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基于非平衡等離子體的甲醇燃料燃燒過(guò)程模擬研究

發(fā)布時(shí)間:2017-10-27 01:06

  本文關(guān)鍵詞:基于非平衡等離子體的甲醇燃料燃燒過(guò)程模擬研究


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【摘要】:甲醇是煤基燃料,可以通過(guò)煤化工方式進(jìn)行生產(chǎn),這對(duì)于富煤貧油少氣的中國(guó)來(lái)說(shuō),不失為一種非常好的選擇。諸多研究表明,甲醇是一種最有可能在中國(guó)全國(guó)范圍內(nèi)大面積推廣應(yīng)用的汽車(chē)代用燃料之一。針對(duì)甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難和非常規(guī)排放物高的問(wèn)題,利用非平衡等離子體點(diǎn)火和助燃技術(shù),為改善甲醇燃料燃燒和排放性能提供了新的思路。本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法探索甲醇空氣混合氣等離子體的放電過(guò)程,通過(guò)研究甲醇空氣等離子體放電過(guò)程機(jī)理、電子能量分布特性及活性粒子的產(chǎn)生和發(fā)展等,分析等離子體放電過(guò)程中影響活性粒子產(chǎn)生效率的主要因素;借助化學(xué)動(dòng)力學(xué)軟件CHEMKIN中的密閉、均勻、完全混合反應(yīng)器模型在給定溫度、壓力及反應(yīng)物組分濃度等初始條件下進(jìn)行等離子體助燃甲醇燃料著火燃燒的模擬計(jì)算,通過(guò)耦合等離子體放電計(jì)算結(jié)果,對(duì)等離子體放電產(chǎn)生的活性粒子在燃燒過(guò)程中的助燃機(jī)理及助燃效果進(jìn)行分析和研究;針對(duì)非平衡等離子體助燃在甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用,利用AVL FIRE軟件通過(guò)建立甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)模型仿真在進(jìn)氣歧管處電離空氣產(chǎn)生的主要活性物質(zhì)臭氧對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的助燃作用,分析不同比例臭氧的添加對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和冷啟動(dòng)工況燃燒排放特性的影響。研究得到以下結(jié)論:1.甲醇空氣等離子體放電過(guò)程中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理主要有電子碰撞激發(fā)、離解和電離反應(yīng),激發(fā)態(tài)與中性分子的猝滅反應(yīng),離子/電子的二次結(jié)合反應(yīng);電子能量分布特性受到約化場(chǎng)強(qiáng)、電離度和氣體組分濃度的影響,其中,約化場(chǎng)強(qiáng)、電離度的提高使電場(chǎng)內(nèi)高能電子比例上升,氣體組分濃度對(duì)電子能量分布的影響可以忽略不計(jì);等離子放電過(guò)程中自由基的產(chǎn)生主要發(fā)生在電子能量3~10e V之間的電子碰撞反應(yīng)中,約化場(chǎng)強(qiáng)由70Td上升至220Td過(guò)程中,3~10e V的電子比例迅速升高,因此此時(shí)自由基的濃度也將大幅度提高;甲醇空氣等離子體中主要活性粒子有自由基O、H、CH2OH、CH3和OH;在約化場(chǎng)強(qiáng)為220Td至400Td區(qū)間自由基的產(chǎn)生效率較高,適合應(yīng)用于等離子體助燃過(guò)程中。2.等離子體助燃甲醇燃料燃燒可以有效的縮短著火延遲期,活性粒子中氧原子的濃度對(duì)著火延遲期的縮短起著關(guān)鍵的作用;等離子體助燃條件下,系統(tǒng)內(nèi)溫度達(dá)到最高時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間提前;由于活性粒子的加入甲醇燃料著火延遲時(shí)間縮短,反應(yīng)物向產(chǎn)物的轉(zhuǎn)變過(guò)程也因此提前,主要中間產(chǎn)物濃度達(dá)到峰值時(shí)間減小。3.在進(jìn)氣歧管處電離空氣產(chǎn)生的主要活性物質(zhì)臭氧對(duì)優(yōu)化甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)和燃燒排放特性有一定的促進(jìn)作用:穩(wěn)態(tài)工況下,活性物質(zhì)臭氧可以使甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒質(zhì)量得到提高并且可以有效的降低排放物濃度,這主要是由于臭氧發(fā)生分解反應(yīng)生成氧原子,隨后氧原子又與氣缸內(nèi)甲醇發(fā)生了一系列鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng),產(chǎn)生小分子燃料、自由基等活性物質(zhì)使缸內(nèi)溫度得到上升并促使缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣?燃燒更加迅速完全,從而使甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒排放特性得到了優(yōu)化;冷起動(dòng)工況下,在未添加臭氧前發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒質(zhì)量差,非常規(guī)排放高;隨著添加臭氧比例的提高,發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒排放質(zhì)量得到優(yōu)化,缸內(nèi)有更多的甲醇燃料參與燃燒,缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)壓力上升顯著,臭氧的添加可以有效的改善甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)性能。綜上所述,甲醇空氣等離子體助燃可以有效的縮短甲醇燃料燃燒的著火延遲期,燃燒氧化反應(yīng)速率得到了明顯的加速,使甲醇燃料燃燒更加穩(wěn)定,火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊玫教岣?空氣等離子體助燃甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程中,活性物質(zhì)臭氧的添加可以有效的提高甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒質(zhì)量和降低排放物濃度,并且在解決甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)問(wèn)題方面效果顯著。
【關(guān)鍵詞】:甲醇燃料 非平衡等離子體 活性粒子 燃燒 排放
【學(xué)位授予單位】:吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2016
【分類(lèi)號(hào)】:TK46
【目錄】:
  • 摘要4-6
  • ABSTRACT6-12
  • 第1章 緒論12-28
  • 1.1 引言12-14
  • 1.2 甲醇燃料的基本特性及研究進(jìn)展14-19
  • 1.2.1 甲醇燃料物化特性分析14-16
  • 1.2.2 甲醇燃料在應(yīng)用中存在的問(wèn)題16-17
  • 1.2.3 甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展17-19
  • 1.3 非平衡等離子體點(diǎn)火和助燃技術(shù)的研究進(jìn)展19-25
  • 1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀20-24
  • 1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀24-25
  • 1.4 本文研究目的和意義25-26
  • 1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容26-28
  • 第2章 非平衡等離子體技術(shù)及研究方法28-38
  • 2.1 非平衡等離子體技術(shù)28-33
  • 2.1.1 非平衡等離子體點(diǎn)火29-30
  • 2.1.2 非平衡等離子體助燃30
  • 2.1.3 非平衡等離子體的產(chǎn)生方式30-33
  • 2.2 非平衡等離子技術(shù)主要研究手段33-37
  • 2.2.1 COMSOL Multiphysics軟件簡(jiǎn)介34-35
  • 2.2.2 CHEMKIN軟件簡(jiǎn)介35-36
  • 2.2.3 AVL FIRE軟件簡(jiǎn)介36-37
  • 2.3 本章小結(jié)37-38
  • 第3章 甲醇空氣等離子體放電過(guò)程數(shù)值模擬38-58
  • 3.1 甲醇空氣混合氣等離子體建模38-43
  • 3.1.1 等離子體發(fā)生器模型的建立38-39
  • 3.1.2 等離子體放電動(dòng)力學(xué)模型39-43
  • 3.1.3 模型可行性分析43
  • 3.2 電子能量分布特性分析43-50
  • 3.2.1 約化場(chǎng)強(qiáng)對(duì)電子能量分布的影響46-47
  • 3.2.2 電離度對(duì)電子能量分布的影響47-49
  • 3.2.3 氣體組分濃度對(duì)電子能量分布的影響49-50
  • 3.3 放電過(guò)程中活性粒子演變過(guò)程分析50-56
  • 3.3.1 激發(fā)態(tài)、電離態(tài)物質(zhì)的產(chǎn)生和發(fā)展51-53
  • 3.3.2 自由基的產(chǎn)生和發(fā)展53-56
  • 3.4 本章小結(jié)56-58
  • 第4章 等離子體助燃甲醇燃料著火燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬58-74
  • 4.1 燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型58-59
  • 4.2 著火延遲期的變化特性分析59-63
  • 4.2.1 活性粒子濃度對(duì)著火延遲期的影響59-60
  • 4.2.2 初始溫度對(duì)著火延遲期的影響60-61
  • 4.2.3 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)著火延遲期的影響61-62
  • 4.2.4 活性粒子組分對(duì)著火延遲期的影響62-63
  • 4.3 溫度的變化特性分析63
  • 4.4 等離子體助燃甲醇燃料燃燒過(guò)程各物質(zhì)產(chǎn)生和消耗的變化關(guān)系63-70
  • 4.4.1 著火燃燒過(guò)程中反應(yīng)物及生成物的變化63-66
  • 4.4.2 著火燃燒過(guò)程中主要中間產(chǎn)物的變化66-70
  • 4.5 敏感性分析70-72
  • 4.5.1 溫度的化學(xué)反應(yīng)敏感性分析71-72
  • 4.5.2 著火延遲期的化學(xué)反應(yīng)敏感性分析72
  • 4.6 本章小結(jié)72-74
  • 第5章 等離子體助燃甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用研究74-96
  • 5.1 模擬仿真平臺(tái)的搭建及模型驗(yàn)證74-78
  • 5.1.1 缸內(nèi)直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)模型建立74-76
  • 5.1.2 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)模型網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定76-77
  • 5.1.3 燃燒機(jī)理耦合77
  • 5.1.4 模型有效性驗(yàn)證77-78
  • 5.1.5 研究目的和方法78
  • 5.2 穩(wěn)態(tài)工況等離子體助燃甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性分析78-86
  • 5.3 冷啟動(dòng)工況等離子體助燃甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性分析86-94
  • 5.4 本章小結(jié)94-96
  • 第6章 全文總結(jié)及工作展望96-100
  • 6.1 全文總結(jié)96-97
  • 6.2 工作展望97-100
  • 參考文獻(xiàn)100-108
  • 作者簡(jiǎn)介108-110
  • 致謝110

【相似文獻(xiàn)】

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本文編號(hào):1101236

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