正庚烷二阶段着火的模拟研究开题报告
2020-04-13 15:54:34
1. 研究目的与意义（文献综述）
1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）1.1研究背景20世纪以来，化石燃料的使用对全球生态环境造成了严重的破坏，其中石油作为消耗量最大的化石燃料，其燃烧之后会产生大量的硫氧化物、氮氧化物、粉尘及其他有害物质（如造成全球变暖的元凶—CO2）。随着人们对生态环境的日益重视，各国针对化石燃料的排放物提出了严格的要求，而要满足排放要求，就必须对燃料进行脱硫等相应处理，这会直接增加燃料成本[1-2]。另一方面，由于人类的不断开采，全球现有石油储备量严重不足，使得石油燃料的成本急剧上升。所以，提高化石燃料（如柴油等）燃烧效率、减少排放物的相关研究，受到了国际社会的广泛关注。 作为一种传统的发动机，柴油发动机转速较低，零件磨损较慢，使用寿命长，较为经济耐用；柴油发动机没有点火系统，辅助电器较少，其故障率也相对较低；另外它拥有低转速、大扭矩的特性。所以柴油发动机作为一种主要的动力装置被广泛的应用在船舶、重型机械等设备上。 但是，柴油发动机也有其明显的缺陷。由于柴油中含有大量的硫、粉尘等有害物质，其燃烧排放物对生态环境危害较大，因而针对柴油发动机的排放标准也越来越严格，这使得柴油发动机不得不在其原有的技术上进行改进。柴油发动机的效率只有25%-40%，大型船用低速柴油机的效率最高也只能达到50%左右。因此，柴油发动机虽然得到了广泛应用，但在燃烧方式上还存在很大的改进空间。目前，针对柴油发动机燃烧特性、缸内燃烧规律和工作过程的认识还不够充分，为进一步提高柴油机效率并降低其污染物排放，对柴油的燃烧过程进行深入研究是非常有必要的。 在实际条件下，柴油发动机的试验成本较高，可以采用模拟研究的方法替代发动机试验，通过筛选合适的试验机理作为研究模型可以有效得到发动机在实际工况下的相关参数。柴油是一种包含200多种组分的混合物[3]，燃烧反应极其复杂，直接建立柴油化学动力学模型工作量巨大，因此，需要寻找合适的柴油替代燃料进行研究。正庚烷作为一种经典的高碳烷烃，由于其十六烷值与柴油十分接近，基础燃烧特性与柴油相似，是最为常用的柴油替代燃料之一。正庚烷在着火过程中表现的二阶段着火及负温度系数现象与发动机的敲缸、爆震等现象存在着本质联系。同时，燃料的着火特性也是验证其化学动力学机理的重要参数之一。因此，正庚烷的二阶段着火对其化学动力学机理的验证和发动机燃烧控制策略的发展起着十分重要的影响，有必要对该现象进行研究。本课题将对正庚烷二阶段着火特性进行模拟研究，旨在为柴油发动机工作性能的提高和排放指标的优化提供理论指导。 1.2国内外的研究现状正庚烷的十六烷值与柴油接近，两者燃烧特性相似，是最为常用的柴油替代燃料。因此，柴油的基础燃烧特性得到了国内外学者的广泛研究，其化学动力学机理也得到了较为充分的发展。 早在1995年，Minetti[4]等人就已经对正庚烷第一阶段着火和冷却火焰进行了具体的研究，他们利用快速压缩机进行了一系列正庚烷试验，发现第一阶段着火过程中释放的热量随温度下降急剧下降，并且着火延时与压缩速率无关，这表明在压缩过程中没有明显的反应发生。1997年，Fieweger[5]等人通过激波管在压力为40bar、当量比为1.0条件下，研究了正庚烷和标准异辛烷混合物的着火特性，采用CH代替压力信号来判断第一阶段着火。研究结果表明，混合物第一阶段着火延时在以上两种纯燃料的第一阶段着火延时之间。2005年，Herzler[6]等人通过激波管研究了压力高达50bar、当量比为0.1~0.4、低中温条件下正庚烷与空气混合物的着火特性。在温度范围720-850K内观察到二阶段着火现象，随着温度的上升第一阶段着火延时从2ms减小到0.1ms，且此现象与正庚烷和空气的混合比例没有关系。同年，Gauthier[7]等人在研究低当量比（0.1~0.4）下正庚烷-空气混合物的着火特性时，发现存在着火延时现象，并指出其着火延时与当量比无关，仅与温度有关，这项研究也推动了关于消除着火延时研究的开展。2006年，Vanhove[8]等人利用快速压缩机研究了5种二元烃类混合物低温自着火特性，并发现在研究的所有混合物中，第一阶段着火延时会随着温度的升高而降低。2007年，D.F.Davidson[9]等人在开展了异辛烷和正庚烷着火延迟时间和OH浓度随时间变化的研究，其实验温度为1100~1560K，压力为16~20bar，初始燃料浓度为100~500ppm，然后利用实验结果对其化学动力学机理进行了验证和进一步的优化。在此之后，又有许多通过OH验证和优化正庚烷着火反应动力学机理的研究[10-11]。2012年，Kuwahara[12]等人研究了燃料、氧气和氮气浓度对第一阶段着火延时的影响，使用KUCRS(基于复杂反应系统的数据库)生成了一种详细的正庚烷反应原理。在当量比为0.5，压力为1bar，温度为759K的条件下，第一阶段着火延时在很大程度上更依赖于氧气的浓度，而对燃料和氮气的浓度变化不敏感。2015年，Campbell[13]等人对正庚烷的氧化过程做了进一步的研究，他们采用不同的实验系统对正庚烷的氧化动力学在发动机爆震和自燃中的情况与柴油进行了比较。他们采用激波管，在静止条件下，通过喷射、混合、快速压缩，模拟发动机的真实运行状态观察正庚烷着火的整个动态行为。该研究清楚地观察到正庚烷的自燃、火焰及负温度系数等特性。在2016年，Zhang等人[14]提出了新的正庚烷化学动力学模型，并利用已发布的着火延时试验数据对其进行了验证和优化，同时与其他机理进行横向对比，其结果显示该新机理具有更好的预测效果，该模型的建立使得人们对高烷烃化学动力学机理产生了规律性的认识，大大推动了高分子燃料的化学动力学发展。 综上所述，国内外对正庚烷的着火特性已经进行了大量研究，研究发展的多种化学动力学模型（如Curran机理[15]）也能较好的预测其着火延迟时间，但关于正庚烷二阶段着火的研究还不够充分。本课题将进一步开展正庚烷二阶段着火的模拟研究，并对正庚烷的二阶段着火特性进行分析，为正庚烷低温氧化机理的发展和优化提供指导。
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2. 研究的基本内容与方案
2、基本内容和技术方案2.1基本内容1. 掌握CHMEKIN化学动力学软件的建模、计算及数据处理方法。学习化学动力学机理构建及优化的有关知识，掌握化学动力学机理的简化方法，及相关的化学动力学分析方法（如敏感性分析、反应路径分析等）。 2. 调研收集正庚烷的氧化反应机理，并利用CHMEKIN化学动力学软件建立正庚烷燃料模型；用收集的着火延时试验数据完成模型的验证工作；利用筛选得到的机理，建立正庚烷着火模型，研究初始条件（温度、压力、当量比）变化对正庚烷二阶段着火特性的影响规律。 3. 开展正庚烷二阶段着火过程中的反应物及自由基浓度分析，研究其着火过程中重要组分浓度的变化过程；进行敏感性分析，研究重要基元反应对其着火特性的影响；进行反应路径分析，研究正庚烷在其两个着火阶段中的差异。 2.2技术方案拟采用的技术方案： |
3. 研究计划与安排
| 第1周（2月26日~3月4日）：查阅文献，完成文献综述和开题报告，上交翻译材料； 第2周（3月5日~3月11日）：制作PPT，进行开题报告汇报； 第3-6周（3月12日~4月8日）：收取周记，并进行中期检查； 第7-10周（4月9日~5月6日）：完成毕业设计内容； 第11周（5月7日~5月13日）：并完成大论文初稿，撰写小论文，进行预答辩； 第12周（5月14日~5月20日）：完成大论文终稿，提交小论文，以及进行学校答辩并收取周记批阅。 |
4. 参考文献（12篇以上）
| [1] 张新春. 浅议船舶柴油机废气排放污染的控制策略[J]. 科技向导, 2014, 12: 191. [2] 王兆省. 周广丰. 船舶柴油机NOx排放控制探析[J]. 科技创新, 2015, 36: 49#8722;50. [3] William J Pitz, Charles J Mueller. Recent progress in thedevelopment of diesel surrogate fuels[J]. Progress in Energy and CombustionScience, 2011, 37(3): 330-350. [4] R. Minetti, M. Carlier, M. Ribaucour, E. Therssen, L. R.Sochet, A rapid compression machine investigation of oxidation andauto-ignition of n-heptane-measurements and modeling[J]. Combustion and Flame, 1995, 102: 298-309. [5] K. Fieweger, R. Blumenthal, G. Adomeit, Self-ignition of SIengine model fuels: a shock tube investigation at high pressure[J]. Combustion and Flame, 1997, 109: 599-619. [6] J. Herzler, L. Jerig, P. Roth, Shock tube study of theignition of lean n-heptane/air mixtures at intermediate temperatures and highpressures[J]. Proceedings ofthe Combustion Institute, 2005, 30: 1147-1153. [7] B.M. Gauthier, D.F. Davidson, R.K. Hanson, Shock tubedetermination of ignition delay times in full-blend and surrogate fuelmixtures[J]. Combustion andFlame, 2004, 139: 300-311. [8] G. Vanhove, G. Petit, R. Minetti, Experimental study of thekinetic interactions in the low-temperature autoignition of hydrocarbonbinary mixtures and a surrogate fuel[J]. Combustionand Flame , 2006, 145: 521-532. [9] D.F.Davidson, M.A. Oehlschlaeger, R.K.Hanson．Methyl concentration time-historiesduring iso-octane and n-heptane oxidation and pyrolysi[J].Proceedings of the Combustion Institute, 2007, 31: 321–328. [10] 谢伟, 李萍, 张昌华, 等人. 利用OH自由基特征发射谱测量正庚烷的点火延迟时间[J]. 光谱学与光谱分析,2011, 31(2): 488-491. [11] Subith S. Vasu, David F. Davidson, RonaldK. Hanson. OH time-histories during oxidation of n-heptane and methylcyclohexaneat high pressures and temperatures[J]. Combustion and Flame, 2009, 156: 736#8722;749. [12] K. Kuwahara, Y. Hiramura, S. Ohmura, M. Furutani, Y. Sakai, H.Ando, Chemical kinetics study on effect of pressure and fuel, O2 and N2 molarconcentrations on hydrocarbon ignition process[J]. SAETechnical Paper, 2012, 1: 520-532. [13] M. F. Campbell, S. Wang, C. S. Goldenstein, R. M. Spearrin, A.M. Tulgestke, L. T. Zaczek, D. F. Davidson, R. K. Hanson, Constrainedreaction volume shock tube study of n-heptane oxidation: Ignition delay timesand time-histories of multiple species and temperature[J]. Proceedings of the CombustionInstitute, 2015, 35: 231-239. [14] Kuiwen Zhang a, Colin Banyon a, John Bugler a, An updatedexperimental and kinetic modeling study of n-heptane oxidation[J]. Combustionand Flame, 2016, 172: 116-135. [15] Bourque G, Healy D, Curran H J, et al. Ignition and flamespeed kinetics of two natural gas blends with high levels of heavierhydrocarbons[J]. Proc ASME Turbo Expo, 2008, 3(1): 1051-1066. |
