本文關(guān)鍵詞：基于非平衡等離子體的甲醇燃料燃燒過程模擬研究

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【摘要】：甲醇是煤基燃料,可以通過煤化工方式進行生產(chǎn),這對于富煤貧油少氣的中國來說,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全國范圍內(nèi)大面積推廣應(yīng)用的汽車代用燃料之一。針對甲醇燃料發(fā)動機冷啟動困難和非常規(guī)排放物高的問題,利用非平衡等離子體點火和助燃技術(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程,通過研究甲醇空氣等離子體放電過程機理、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程中影響活性粒子產(chǎn)生效率的主要因素;借助化學(xué)動力學(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行等離子體助燃甲醇燃料著火燃燒的模擬計算,通過耦合等離子體放電計算結(jié)果,對等離子體放電產(chǎn)生的活性粒子在燃燒過程中的助燃機理及助燃效果進行分析和研究;針對非平衡等離子體助燃在甲醇發(fā)動機中的應(yīng)用,利用AVL FIRE軟件通過建立甲醇發(fā)動機模型仿真在進氣歧管處電離空氣產(chǎn)生的主要活性物質(zhì)臭氧對甲醇發(fā)動機的助燃作用,分析不同比例臭氧的添加對甲醇發(fā)動機穩(wěn)態(tài)和冷啟動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程中的反應(yīng)動力學(xué)機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強、電離度和氣體組分濃度的影響,其中,約化場強、電離度的提高使電場內(nèi)高能電子比例上升,氣體組分濃度對電子能量分布的影響可以忽略不計;等離子放電過程中自由基的產(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,約化場強由70Td上升至220Td過程中,3~10e V的電子比例迅速升高,因此此時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;在約化場強為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)到最高時對應(yīng)的時間提前;由于活性粒子的加入甲醇燃料著火延遲時間縮短,反應(yīng)物向產(chǎn)物的轉(zhuǎn)變過程也因此提前,主要中間產(chǎn)物濃度達(dá)到峰值時間減小。3.在進氣歧管處電離空氣產(chǎn)生的主要活性物質(zhì)臭氧對優(yōu)化甲醇發(fā)動機冷啟動和燃燒排放特性有一定的促進作用:穩(wěn)態(tài)工況下,活性物質(zhì)臭氧可以使甲醇發(fā)動機燃燒質(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)動機燃燒排放特性得到了優(yōu)化;冷起動工況下,在未添加臭氧前發(fā)動機燃燒質(zhì)量差,非常規(guī)排放高;隨著添加臭氧比例的提高,發(fā)動機的燃燒排放質(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)動機冷啟動性能。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)動機過程中,活性物質(zhì)臭氧的添加可以有效的提高甲醇發(fā)動機燃燒質(zhì)量和降低排放物濃度,并且在解決甲醇發(fā)動機冷啟動問題方面效果顯著。
【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)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：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)用中存在的問題16-17
• 1.2.3 甲醇燃料發(fā)動機的研究進展17-19
• 1.3 非平衡等離子體點火和助燃技術(shù)的研究進展19-25
• 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀20-24
• 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀24-25
• 1.4 本文研究目的和意義25-26
• 1.5 本文主要研究內(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軟件簡介34-35
• 2.2.2 CHEMKIN軟件簡介35-36
• 2.2.3 AVL FIRE軟件簡介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 約化場強對電子能量分布的影響46-47
• 3.2.2 電離度對電子能量分布的影響47-49
• 3.2.3 氣體組分濃度對電子能量分布的影響49-50
• 3.3 放電過程中活性粒子演變過程分析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程的數(shù)值模擬58-74
• 4.1 燃燒化學(xué)動力學(xué)模型58-59
• 4.2 著火延遲期的變化特性分析59-63
• 4.2.1 活性粒子濃度對著火延遲期的影響59-60
• 4.2.2 初始溫度對著火延遲期的影響60-61
• 4.2.3 過量空氣系數(shù)對著火延遲期的影響61-62
• 4.2.4 活性粒子組分對著火延遲期的影響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 著火燃燒過程中反應(yīng)物及生成物的變化63-66
• 4.4.2 著火燃燒過程中主要中間產(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)動機的應(yīng)用研究74-96
• 5.1 模擬仿真平臺的搭建及模型驗證74-78
• 5.1.1 缸內(nèi)直噴甲醇發(fā)動機模型建立74-76
• 5.1.2 甲醇發(fā)動機模型網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定76-77
• 5.1.3 燃燒機理耦合77
• 5.1.4 模型有效性驗證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)動機的燃燒和排放特性分析78-86
• 5.3 冷啟動工況等離子體助燃甲醇發(fā)動機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
• 作者簡介108-110
• 致謝110

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本文編號：1101236