二甲醚/甲醇层流预混火焰实验及数值模拟研究

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随着世界能源形势的日益严峻和环境污染的日趋恶化,人们对发动机清洁可替代燃料的关注也日益增加。二甲醚由于其分子结构简单,含氧量高,十六烷值高,有害排放低等优点,成为近些年备受关注的研究热点。但由于二甲醚沸点较低,在发动机上燃烧时仍存在一些问题,比如易产生气阻,腐蚀橡胶,容易溢出外泄,润滑性差等。同二甲醚相比,甲醇具有动力性好,抗爆性好,安全性高等优点。二甲醚与甲醇掺混,能得到更优越的燃烧及排放性能,目前也有很多学者对于二甲醚/甲醇混合燃料发动机的燃烧特性进行了台架实验研究,并取得了一些成果。但二甲醚/甲醇混合燃料燃烧基础方面的数据比较欠缺,对二甲醚/甲醇混合燃料的燃烧细节的报导也很少。本文针对二甲醚/甲醇层流预混火焰开展了系统的实验和数值模拟研究。利用定容燃烧弹实验平台,测量了不同初始条件下的混合燃料的层流燃烧速度,利用气相化学反应动力学分析软件ChemkinⅡ结合最新发表的二甲醚/甲醇化学反应机理对相应条件下的混合气火焰进行了化学反应动力学分析,将研究工作由宏观深入到微观,由实验现象分析深入到具体反应机理和反应路径分析,为二甲醚/甲醇混合燃料的燃烧基础研究提供了可靠的实验数据,并对混合燃料发动机的研究提供了理论依据和建议。本文获得的主要研究成果如下:(1)利用定容燃烧弹实验平台和ChemkinⅡ化学反应动力学软件测量和计算了不同当量比及甲醇掺混度条件下,二甲醚/甲醇/空气混合气的预混层流燃烧速度,分析了当量比及甲醇掺混度对二甲醚/甲醇混合燃料宏观燃烧特性的影响规律。结果表明,模拟计算结果与实验值得到了很好的吻合;在甲醇掺混度为60%之前,随甲醇掺混度的增大,火焰传播速度增大。在甲醇掺混度大于60%以后,随甲醇掺混度的增大,火焰传播速度反而减小;随着当量比的增大,层流燃烧速度呈先增加后减小的趋势,且随甲醇掺混度的增大,层流燃烧速度的峰值向浓混合气方向偏移;随甲醇掺混度的增大,混合燃料燃烧时的绝热火焰温度呈下降趋势,而随当量比的增加呈现先上升后下降的趋势。(2)借助已验证的化学反应机理,结合ChemkinⅡ化学反应动力学分析软件,对不同初始条件下的二甲醚/甲醇混合燃料的火焰结构进行了研究,主要分析了甲醇掺混和当量比对火焰结构及燃料反应路径的影响。结果表明,层流燃烧速度的大小主要受混合气中H、OH、O等自由基的影响,随着甲醇掺混度的增大,H和OH自由基摩尔分数降低,从而导致层流燃烧速度降低;随着甲醇掺混度的增大,质量燃烧流量对于反应R1:H+O2=O+OH的敏感性逐渐降低;对温度的敏感性分析发现在轴向距离1mm时,反应已经接近产物区;二甲醚中添加甲醇,会对两种燃料的反应路径产生不同程度的影响,尤其是对于甲醇,相比纯甲醇,掺混二甲醚以后,反应中会有一部分CH3结合OH自由基生成CH3OH,进而对反应路径产生影响。
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