二甲醚掺混对氨高温着火延迟期的影响

针对氨燃料化学反应活性低、直接在发动机上使用较难实现可靠着火及高效燃烧的问题,开展了添加高反应活性燃料二甲醚改善氨着火性能的实验及模拟研究。利用激波管实验装置获得了压力为1 MPa、温度在1 079~1 667 K范围内和当量比为1条件下氨/二甲醚燃料的着火延迟期的实验数据,揭示了添加二甲醚后的着火促进效果;利用实验数据评价了不同化学反应动力学模型对氨/二甲醚燃料着火延迟期的预测表现;基于Dai模型开展了化学反应动力学理论分析,明晰了掺混二甲醚对反应路径、着火敏感反应和自由基产率的影响机制。实验结果表明,高温下掺混二甲醚对氨着火延迟期有显著的非线性促进作用,实际应用中仅掺混少量即可达到着火调控效果。化学反应动力学分析结果表明:添加摩尔分数为5%的二甲醚对氨的化学反应路径影响较小,着火过程中两种燃料之间存在自由基的竞争;添加二甲醚在着火初期提高了OH自由基生成反应的产率,从而显著缩短了着火延迟期。该研究可为氨燃料发动机的着火调控和性能优化提供参考。

基于快速压缩机的甲烷着火延迟期的研究

为了研究甲烷（CH4）的燃烧特性，在初始温度288K、驱动压力0．25～0．65MPa、初始压力0．06～0．10MPa、当量比0．57～1．33的实验条什下，利用快速压缩机（RCM）研究了驱动压力、初始压力和当量比对CH4／O2／Ar混合气着火延迟期的影响．利用CHMKIN软什进行了上止点温度对CHd／07／Ar混合气着火延迟期影响及与实验相同初始压力、当量比条什下的模拟计算及敏感性分析．结果表明：一定驱动压力范围内，CH4／O2／Ar混合气着火延迟期在较小范围内波动，驱动压力过高时，混合气着火延迟期略有延长，而驱动压力过低时，混合气着火延迟期明显延长；随上止点温度升高，CH4／O2／Ar混合气着火延迟期呈缩短趋势；不同当量比下，随初始压力的增加，CH4／O2／Ar混合气着火延迟期均呈缩短趋势；不同初始压力下，随当量比的增加，CH4／O2／Ar混合气着火延迟期均呈延长趋势．

发动机中沼气着火延迟期的计算

沼气着火延迟期的计算是建立燃烧模型、研究沼气发动机燃烧过程的基础 。

再生式喷雾燃烧过程中着火延迟期的影响特性

对液体药火炮中的再生式喷雾燃烧过程进行了大量的实验研究，发现了着火延迟期对再生式喷雾燃烧过程的重要影响。建立了反映着火后燃烧室内压力状态与着火延迟期间各参量之间关系的分析模型；结果表明，随着着火延迟期的延长，延迟期间液体药堆积量不断增加，进而导致着火后压力升高率急剧增大。运用零维数学模型对整个再生喷雾燃烧过程进行了模拟，模拟结果进一步证实了分析模型结论，较好地再现了正常燃烧过程和非正常燃烧过程的基本特征，阐明了着火延迟期对再生喷雾燃烧过程影响的物理本质。

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。

基于OH^(*)的NH_(3)-H_(2)-DME高温自着火特性

氨(NH_(3))作为一种十分有前景的零碳替代燃料,其低反应性限制了它的发展和应用,而掺混与其特性互补的其他低碳或零碳燃料,可明显改善其燃烧特性.基于此,在激波管试验平台上利用反射激波和燃料激发态羟基(OH^(*))的自发光特性,测量了温度T为1 300~2 000 K、压力p为0.14 MPa与1.00 MPa且当量比φ为0.5、1.0和2.0条件下,NH_(3)-氢(H_(2))-二甲醚(DME)三元燃料与空气混合燃料的着火延迟期(IDT),并研究了H_(2)+DME作为二元活性剂,其比例在各工况下对纯NH_(3)混合燃料着火延迟期缩短率的影响.结果表明:活性组分比例会影响活性剂的着火促进效果,活性剂H_(2)+DME(摩尔分数比为1∶1)相比同比例下的单一活性剂可以降低混合燃料更多的活化能.三元混合燃料的着火特性随活性剂比例、反应条件不同,有截然不同的特点,其中,在稀燃条件下,H_(2)+DME(摩尔分数比为2∶1)着火促进效果更好,而在富燃条件下,H_(2)+DME(摩尔分数比为1∶2)活性更高.

二甲醚对氨着火特性的影响与动力学分析

基于激波管测试平台测量了二甲醚对氨气着火延迟期的影响.试验压力为0.14/1.00 MPa,温度为1150~1950 K,当量比为0.5/1.0/2.0,氨/二甲醚掺混比为100/0、95/5、90/10和70/30.试验结果表明:添加二甲醚可以有效缩短氨气的着火延迟期,增加氨气的反应活性.低温、低压条件下,二甲醚对氨气的着火促进作用更强,添加二甲醚导致当量比对氨气着火延迟期的影响减弱.建立了氨气-二甲醚机理以揭示二甲醚对氨气着火的促进作用,并将笔者的着火延迟期数据与部分文献机理进行了验证和对比,本机理能够可靠预测试验结果.通过敏感性分析、反应路径分析及产率分析,解释氨气和二甲醚的相互作用机理.分析表明,二甲醚的促进作用主要是通过加速早期自由基池发展以增加系统反应活性.着火初期二甲醚通过反应HO_(2)+CH_(3)=OH+CH_(3)O产生大量的OH自由基,对氨气消耗并提前启动链反应至关重要.

二甲醚在低到中温的着火延迟特性

在上止点温度656～814 K,上止点压力1.2～3.5 MPa,当量比(φ)0.83～1.25实验条件下,利用快速压缩机(RCM)研究了上止点压力和燃料浓度对二甲醚着火延迟期的影响及二甲醚三阶段燃烧现象。利用CHEMKIN-PRO软件在更宽广温度范围内对混合气着火延迟进行了同等条件下的模拟计算及反应动力学分析。结果表明:随着上止点压力及燃料浓度的增加,第1阶段着火延迟期均略有缩短,总着火延迟期明显缩短;二甲醚总着火延迟期存在明显的负温度系数(NTC)现象,且在较低上止点压力和燃料浓度下NTC现象更加明显;在稀燃条件下(φ(28)0.83)二甲醚混合气出现低温放热和高温两阶段放热的三阶段放热现象,其高温第1阶段放热主要由CH_2O生成大量CO引起,高温第2阶段放热主要由生成燃烧最终产物CO_2和H_2O引起。

正戊醇/正十二烷二元燃料着火及燃烧特性

为了探究正戊醇/正十二烷二元燃料着火及燃烧特性,在高温高压定容燃烧弹中采用自发火焰发光法、纹影法、甲醛平面激光诱导荧光法以及OH*化学发光法研究了正戊醇/正十二烷二元燃料P20D80的着火延迟期、火焰发展、燃烧中间组分以及火焰浮起长度.结果表明:在相同工况下,与正十二烷(D100)相比,P20D80的总着火延迟期和火焰浮起长度更长,且两者的甲醛信号都在火焰浮起处的下游位置被逐渐消耗;P20D80的甲醛初生时刻延迟了100μs左右,可很好降低碳烟生成;与D100相比,在不同的环境温度工况下,P20D80的化学着火延迟期更长,但随着喷射压力的增加,P20D80的化学着火延迟期先大后小;此外,在相同工况下,P20D80物理着火延迟期与正十二烷物理着火延迟期的差值随着环境温度升高而略微升高,但随着喷射压力的增加而降低.

二甲醚/乙烷混合气低温着火延迟特性

为了研究二甲醚/乙烷混合气在低温下的着火延迟特性,在快速压缩机实验台架上测量了二甲醚/乙烷混合气在上止点温度627~912 K,上止点压力16~30 bar,当量比0.5~1和乙烷掺混比0~70%条件下的着火延迟期.同时,基于CHEMKIN-PRO软件进行了同等工况条件下的模拟计算.实验与模拟结果表明:二甲醚/乙烷混合气总着火延迟期呈现明显的负温度系数(NTC)现象,且在较低的上止点压力下NTC现象更加明显.上止点压力和当量比的增加使得第一阶段和总着火延迟期均呈现缩短趋势,尤其在NTC区间.乙烷的添加显著抑制了着火,混合气的第一阶段和总着火延迟期显著延长.化学动力学分析表明,乙烷竞争主要由二甲醚低温着火过程主导产生的OH自由基进而抑制二甲醚的低温氧化,而自身的着火过程得到促进甚至呈现两阶段特性.但是随着乙烷掺混比的增加,整体混合气的低温着火过程仍受到抑制,放热率和活性自由基累积量降低,因此着火延迟期延长.

稀释气体对二甲醚着火延迟特性的影响

在上止点压力1.5 MPa,上止点温度670~795 K,当量比为1的实验条件下,利用快速压缩机(RCM)研究了N_2、N_2/Ar(50%/50%)和Ar/CO_2(61.2%/38.8%)稀释气体对二甲醚(DME)着火延迟期的影响。利用CHMKINPRO软件在较大温度范围内进行了模拟研究。结果表明:不同稀释气体组分对二甲醚混合气体第一阶段着火延迟期影响很小,但对总着火延迟期具有较大的影响,尤其在负温度系数(NTC)区间的起点温度附近。与N_2相比,N_2/Ar(50%/50%)使得实验中总着火延迟期缩短30%。稀释气体的化学效应对第一阶段着火延迟期和总着火延迟期的影响均很小。在低温区间和NTC区间,稀释气体的热效应起主导作用,而当上止点温度超过NTC区间时,CO_2的化学效应影响增强且超过热效应而起到主导作用。随稀释率增加,DME混合气体第一阶段着火延迟期略有延长,而总着火延迟期出现明显延长,且总着火延迟期的NTC现象变得更加明显。

二甲醚与氢气稀混合气在中低温条件下的着火延迟特性

为了研究二甲醚与氢气稀混合气在中低温条件下的着火延迟特性,利用快速压缩机实验台架测量了二甲醚与氢气稀混合气在上止点温度628~858 K,上止点压力12~22 bar,当量比0.30~1.00,掺氢比0%~85%条件下的着火延迟期。同时,采用有限元分析软件Chemkin-Pro对着火过程进行了模拟计算。实验和模拟研究结果表明:氢气的添加使得着火延迟期呈非线性增加,且在掺氢比超过60%和较低的上止点压力下氢气对着火的抑制效果更加明显;二甲醚与氢气稀混合气在较低当量比0.30下的燃烧与放热出现低温、高温第1阶段和高温第2阶段3个阶段,且随着掺氢比的增加,三阶段的燃烧与放热现象弱化。化学动力学分析表明:二甲醚主要在低温、高温第1阶段反应过程中消耗,氢气主要在高温第2阶段反应中消耗。

GAP/CL-20推进剂在快速热刺激下的自着火特性

为了探究不同温度与压强对GAP/CL-20推进剂安全性能的影响,采用快速压缩机实验平台并结合高速成像以及动态压强采集技术对GAP/CL-20推进剂在快速热刺激下的自着火行为进行分析,并得出其相应的自着火边界。结果表明,GAP/CL-20推进剂样品的燃烧分为热解与着火两个阶段,且整体呈现出逐层燃烧并剥离的特点;样品的右侧面与棱角位置则会由于压缩过程中气体扰动对换热的影响而优先于其他位置着火;随着温度与压强的升高,GAP/CL-20推进剂的着火延迟期与燃烧持续期缩短,压强上升提前;其临界着火温度和燃烧速度均随着压强的升高而降低,但达到一定压强后下降速度将会放缓。

异辛烷燃烧过程的声场激励调控特性

从宏观与微观层面分析了超声波对异辛烷燃烧的调控作用机理,利用发动机台架试验验证了原机三维燃烧数值模拟模型,基于燃烧室内物理嵌入动网格声源面方法,实现将20 kHz振幅为300μm超声波成功馈入燃烧室.将有、无超声波馈入燃烧室的工作缸压差值作为超声辐射压力扰动,研究了超声场激励对异辛烷的着火延迟期、中间反应组分及敏感性的影响特性.通过对比分析超声馈入方案S_(1)~S_(3)及无超声馈入方案S_(0),结果表明:S_(1)~S_(3)方案均使燃烧相位得以提前,S_(2)和S_(3)中C_(3)H_(6)、IC_(4)H_(8)和C_(2)H_(4)的峰值摩尔分数分别提升42.1%、24.7%、27.5%和21.5%、9.6%、5.3%,且两者异辛烷燃尽时间均提前0.18 s.当量比为1且初始温度分别为1300 K和1700 K时,着火延迟期分别缩短31.8%和6.4%,且均促进了OH自由基的大量生成.

C_2H_6/H_2混合气着火特性的实验与化学动力学研究

利用高压激波管实验装置测量了化学计量比下的C2H6/H2/O2/Ar混合气的着火延迟期,实验的温度范围为900～1 700 K,压力为1.2～16倍标准大气压.实验结果表明：当混合气中C2H6的摩尔分数xc2H6＞30％时,着火延迟期与温度和压力呈现出了典型的Arrhenius依赖性;当3％≤xC2H6＜30％时,着火延迟期与温度仍呈现出Arrhenius关系,但是压力越高全局活化能越高;当xC2H6≤3％时,着火延迟期与温度和压力呈现出复杂的依赖关系.模拟结果表明：xc2H6对C2H6/H2混合气着火延迟期的影响是非线性的,NUIG Aramco Mech 1.3机理可以很好地预测出实验结果;通过化学反应路径分析和标准化的H自由基分析,可以解释着火延迟期对xC2H6的依赖关系.

二甲醚/氢气稀混合气的着火特性

利用激波管测量了二甲醚(DME)/氢气(H2)/氧气(O2)/氩气(Ar)稀混合气在宽广条件下的着火延迟期,并利用Chemkin软件对着火过程进行了模拟计算.实验结果表明,当混合气中H2的摩尔分数2HX<80%时,着火延迟期呈现出了典型的Arrhenius温度与压力依赖性;当80%<2HX<98%时,着火延迟期与温度仍呈现出Arrhenius关系,但是压力越高全局活化能越高;当2HX>98%时,着火延迟期与温度和压力都呈现出复杂的依赖关系.实验结果和计算结果均表明,随着H2混合比例增加,DME/H2混合气的着火延迟期呈现非线性的变化规律而且模型NUIG C4可以很好地预测出实验结果.通过自由基浓度分析和标准化H自由基消耗速率分析解释了上述现象.

HCCI发动机着火时刻控制参数的研究

以二甲醚、甲烷/丙烷混和物、异辛烷/正庚烷混合物作为燃料,模拟研究了燃料成分、压缩比、燃空当量比、进气温度、进气压力对均质充量压燃(HCCI)发动机着火时刻的影响。计算结果表明:随燃料十六烷值的增加,着火延迟期减小;随燃料辛烷值的增加,着火延迟期增加。而压缩比,燃空当量比,进气温度对三种燃料着火时刻有显著影响。进气压力的变化对高十六烷值的燃料着火延迟期影响较小,但对辛烷值高的气体燃料着火延迟期影响比较明显。

均质充量压燃发动机着火过程控制参数的研究

为了研究均质充量压缩火燃烧(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)发动机在不同燃料下的着火控制时刻影响因素,以甲烷/丙烷混和物和异辛烷/正庚烷混合物作为燃料,考察了十六烷值、辛烷值、压缩比、燃空当量比、进气温度、进气压力对HCCI发动机着火时刻的影响。计算结果表明,随着燃料十六烷值的增加,着火延迟期减小;随着燃料辛烷值的增加,着火延迟期增加。而压缩比,燃空当量比,进气温度的变化会引起燃料着火时刻的显著变化。进气压力的变化对高十六烷值的燃料着火延迟期影响较小,但对辛烷值高的气体燃料着火延迟期有一定影响。综合来说,气体十六烷值越低,辛烷值越大,着火延迟期受上述参数变化影响越大。

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1100~1750 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1300~1430 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.

汽油/加氢催化生物柴油混合燃油简化机理的构建及验证

针对汽油/加氢催化生物柴油(HCB)混合燃油可改善汽油直喷压燃模式中低负荷着火困难和燃烧不稳定的现象,基于燃油分子结构和理化特性相似原则,提出了正十六烷作为加氢催化生物柴油的表征燃料.采用多种简化方法对正十六烷详细机理(POLIMI_1412)进行简化,并与汽油表征燃料骨架机理以及氮氧化物子机理进行耦合,获得了82个组分和370步基元反应的汽油/HCB混合燃油简化机理.采用反应路径分析和敏感性分析方法,对部分反应的反应速率常数进行优化.结果表明:对着火延迟期的敏感性分析发现,各反应的敏感性随温度和当量比变化显著;低温工况下,大多数低温反应对着火起控制作用,而对于层流火焰速度,主要是小分子反应起控制作用;通过对简化机理的着火延迟期、层流火焰速度和组分摩尔分数进行对比验证,以及对简化机理在压燃发动机仿真中的适用情况进行验证,发现简化后获得机理可以很好预测汽油/HCB混合燃油着火燃烧特性.