基于机器学习的正庚烷燃料两阶段着火延迟时间预测

燃料着火延迟时间对燃烧过程和发动机性能至关重要.传统上对燃料着火时刻的试验测量和模拟计算代价昂贵,基于人工智能的神经网络技术有望解决这一难题.针对正庚烷两阶段着火延迟时间,本文采用深度机器学习算法进行特征提取和训练,利用遗传算法(GA)优化神经网络结构,结合粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法训练优化模型,实现了宽工况范围内(温度600~1200 K,压力1~5MPa,当量比0.3~3.0)正庚烷着火延迟时间的准确预测.研究结果表明:与一般神经网络模型相比,基于GA优化后的模型可以大幅提高相关系数,降低平均绝对误差;同时,PSO优化后的GA模型可将相关系数提升到0.9999,进一步减小平均绝对误差和均方误差.所提出的预测模型表现出很高的准确性和稳定性.该研究对于发动机湍流燃烧高效数值模拟具有重要参考价值.

C_2H_6/CO_2组分构成对瓦斯着火延迟时间的影响规律研究

为进一步研究多种不同性质的气体对瓦斯着火过程的影响,采用CHEMKIN-PRO Release软件,选择CH_4燃烧化学反应机理USC Mech 2.0模型对不同组分构成的C_2H_6/CO_2与甲烷混合气体进行数值模拟,然后分析不同组分下瓦斯着火延迟时间的变化趋势,并利用SENKIN程序对其进行敏感性分析。计算结果表明:当C_2H_6百分比小于CO_2百分比时,随着CO_2百分比的增加,瓦斯着火延迟时间略有增加,且其在T=1200K下延长了17.0%,在T=2200K下延长了8.4%,同时抑制CH_4生成的关键反应步敏感性系数下降幅度略大,其协同抑制瓦斯爆炸;当C_2H_6百分比大于CO_2百分比时,随着C_2H_6百分比的增加,瓦斯着火延迟时间大幅缩短,且其在T=1200K下缩短了63.7%,在T=2200K下缩短了35.5%,同时促进CH_4生成的关键反应步敏感性系数下降幅度大,其协同促进瓦斯爆炸。

激波管的调试与甲烷着火延迟时间的测量

为了验证本实验室新建造激波管的稳定性和可靠性,对该激波管的激波衰减率、非理想气体效应等物理特性进行了实验研究.结果表明:该激波管的激波衰减率为1.0%/m^2.2%/m,与国际上其他激波管激波衰减率在同一范围;非理想气体效应造成实验区的实际温度比理论温度要低;由于边界层效应与燃烧波的影响,侧壁的着火延迟时间比端壁要短.侧壁处测得的甲烷着火延迟时间与文献中侧壁处数据以及基于USC2.0机理模拟的结果表现出较好的一致性,端壁处测得的甲烷着火延迟时间在低温条件下与文献中端壁处数据符合较好,在高温条件下存在一定的偏差.

电火花作用下粉尘云着火的延迟时间

为确定粉尘云在电火花作用下的着火敏感性,以钛粉为研究介质,通过以电火花能量释放速率为源项的气-粒两相能量守恒方程建立模型,获得了电火花作用下放电火花能量、粉尘粒径、环境氧体积分数、环境温度及湍流程度对粉尘云着火延迟的影响规律.结果表明:粉尘粒径大小对着火延迟的影响最大,越小的颗粒其着火越迅速;环境温度比室温高50~100 K时,粉尘着火延迟时间显著缩短;湍流会加速颗粒间换热速度,缩短着火延迟时间;点火能量与环境氧浓度对着火延迟的影响较小.通过模拟计算扩展了实验研究,也为相关粉尘爆炸预防工作提供理论依据.

计算氢气/空气混合物着火延迟时间的相关函数

通过利用HDMR方法构建用于计算氢气/空气混合物着火延迟时间的相关函数.首先,通过详细化学反应机理计算得到的不同初始条件(初始温度800～1600K,压强0.1～100atm(1atm=1.01×105Pa),当量比0.2～10)下的氢气空气着火延迟时间数据被用作生成HDMR相关函数的基数据.在此基础上,分别构建了全局HDMR相关函数和分区HDMR相关函数,并通过与利用详细化学反应机理得到的结果进行比较,验证了HDMR相关函数方法的有效性.研究结果表明分区HDMR相关函数更为精确.因此,在需要计算化学时间尺度的燃烧模型中,HDMR分区相关函数方法可以作为详细化学反应机理的一个有效的替代手段.

乙醇燃烧着火延迟时间和CO_(2)演化过程测量

本文利用激波管测量了高温条件下乙醇/氧气/氩气混合气的着火延迟时间,并结合激光吸收光谱技术测量了乙醇燃烧过程中CO_(2)的演化过程。本文对比了测量的着火延迟时间和3种动力学机理的预测结果,其中AramcoMech 3.0机理的预测结果和实验数据吻合较好。敏感性分析结果表明:3种机理中,促进乙醇着火的基元反应类似,但敏感性系数相差较大;CRECK机理中,抑制乙醇着火的最主要基元反应不同于AramcoMech 3.0机理和LLNL机理。将测量的CO_(2)演化过程和3种机理的预测结果进行对比,结果表明:对于当量比为0.5的混合气,AramcoMech 3.0机理和LLNL机理的预测结果相似,均和测量数据吻合较好;对于当量比为1.0的混合气,LLNL机理的预测结果和测量数据吻合较好。CO_(2)生成路径分析表明:基元反应CO+OH=CO_(2)+H是生成CO_(2)的最主要路径,但该反应在不同机理预测CO_(2)生成过程中所占的比例不同。

二氧化碳对乙烷燃烧着火延迟时间的影响

采用0XYMECH燃烧模型,在温度保持1250 K时,模拟研究不同当量比、压力条件下,二氧化碳对乙烷着火延迟时间的影响(包括化学影响、物理影响以及化学影响和物理影响的综合影响)。引入着火延迟时间变化率,量化二氧化碳对乙烷着火延迟时间的影响。贫燃工况:80~.1000 kPa压力范围内,CO_(2)化学影响和物理影响的综合影响对乙烷的着火有抑制作用,且抑制作用随压力增大而增强并趋于稳定。80~338 kPa压力范围内,CO_(2)的化学影响对乙烷的着火有促进作用,且促进作用逐渐减弱。339~1000 kPa压力范围内,CO_(2)的化学影响对乙烷的着火有抑制作用,且抑制作用逐渐增强并趋于稳定。80~1000 kPa压力范围内,CO_(2)的物理影响对乙烷的着火有抑制作用,且抑制作用对压力不敏感。当量工况:80~1000kPa压力范围内,CO_(2)的物理影响以.及化学影响和物理影响的综合影响对乙烷的着火有抑制作用,且抑制作用逐渐增强并趋于稳定。80~1000 kPa压力范围内,CO_(2)的化学影响对乙烷的着火有促进作用,且促进作用逐渐减弱并趋于稳定。富燃工况:80~1000kPa压力范围内,CO_(2)的化学影响和物理影响的综合影响对乙烷的着火随着压力增大先是有短暂且微弱的促进作用,然后变为稳定的抑制作用,且抑制作用不明显。80~1000 kPa压力范围内,CO_(2)的化学影响对乙烷的着火有促进作用,且促进作用逐渐增强。80~1000kPa压力范围内,CO_(2)的物理影响对乙烷的着火有抑制作用,且抑制作用逐渐增强。

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。

正丁烷高温着火延迟期的实验与数值模拟研究

由于正丁烷高温转化制顺酐工艺涉及高温高压等操作条件,量化正丁烷反应混合气在反应器中的安全停留时间,是保证其安全转化的前提。通过自主建设的高温高压燃爆测试平台,测定了正丁烷在不同温度、压力下的着火延迟时间。研究发现,温度与压力越高,着火延迟时间越短。更值得注意的是,正丁烷在500~618℃温度范围内,温度越高,着火延迟时间越长,且具有明显负温度效应现象。通过CHEMKIN软件对正丁烷燃烧反应路径进行分析,发现正丁烷出现负温度效应的原因是由于产生的丁基过氧自由基导致低温链支化,抑制了主链反应路径的发展。研究结果有助于深入理解正丁烷自燃机理,指导正丁烷高温转化工艺的安全设计与爆炸防控。

基于化学动力学的煤气化掺氨着火燃烧特性研究

掺氨燃烧是一种降低燃料含碳量的有效技术途径。采用详细化学动力学计算对煤化气合成气掺混氨气的着火延迟时间以及反应敏感性分析进行研究。结果表明,不同温度下,掺氨比变化对混合气着火时刻起相反的作用;高掺氨比在较高初始温度处会抑制燃料的着火进程,在较低初始温度下反之,转换点温度为988K。较高的初始压力和温度对掺氨混合气的反应活性起明显的促进作用;在中温环境下,压力由6 MPa提高至8 MPa、当量比由0.8提高到1.2均可显著加速着火过程,着火延迟时间分别降低0.96 ms和0.60 ms。化学反应敏感性分析发现,初始温度的提高会导致抑制燃料反应的低温体系基元反应转变为利于燃烧进程。

含易燃添加剂乳化油的着火延迟特性

乳化油对内燃机的燃烧特性和污染有显著的改善效果 ,但也明显延长了着火时间。针对这一问题 ,从实验与计算两方面综合分析了易燃添加剂在不同因素如环境温度和压力、添加剂的挥发性 (包括沸点与蒸发潜热 )等对着火延迟的影响 ,以寻求克服水分对燃烧的不利影响 ,得出一些规律性的结论 ,如通过提高压力与温度等可以显著地改善燃烧。

十氢萘/空气混合物高温着火延迟的激波管测量（英文）

在激波管上进行了气相十氢萘/空气混合物的着火延迟测量,着火温度为950-1395 K,着火压力为1.82×105-16.56×105Pa,化学计量比分别为0.5、1.0和2.0.在侧窗处利用反射激波压力和CH*发射光来测出着火延迟时间.系统研究了着火温度、着火压力和化学计量比对十氢萘着火延迟时间的影响.实验结果显示着火温度和着火压力的升高均会缩短着火延迟时间.首次在相对高和低压的条件下观察到了化学计量比对十氢萘着火延迟的影响是完全相反的.当压力为15.15×105Pa时,富油混合物呈现出最短的着火延迟时间,而贫油混合物的着火延迟时间却是最长的.相反,当压力为2.02×105Pa时,富油混合物的着火延迟时间最长.着火延迟数据与已有的动力学机理的预测值进行对比,结果显示机理在所有的实验条件下均很好地预测了实验着火延时趋势.为了探明化学计量比对着火延迟时间影响的本质,对高、低压条件下的着火延时进行了敏感度分析.结果显示,压力为2.02×105Pa时,控制着火延迟的关键反应为H+O2=OH+O,而涉及十氢萘及其相应自由基的反应在15.15×105Pa时对着火延迟起主要作用.

正十一烷/空气在宽温度范围下着火延迟的激波管研究（英文）

在加热激波管上测量了气相正十一烷/空气混合物的着火延迟时间,着火温度为宽温度范围731-1399 K,着火压力在2.02×10^5和10.10×10^5Pa附近,化学计量比分别为0.5、1.0和2.0。通过监测管侧壁观测点处的反射激波压力和OH＊发射光测出着火延迟时间。实验结果显示：在910 K以上,着火延迟时间随着火温度的降低而变长,从910到780 K,着火延迟时间随着火温度的降低而变短（显示出了负温度系数效应）,在780 K以下,着火延迟时间随着火温度的降低再次变长。在所研究的压力下,着火压力的增加使着火时间变短。化学计量比对着火延迟的影响在着火压力为2.02×10^5和10.10×10^5Pa时是不同的,与在高温区相比,着火延迟在低温区对化学计量比非常敏感。在整个温度范围内,当前实验结果和LLNL（Lawrence Livermore National Laboratory）机理的预测值表现出了很好的一致性。现在的正十一烷/空气的着火数据和先前实验测量的正庚烷/空气、正癸烷/空气和正十二烷/空气的着火延迟时间相比较显示了着火延迟时间随着直链烷碳原子数的增加而减小。敏感度分析显示,高、低温条件下影响正十一烷着火延迟过程的反应是显著不同的。在高温条件下起最大促进作用的反应是H＋O2=O＋OH,然而在低温条件下,起最大促进作用的反应是过氧十一烷基（C11H23O2）的异构化反应。本文研究首次提供了正十一烷/空气的激波管着火延迟时间。

微型内燃机工况下C1–C4烷烃着火延迟数值模拟

燃料着火延迟时间对采用蓄热自着火方式的微型内燃机非常重要。利用Chemkin-Pro软件,分别对甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷空气混合气在微型内燃机运行工况下进行着火延迟时间模拟计算,探究初始温度(500 K^1 000 K)、压力(1~10 atm)和当量比(0.6~1.2)对着火延迟时间的影响。同时分析了微型内燃机扫气不尽的尾气残留组分(N2、CO2和H2O)对正丁烷着火延迟时间的影响。结果表明:在四种燃料中,正丁烷的低温着火延迟特性最佳,是一种适合于采用蓄热自着火方式的微型内燃机燃料;初始温度、压力的提高和当量比的增大有利于燃料着火延迟时间的缩短;尾气残留使得燃料着火延迟时间变长,着火延迟特性变差,尾气各组分的热效应和基元反应对燃料着火延迟有着不同的影响机制。

炉膛温度对扁球状型煤着火时间影响的实验研究

分析了影响型煤着火延迟时间的因素 ,研究了炉膛温度对扁球状型煤着火延迟时间的影响 。

不同工况下汽油蒸气爆炸着火延迟与机理分析

利用激波管,对常压下温度1200～1600 K、体积分数1.0%～2.4%范围内的92号汽油-空气混合气的着火延迟特性进行了实验研究,以探索低压初始环境中油气爆炸的着火延迟规律。分析了着火延迟时间随点火温度和油气浓度的变化规律;得到了不同浓度下汽油着火延迟时间的计算公式;根据实验结果对比分析了七种机理模型的优劣;结合机理中主要组分的产生、消耗速率变化,剖析了浓度影响着火延迟的原因。结果表明,汽油着火延迟时间与点火温度的倒数呈良好的指数关系;同一高温下,浓度越大,油气着火延迟时间越长,原因是高油气浓度下烃分子与H的反应更强,从而抑制H与O_2的反应;在验证的七种机理中,Abhijeet Raj机理在低压下对各油气浓度的着火延迟时间计算精度较高,适宜应用到油气爆炸模拟中。研究为汽油燃烧动力学机理的验证、优化与应用提供了较为准确的数据基础。

煤粉在平面火焰携带流反应系统中着火延迟特性试验

采用自行搭建的可实现高温（1 750K）高加热速率（10^5~10^6 K/s）的平面火焰携带流反应系统试验平台进行煤粉的着火延迟试验研究。通过图像采集系统获得了煤粉燃烧瞬时图像,并通过对煤粉燃烧瞬时图像的后期处理获取煤粉的发光强度随时间变化的趋势,以及不同煤粉着火延迟时间。结果表明,各种煤粉的发光强度曲线有类似的趋势,每条曲线都存在一个光强的极大值,其中兴义（XY）电厂无烟煤着火延迟时间最短,鸭溪2号煤（YX2）着火延迟时间最长,该结果可为锅炉煤粉燃烧器的设计提供参考。

氨煤混燃过程中单颗粒煤粉着火特性

开展绿氨与煤混燃有助于双碳目标下的火电降碳,在炉内掺烧技术逐步实现增大掺氨比过程中,煤粉颗粒着火特性是影响氨煤混燃机组宽负荷灵活运行的关键因素。针对氨与煤粉混合给料的掺烧技术路径,利用新型两级平焰燃烧器开展了氨煤混燃过程单颗粒煤粉着火特性研究。利用高速摄影和背光法,通过图像分析获得了不同工况(载气掺氨比、环境氧浓度)下准东煤粉颗粒着火模式和着火延迟时间。研究发现,非掺氨工况下颗粒着火过程由非均相着火模式主导,而掺氨可增大均相颗粒着火模式的煤粉颗粒比例。同时,增大掺氨比,煤粉在脱挥发分阶段破碎的比例增大。同时,通过构建含有氨总包燃烧反应的一维暂态煤粉着火模型,可较好复现氨对煤粉颗粒着火特性的影响:在中心还原气氛下影响较小;而中心氧体积分数为0.1、0.2时,掺氨显著降低单颗粒着火延迟时间,这主要是由于氨火焰提高了煤粉颗粒的加热速率。

高浓度CO_(2)对70%正庚烷+30%甲苯着火延迟的影响

为了研究柴油在O_(2)/CO_(2)环境下的着火延迟时间,建立了以70%正庚烷+30%甲苯作为柴油表征燃料的着火延迟时间模型。该模型考虑了高浓度CO_(2)对着火的阻燃作用,得到了着火延迟时间函数,包括温度、环境密度以及O_(2)、CO_(2)气体浓度。结合正庚烷/甲苯机理的仿真计算和定容燃烧弹可视化试验,对不同CO_(2)体积分数下的着火延迟时间和影响着火发生的重要基元反应进行深入研究。结果表明:本文模型能够预测柴油在O_(2)/CO_(2)环境下的着火延迟时间,且在50%CO_(2)环境下计算和实验的平均误差值为5.71%;CO_(2)的热效应对着火延迟时间的影响起主导作用,同时当CO_(2)体积分数大于60%时,CO_(2)的第三体碰撞效应对着火发生的促进作用显著增强。

快速压缩机试验系统及N2O-C2H4着火特性测量

文中设计并搭建了适用于测量较宽温度、压力范围下着火延迟时间的快速压缩机试验系统。详细介绍了快速压缩机试验系统的主要子系统的构成及其功能,以及试验操作步骤。通过与文献试验数据对比,验证了文中试验系统的准确性,并通过相同工况多次测量,验证了文中试验系统的可靠性。基于此,测量了不同温度、压力工况下N2O-C2H4的着火特性。结果表明:N2O-C2H4着火延迟时间对初始温度表现较为敏感,在1 110~1 170 K的范围内随着初温的升高,着火延迟时间从142 ms缩短至8.7 ms。着火延迟时间随着压力的升高呈现快速下降趋势。