲烷制氢的分子动力学研究

煤-超临界水气化过程中重要中间产物挥发分的反应机理尚未明晰,采用反应分子动力学方法对重要挥发分组分甲烷(CH_(4))在超临界水氛围的反应机理及制氢机制进行了探究。系统比较了反应模拟时间和燃料分子规模对目标反应体系关键组分数时程和重要反应通道占比的影响,量化分析了反应温度、反应压力、CH_(4)质量分数对超临界水相反应中CH_(4)消耗路径和H_(2)生成反应的影响规律。仿真结果表明,CH_(4)在超临界水中氧化可转化为H_(2)、CO及少量C基中间体,H_(2)O+—H→-OH+H_(2)是贡献H_(2)生成的主导反应,反应过程中—OH自由基和—H原子的相对数量显著影响H_(2)产量。降低反应温度和压力对CH_(4)主要氧化路径影响较小,但H_(2)净产量增加;降低CH_(4)质量分数,H_(2)净产量先增加后减少,存在“最佳质量分数”。研究结果可为优化煤-超临界水气化过程中挥发分组分高效制氢方案提供参考。

纯氢阵列微管预混火焰结构及湍流燃烧速度测量

为给出稀燃环境45~87 m/s流速下的纯氢微混火焰的湍流燃烧特性,采用阵列微管喷嘴模型燃烧室进行研究。通过粒子图像测速技术与羟基平面激光诱导荧光技术诊断火焰,研究了纯氢湍流火焰前锋面结构及火焰热态流场,得到火焰前锋面尺度信息及微混燃烧室湍流参数,包括火焰体积、火焰面密度、湍流强度、湍流积分尺度和湍流燃烧速度。研究结果表明:微混燃烧室出口的湍流强度随着来流速度线性增加,火焰前锋面凸向未燃气与凹向未燃气的概率基本相同,并且随着湍流强度的增加,火焰的小尺度结构和褶皱程度有所增加。这些变化导致火焰面密度的增加,从而增加了湍流火焰面积和湍流燃烧速度。此外,氢气微混火焰归一化湍流燃烧速度达到7~11,约是火焰面积比3.5~5.5的两倍,这主要是因为稀燃氢气火焰的路易斯数较低,导致火焰局部燃烧速率超过了层流燃烧速度。因此,稀燃纯氢微混湍流火焰的燃烧速度的增加主要由火焰面积的扩大和局部燃烧速率的增强共同影响。该研究为优化阵列微管喷嘴模型燃烧室及微混燃烧技术提供了理论依据和实验支持。

咪唑二氰胺离子液体掺混糠醇的自燃及推进性能

利用落滴法对比了三种咪唑二氰胺离子液体分别掺混糠醇的自燃特性,使用高速摄相机和红外摄相机同步获得了燃料自燃过程的宏观、微观及红外图像;从液面下方拍摄了液滴与液池的混合反应过程。实验观察到了典型的三阶段自燃现象:铺展混合、气相产物生成及火核出现-火焰传播,使用着火延迟时间对燃料的自燃活性进行了定量表征,并计算了糠醇比例对混合燃料推进性能的影响。结果表明,糠醇添加可以显著降低混合燃料黏度,促进燃料与氧化剂的混合,加速自燃过程高温气雾产物的出现。混合燃料的着火延迟时间随糠醇添加比例非单调变化,着火延迟最短的掺混比随液滴速度的增加而增大;混合燃料推进性能受糠醇添加的影响较小。本研究可为自燃离子液体推进剂的开发及利用提供参考。

甲醇高压热解和氧化的实验及动力学研究

利用流动反应器对甲醇的高压氧化及热解特性进行实验研究,在此基础上对已发表的甲醇化学反应动力学模型进行验证,并对宽裂解度范围的甲醇裂解气氧化特性进行模拟。研究结果表明:高压可以有效促进燃料的氧化;掺混甲醇裂解气可以有效降低甲醛的排放量。甲醇及其裂解气产生的活性自由基加快了燃料的化学反应速率,通过HO2自由基间接控制了下游链分支反应,生成大量OH自由基,改变了甲醛消耗路径中各反应的敏感性系数。

缸内流场扰动对快速压缩机着火中间物种采样测量影响的数值研究

针对燃料自燃活性表现出负温度系数(NTC)效应时的快速压缩机缸内流场扰动对物种采样精度影响不明的问题,建立了燃料自燃过程物种采样的数值模型,通过控制活塞缝隙容积在燃烧缸内产生了不同强度的气流扰动,探究了NTC及气流扰动共同作用对正丁烷混合气自燃过程物种采样精度的影响规律。研究结果表明:受燃料NTC效应的影响,两种典型的物种采样方法均出现了反向稀释现象,即燃料的采样浓度偏低,中间产物的采样浓度偏高。反向稀释与采样方法的系统误差产生抵消,导致NTC区域内物种采样精度受气流扰动的敏感性降低。抑制燃烧缸内的气流扰动有利于提高采样精度,然而在绝对无扰动的流场下,整体冻结法的采样误差受热边界层作用反而会略微提高。该研究为燃料自燃过程中物种采样实验的设计及数据不确定性分析提供了有价值的参考。

合成气层流预混火焰加速效应实验研究

利用定容燃烧弹可视化实验平台对合成气层流预混火焰加速效应开展了系统研究.通过调整混合气的当量比和氧氮体积比实现自身不稳定性的解耦控制,在此基础上研究了火焰加速阶段、临界点和火焰加速因子.层流预混火焰的加速传播过程呈现出明显的准稳态、过渡态加速、饱和态加速3个阶段.4种临界点的先后顺序为:裂纹分裂临界点≈过渡态加速临界点<均匀细胞化临界点≈饱和态加速临界点.饱和态加速阶段的加速因子数值在1.1~1.2之间,并未与Lewis数和密度比呈现出明显的依赖关系.结果表明,火焰自身不稳定性对层流火焰的加速临界点有显著促进作用,但并不会影响饱和态阶段的火焰加速强度.

煤直接液化航空煤油自着火特性实验及动力学研究

煤直接液化(DCL)航空煤油含有大量的环烷烃,与传统航空煤油成分差异较大,研究DCL煤油的着火特性及反应动力学对于深入认识其燃烧性能及其推广应用具有重要意义。因此,本文使用快速压缩机测量了DCL煤油,RP-3煤油及其混合物在不同当量比和压力下的着火延迟期,对比了DCL与RP-3煤油的燃烧放热及相对反应活性,分析了二者低温反应活性差异的动力学机制。使用实验数据验证了文献中DCL煤油的化学反应动力学模型,并通过构建替代物组分中正戊基环己烷的化学反应机理,提高了模型对DCL煤油着火延迟和高温裂解产物的预测性能。研究结果表明,DCL煤油的着火放热量更高,其着火延迟期在高温下(>1000 K)与RP-3接近,而在低温下(<750 K)则略高于RP-3。DCL煤油中大量的环烷烃成分阻碍了燃料分子低温链分支反应的进行,抑制了其低温反应活性,有利于降低燃料进入主燃区前发生自燃的倾向。

偏二甲肼分解及NO_(2)脱氢反应速率常数计算

针对偏二甲肼与N_(2)O_(4)化学反应动力学模型的不准确问题,开展了关键反应的高精度量子化学计算。首先,基于从头算方法,开展了偏二甲肼单分子分解及NO_(2)脱氢反应速率常数计算,利用CCSD(T)/cc-pVTZ//B2PLYPD3/6-311++G(d,p)计算级别得到反应体系的势能面;接着,采用多参考态方法和CASPT2/CBS//CASPT2/cc-pVTZ计算级别,修正了无势垒反应的势能面;最后,通过气相单分子反应理论/主方程理论求解温度和压力相关的速率常数,采用变分过渡态理论求解无势垒反应的速率常数。数值结果表明:计算得到的速率常数与实验结果吻合良好,得到的生成焓与活性热化学表及NIST数据库的结果相差不超过4.18 kJ·mol^(-1),熵相差不超过2.09 J·K^(-1)·mol^(-1);偏二甲肼分解的主要反应通道为CH_(3)+CH_(3)NNH_(2)及NH_(2)+CH_(3)NCH_(3),NO_(2)脱氢的关键反应通道为CH_(3)(CH_(2))NNH_(2)+HONO;对于低势垒和无势垒反应,相较于传统过渡态理论,变分过渡态理论能够更准确地计算出所有速率常数,并同时给出其在不同压力和温度下的不确定度。研究结果可为火箭发动机燃烧室的数值模拟提供理论支撑。

壁面冷却空气对贫油吹熄特性影响的激光诊断研究

针对燃烧室中冷却壁面的冷却气膜会影响燃烧室内的流场、改变回流区结构,从而影响贫油吹熄特性这一问题,在一带有气膜冷却的旋流燃烧室上开展了不同壁面空气占比下的贫油吹熄极限测量。结果表明:壁面冷却空气占比达到0.2时,不同燃油流量下,以全局空气流量计算,燃烧室吹熄当量比降低的范围在0.09~0.1之间;以主流空气计算,吹熄当量比降低范围在0.01~0.028之间。为了更加深入研究这一规律的原因,开展了平面激光诱导荧光(PLIF)激光诊断测量,可知引入壁面冷却空气后,OH基更集中分布在靠近燃烧室底部的火焰根部。在稳定火焰工况中,与近吹熄火焰相比,在燃烧室底部附近的火焰中央有大量OH基分布,这将有助于火焰的稳定,并拓宽贫油吹熄极限。米氏散射实验结果表明,引入壁面冷却空气后可使燃油液滴更集中分布在燃烧室底部附近,这将导致根部火焰局部当量比提高,易于形成稳定的火焰。结合所得实验结果,在所使用的旋流模型燃烧室内,加入占比为0.2的壁面冷却空气,可以拓宽燃烧室的贫油吹熄极限,有助于火焰的稳定。研究结果有望对带有冷却气膜的燃烧室的燃烧稳定性调控问题提供一定的理论指导。

铝/水两相自点火实验和理论研究

针对铝/水冲压发动机水蒸气氛围金属燃料点火燃烧机理不明、基础燃烧实验数据缺乏等问题,基于可视化高压激波管实验平台开展了铝/水两相自点火实验和理论研究,从发光强度及火焰图像、自点火温度和点火延迟3种角度表征了铝粉的温度效应、压力效应和尺度效应,揭示了铝/水和铝/氧点火机理的差异性,构建了铝/水自点火温度预示模型。实验结果表明:铝/水点火模式为小粒径颗粒优先着火,再引燃大粒径铝颗粒着火;临界自点火温度与铝颗粒粒径呈现反向依赖关系;点火延迟时间与温度关系符合Arrhenius关系式,颗粒越大,点火延迟的温度敏感性越高;纳米级铝粉点火延迟呈现较强的压力依赖行为,高压下火焰区域更为集中,铝粉颗粒之间竞争氧化剂更加剧烈;铝粉点火延迟的尺度效应明显,1500K下50.0μm粒径铝粉点火延迟时间约为100nm粒径铝粉的30倍。研究结果表明,铝/水自点火特性优于铝/氧,所构建的铝/水模型对微米颗粒自点火温度的预测值与文献实验值偏差较小。该研究的基础燃烧数据和点火机制理论分析可为铝/水冲压发动机的燃烧组织优化及燃烧室结构设计提供理论依据,为铝/水点火机理和模型的发展提供研究思路。

NH_(3)/H_(2)预混合气激光点火特性实验

基于定容燃烧弹,在不同初始压力、当量比和掺氢比条件下,对NH_(3)/H_(2)预混合气进行了激光点火实验研究,分析了不同条件下的火焰发展形态及最小点火能量EMI.研究发现,随掺氢比的增加,火焰受浮力的影响减弱,火焰边界逐渐清晰;升高压力能降低混合气的EMI,但不同当量比混合气的EMI受压力改变的影响程度不同;纯氨气的火焰发展极不稳定且EMI极高,掺混H_(2)后能极大降低EMI,可以有效拓宽氨气的可燃使用范围,其中掺氢比为10%时,EMI降低效果最明显.

预混火焰中热声振荡非线性特征的实验研究

针对旋流预混火焰热声不稳定性开展了实验研究.主要关注当量比对热声振荡系统非线性动力学行为的影响规律.实验结果表明,随着当量比从贫燃向富燃增大,火焰发生了Hopf分岔,火焰也经历了稳定燃烧、准周期振荡(拍振)、极限环振荡、准周期振荡以及稳定燃烧的模态转变过程.长燃烧室中火焰宏观结构的转变伴随着火焰动态模式的改变.当发生极限环振荡时,声压-火焰-涡流耦合作用致使反应区表现出大幅度的周期对流运动.

预混预蒸发正庚烷湍流火焰结构的实验研究

采用预混伴流射流燃烧器(PPJB)研究了初始温度400 K的预蒸发正庚烷/空气混合物在薄反应区的湍流火焰结构.采用热线风速仪标定冷态湍流流场,CH-PLIF测量湍流火焰反应区结构,共振OH-PLIF测量湍流火焰结构特征.结果表明:高湍流条件下,反应区厚度在不考虑三维效应时最大厚度为层流火焰厚度的1.6倍,其可支持薄反应区理论对预蒸发液体燃料湍流火焰的适用性.火焰面褶皱比和湍流燃烧速度的增加与湍流强度的提升不匹配.通过对火焰面曲率和平均火焰面密度的分析,发现高湍流条件下,褶皱尺度、大小和数量变化不大.一方面,湍流可能会减弱非均匀扩散造成的差异;另一方面,更可能是由于对褶皱结构的不完全捕捉和对3D效果的忽视而引发对火焰褶皱的低估.

非线性拉伸对层流燃烧速度提取的影响

基于理论模型推导出一种非线性NLC层流燃烧速度外推方程,并采用定容燃烧弹获取甲烷/空气、正丁烷/空气和氢气/空气的火焰发展历程。基于文献常用和本文提出的4种线性和非线性外推方程研究4种典型火焰中非线性拉伸对层流燃烧速度提取的影响。研究结果表明:随着马克斯坦长度的增加,非线性拉伸的影响增加,不同方程测量的层流燃烧速度差异增加。其中,本文提出的非线性NLC模型得到的结果与实验结果吻合最好,测量层流燃烧速度精度最高;非线性LC和NLS模型表现居中,而线性LS模型明显高估层流燃烧速度。另外,可以采用高精度非线性模型并适当增加初始火焰半径的策略减小非线性拉伸的影响,从而提高层流燃烧速度的测量精度。

汽油机燃用汽油-含氧化合物混合燃料时的燃烧特性研究

根据实测示功图，系统分析了汽油中分别掺混甲醇、乙醇、乙醚含氧燃料时的质量燃烧率和最高爆发压力．计算结果表明：与汽油相比，汽油中掺混乙醚可明显缩短着火延迟期和燃烧持续期，并提高缸内最高爆发压力；掺混醇类燃料的比例较小时，可缩短着火延迟期，并明显缩短燃烧持续期；掺混醇类燃料的比例较大时，将使着火延迟期和燃烧持续期增加；

柴油机燃用柴油/甲醇混合燃料时的燃烧特性研究(英文)

通过添加助溶剂形成一种稳定的柴油/甲醇混合燃料,并开展了柴油机燃用此混合燃料的燃烧特性研究。研究结果表明:随着混合燃料中甲醇含量的增加,预混燃烧阶段的放热率增加,扩散燃烧时间缩短。滞燃期随甲醇含量的增加而增加,此现象在低负荷和高转速下更为明显。甲醇含量对快燃期长短影响较小,总燃烧期随甲醇含量的增加而缩短。低转速下放热率曲线中心随甲醇含量的增加而移近上止点,最大压力升高率和最高放热率随甲醇含量的增加而增加。高转速高负荷下放热率曲线中心随甲醇含量的增加而移近上止点,高转速低负荷下放热率曲线中心随甲醇含量的增加偏离上止点;高转速下最大压力升高率和最高放热率随甲醇含量的增加而增加,而进一步增加甲醇含量反而使最大压力升高率和最高放热率降低。当混合燃料中含氧量小于6%时,缸内最高压力随甲醇含量的增加而增加;进一步增加含氧量时缸内最高压力保持不变或略有降低。缸内最高平均气体温度基本上不随甲醇含量而变化。

柴油机燃用柴油/甲醇混合燃料时的性能与排放研究(英文)

通过添加助溶剂形成一种稳定的柴油/甲醇混合燃料,并开展了柴油机燃用此混合燃料的性能与排放研究。研究结果表明:发动机热效率和柴油等热值燃油消耗率随混合燃料中甲醇含量的增加而改善,这是由于预混燃烧量的增加,燃料富氧以及扩散燃烧的改善所致。适当增加供油提前角可使柴油/甲醇混合燃料发动机热效率提高。燃用柴油/甲醇混合燃料可显著降低发动机CO和烟度,而对碳氢排放影响不大;在相同平均有效压力的条件下,NOx随甲醇含量的增加而增加,添加甲醇对NOx的影响在大负荷下更为明显。柴油/甲醇混合燃料燃烧时存在一个较为平坦的NOx/烟度关系曲线。

冷起动和怠速时火花点火发动机缸内未燃碳氢生成过程的研究

为了更好地弄清起动和怠速时发动机缸内未燃碳氢生成过程以及顶岸间隙和油膜对缸内未燃碳氢的影响，测量了起动和怠速过程活塞顶岸壁面和缸套壁面温度。根据测量结果，预测了起动过程顶岸间隙和壁面油膜处未燃碳氢生成量，发现顶岸和缸套壁温在发动机起动后（１５０～２００）ｓ时达到其稳定状态。起动后顶岸间隙和油膜处生成的碳氢量分别降低至其初始值的２／５和３／４。研究认为：热容量小的活塞能迅速减小顶岸容积和提高其内混合气温度，从而可减少起动期间缸内生成的总未燃碳氢量。