本文關(guān)鍵詞：頁巖氣預混火焰及發(fā)動機燃燒過程穩(wěn)定性研究

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【摘要】：頁巖氣是一種存在于致密細碎屑巖中的非常規(guī)天然氣,主要成分為CH4,是具有潛力的發(fā)動機替代燃料。我國頁巖氣資源賦存豐富,不同地區(qū)頁巖氣組分存在差異,影響預混燃燒速度,導致發(fā)動機燃燒循環(huán)變動不同,有必要圍繞頁巖氣組分對預混火焰及發(fā)動機燃燒過程穩(wěn)定性的影響開展研究。全文共分7章,主要圍繞頁巖氣的預混火焰,頁巖氣發(fā)動機燃燒過程與循環(huán)變動的變化規(guī)律,以及發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的改善措施等三個方面開展了研究。采用定容燃燒彈試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,探討了頁巖氣預混火焰?zhèn)鞑ミ^程的變化規(guī)律。根據(jù)頁巖氣發(fā)動機臺架試驗的結(jié)果,分析了組分對發(fā)動機燃燒過程的影響,研究了燃燒特征參數(shù)的循環(huán)變動規(guī)律,探討了循環(huán)變動的非線性動力學特征。提出雙火花塞點火和頁巖氣摻混HHO兩種措施改善發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性,通過試驗研究的方法,分析了改善措施對頁巖氣發(fā)動機循環(huán)變動的影響,采用數(shù)值模擬的方法,探討了缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^程的變化規(guī)律。初始條件和惰性氣體含量對頁巖氣預混火焰的傳播過程存在影響。采用定容燃燒彈試驗系統(tǒng),針對頁巖氣組分進行了配比,研究了頁巖氣預混火焰的傳播速度,分析了火焰前鋒面的穩(wěn)定性,探討了預混燃燒速度與火焰穩(wěn)定性的關(guān)系;通過數(shù)值模擬的方法,分析了預混燃燒過程中物質(zhì)濃度的變化規(guī)律,結(jié)合生成速率和敏感性分析的研究,探討了頁巖氣中CH4的消耗過程,研究了絕熱火焰溫度對化學反應速率的影響。研究表明,初始溫度對化學反應速率的影響較小,H+OH基摩爾分數(shù)峰值增大,是造成預混燃燒速度變快的主要原因;當初始壓力提高時,化學反應速率明顯提高,導致H、O和OH基的濃度減小,火焰的傳播速度變慢,火焰前鋒面的穩(wěn)定性下降;當量比為1.0時,預混火焰的傳播速度最快,稀薄混合氣對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种谱饔脧娪跐饣旌蠚?隨著當量比增加,火焰前鋒面逐漸穩(wěn)定;R1反應對CH4消耗速率的影響最大,CH3基是評價CH4消耗速率的重要自由基,隨著CH4含量的增大,CH3基濃度降低,CH4的消耗速率下降,導致火焰的傳播速度減小;惰性氣體抑制絕熱火焰溫度,化學反應速率減小,火焰的傳播速度降低,火焰前鋒面的穩(wěn)定性下降,CO2對預混燃燒速度的抑制作用明顯強于N2。采用進氣道預混的方式,將單缸試驗汽油機改造為頁巖氣發(fā)動機,通過發(fā)動機臺架試驗,配比了不同組分的頁巖氣,研究了不同氣體組分對缸內(nèi)壓力及放熱過程的影響,分析了缸內(nèi)壓力的循環(huán)變動規(guī)律,探討了最大爆發(fā)壓力對應的曲軸轉(zhuǎn)角與最大爆發(fā)壓力和平均指示壓力的關(guān)系,通過各曲軸轉(zhuǎn)角處壓力的波動,研究了發(fā)動機不同工作階段對循環(huán)變動的影響。研究表明,當CH4含量增加時,最大爆發(fā)壓力下降,對應的曲軸轉(zhuǎn)角遠離上止點,放熱過程變慢,最大爆發(fā)壓力及對應曲軸轉(zhuǎn)角的循環(huán)變動增大;N2和CO2等惰性氣體抑制了缸內(nèi)的燃燒速度,發(fā)動機的動力性下降,隨著頁巖氣中惰性氣體含量的增加,燃燒循環(huán)變動增大,各循環(huán)最大爆發(fā)壓力及對應曲軸轉(zhuǎn)角分布的相關(guān)性減小,部分燃燒循環(huán)和失火循環(huán)增多,發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性下降;燃燒階段的缸內(nèi)壓力變動是頁巖氣發(fā)動機產(chǎn)生循環(huán)變動的主要原因。采用非線性動力學的方法,研究了頁巖氣發(fā)動機循環(huán)變動的動力學特征。根據(jù)相空間重構(gòu)理論,分析了相空間軌跡的運動規(guī)律,探討了循環(huán)變動對相空間軌跡的影響;采用龐加萊映射的方法,降低了相空間的維數(shù),研究了相空間軌跡與龐加萊截面交點的分布規(guī)律;通過燃燒特征參數(shù)的返回映射,分析了燃燒過程確定性的變化規(guī)律;探討了氣體組分對關(guān)聯(lián)維數(shù)和最大Lyapunov指數(shù)等混沌特征參數(shù)的影響。研究表明,頁巖氣發(fā)動機燃燒過程中,缸內(nèi)壓力在整個相空間呈現(xiàn)出類似準周期的狀態(tài),隨著頁巖氣中CH4、N2和CO2含量的增大,圓弧段軌跡逐漸分散,發(fā)動機燃燒過程的隨機性增強;相空間軌跡在∑XY+截面的龐加萊映射點呈單調(diào)遞增分布,當惰性氣體含量增加時,散點的線性關(guān)系逐漸增強,軌跡與∑XY-和∑XZ-截面的交點呈單調(diào)遞減分布;燃燒特征參數(shù)的返回映射點呈團狀分布,當N2和CO2含量增大時,部分散點分布在映射點密集區(qū)域的左側(cè)和下側(cè),為部分燃燒循環(huán)或失火循環(huán);頁巖氣發(fā)動機燃燒過程表現(xiàn)出一定的混沌特征,隨著燃燒循環(huán)變動的增加,關(guān)聯(lián)維數(shù)和最大Lyapunov指數(shù)增大,混沌特征逐漸明顯。針對雙火花塞點火對頁巖氣發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的影響。通過試驗研究的方法,分析了點火位置和點火時刻對燃燒過程的影響,探討了發(fā)動機燃燒過程穩(wěn)定性隨點火提前角的變化規(guī)律,研究了同步雙點和異步雙點對燃燒過程與循環(huán)變動的影響,分析了燃燒循環(huán)變動的非線性動力學特征;采用數(shù)值模擬的方法,探討了當點火提前角和點火數(shù)量發(fā)生變化時缸內(nèi)火焰的傳播過程。研究表明,點火位置與燃燒室中心距離縮短時,火焰發(fā)展期的變化較小,快速燃燒期縮短,燃燒速度增大,最大爆發(fā)壓力上升,對應的曲軸轉(zhuǎn)角提前;隨著點火提前角的減小,部分頁巖氣推遲到膨脹做功階段燃燒,缸內(nèi)的湍動能減小,火焰的傳播速度降低,最大爆發(fā)壓力和放熱率峰值下降,預混時間延長導致火焰發(fā)展期縮短,燃燒循環(huán)變動增大,部分燃燒和失火循環(huán)增多,相空間軌跡逐漸分散,發(fā)動機工作穩(wěn)定性下降;頁巖氣發(fā)動機采用雙火花塞點火時,缸內(nèi)的湍動能增大,火焰的傳播距離縮小,火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婷婷芏忍岣?導致火焰發(fā)展期和快速燃燒期縮短,缸內(nèi)的燃燒溫度升高,同步雙點對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇龠M作用強于異步雙點,燃燒循環(huán)變動較小,發(fā)動機燃燒過程的確定性較強,混沌特征減弱。圍繞布朗氣(HHO)對頁巖氣發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的影響,通過臺架試驗,研究了頁巖氣發(fā)動機摻混HHO的燃燒過程,分析了缸內(nèi)壓力的循環(huán)變動規(guī)律,探討了燃燒特征參數(shù)之間的相互關(guān)系,研究了循環(huán)變動動力學特征隨HHO含量的變化規(guī)律;通過數(shù)值模擬的方法,探討了缸內(nèi)溫度場的變化,研究了HHO含量對火焰面速度與火焰面密度的影響。研究表明,頁巖氣發(fā)動機摻混HHO后缸內(nèi)壓力升高,壓力升高率的分布范圍增大,放熱率峰值增加,火焰發(fā)展期和快速燃燒期縮短;隨著HHO含量的增加,燃燒循環(huán)變動減小,發(fā)動機燃燒過程的穩(wěn)定性提高,各循環(huán)最大爆發(fā)壓力與對應曲軸轉(zhuǎn)角分布的相關(guān)性增強,部分燃燒等不正常燃燒現(xiàn)象得到改善,相空間軌跡分布逐漸密集,發(fā)動機燃燒過程的周期性提高,混沌特征減弱;隨曲軸轉(zhuǎn)角的增大,缸內(nèi)的最高燃燒溫度增大,火焰的傳播速度加快,火焰面密度的峰值提高,快速燃燒期中期,燃燒室底部火焰逐漸向左右兩側(cè)移動。
【關(guān)鍵詞】：頁巖氣 預混火焰 穩(wěn)定性 非線性動力學 雙火花塞 布朗氣
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK401
【目錄】：

• 摘要5-8
• abstract8-16
• 1 緒論16-33
• 1.1 選題背景及意義16-18
• 1.2 頁巖氣的組分18-19
• 1.3 預混火焰研究現(xiàn)狀19-26
• 1.3.1 火焰結(jié)構(gòu)20-21
• 1.3.2 預混燃燒速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣?/span>21-24
• 1.3.3 火焰穩(wěn)定性24-26
• 1.4 氣體發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀26-31
• 1.4.1 燃燒過程的研究26-27
• 1.4.2 循環(huán)變動的影響因素27-29
• 1.4.3 循環(huán)變動的動力學特征29-31
• 1.5 本文的主要研究工作31-33
• 2 頁巖氣的預混火焰研究33-67
• 2.1 預混火焰評價參數(shù)33-36
• 2.1.1 火焰結(jié)構(gòu)33-34
• 2.1.2 預混燃燒速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣?/span>34
• 2.1.3 燃燒速度的測量方法34-36
• 2.2 火焰的不穩(wěn)定性36-38
• 2.3 定容燃燒彈試驗系統(tǒng)與方案38-41
• 2.3.1 試驗設備38-39
• 2.3.2 氣體組分配比39-40
• 2.3.3 試驗方案40-41
• 2.4 火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響因素41-45
• 2.4.1 初始條件41-44
• 2.4.2 氣體組分44-45
• 2.5 火焰穩(wěn)定性分析45-53
• 2.5.1 拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?/span>45-49
• 2.5.2 無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?/span>49-50
• 2.5.3 預混燃燒速度50-52
• 2.5.4 馬克斯坦長度52-53
• 2.6 預混火焰結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬53-65
• 2.6.1 機理構(gòu)建與模擬方案54-55
• 2.6.2 初始條件變化55-60
• 2.6.3 氣體組分變化60-65
• 2.7 本章小結(jié)65-67
• 3 頁巖氣發(fā)動機燃燒過程研究67-91
• 3.1 循環(huán)變動的評價參數(shù)67-68
• 3.2 發(fā)動機改造與試驗方案68-71
• 3.2.1 發(fā)動機改造68-70
• 3.2.2 試驗方案與設備70-71
• 3.3 氣體組分對燃燒過程的影響71-78
• 3.3.1 CH_4含量71-73
• 3.3.2 N_2含量73-76
• 3.3.3 CO_2含量76-78
• 3.4 燃燒循環(huán)變動分析78-89
• 3.4.1 最大爆發(fā)壓力與對應曲軸轉(zhuǎn)角78-82
• 3.4.2 平均指示壓力82-87
• 3.4.3 曲軸轉(zhuǎn)角對應壓力87-89
• 3.5 本章小結(jié)89-91
• 4 循環(huán)變動的非線性動力學分析91-119
• 4.1 非線性動力學與混沌理論91-96
• 4.1.1 相空間重構(gòu)與非線性變換91-93
• 4.1.2 混沌分析法93-96
• 4.2 相空間分析96-103
• 4.2.1 相空間重構(gòu)96-98
• 4.2.2 XY平面投影98-100
• 4.2.3 YZ平面投影100-103
• 4.3 龐加萊映射103-108
• 4.3.1 ∑XY_+平面103-105
• 4.3.2 ∑XY_-平面105-107
• 4.3.3 ∑XZ_-平面107-108
• 4.4 返回映射108-115
• 4.4.1 最大爆發(fā)壓力108-110
• 4.4.2 最大爆發(fā)壓力對應曲軸轉(zhuǎn)角110-113
• 4.4.3 平均指示壓力113-115
• 4.5 燃燒過程的混沌特征量115-117
• 4.5.1 關(guān)聯(lián)維數(shù)115-116
• 4.5.2 最大Lyapunov指數(shù)116-117
• 4.6 本章小結(jié)117-119
• 5 雙火花塞頁巖氣發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性研究119-147
• 5.1 點火系統(tǒng)調(diào)整與試驗方案119-121
• 5.1.1 雙火花塞布置與控制119-120
• 5.1.2 試驗方案120-121
• 5.2 單火花塞點火的燃燒規(guī)律121-128
• 5.2.1 火花塞位置121-123
• 5.2.2 點火提前角123-125
• 5.2.3 穩(wěn)定性研究125-128
• 5.3 雙火花塞點火的燃燒規(guī)律128-137
• 5.3.1 燃燒過程的變化128-130
• 5.3.2 循環(huán)變動分析130-133
• 5.3.3 循環(huán)變動的動力學特征133-137
• 5.4 雙火花塞對火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響137-145
• 5.4.1 模型建立與網(wǎng)格劃分137-138
• 5.4.2 計算模型選擇138-139
• 5.4.3 模型的驗證139-140
• 5.4.4 點火時刻影響140-143
• 5.4.5 雙火花塞影響143-145
• 5.5 本章小結(jié)145-147
• 6 HHO對頁巖氣發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的影響147-163
• 6.1 HHO的組分及特性147-148
• 6.2 缸內(nèi)燃燒過程變化規(guī)律148-151
• 6.2.1 試驗設備與方案148-149
• 6.2.2 缸內(nèi)壓力149-150
• 6.2.3 燃燒放熱率150-151
• 6.3 發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性分析151-158
• 6.3.1 燃燒循環(huán)變動151-154
• 6.3.2 動力學特征分析154-158
• 6.4 火焰?zhèn)鞑ミ^程的數(shù)值模擬158-161
• 6.4.1 燃燒溫度158
• 6.4.2 火焰面速度158-160
• 6.4.3 火焰面密度160-161
• 6.5 本章小結(jié)161-163
• 7 全文工作總結(jié)與展望163-167
• 7.1 全文工作總結(jié)163-166
• 7.2 論文創(chuàng)新點166
• 7.3 未來工作展望166-167
• 參考文獻167-180
• 致謝180-181
• 攻讀博士期間發(fā)表的相關(guān)論文及參加科研項目181-182

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本文編號：1113552