摘 要

不同氢气掺混比例下乙醇/氢气混合物的着火特性研究采用激波管试验和Chemkin软件数值模拟相结合的方法探究了氢气掺混比例的变化对乙醇/氢气混合物着火特性的影响及其影响规律，同时研究了不同氢气掺混比例下乙醇/氢气混合物的敏感性与反应路径。研究结果表明:（1）在温度为1100K条件下，乙醇/氢气混合物着火延迟时间随着氢气掺混比例的上升呈先平稳后急剧减小的趋势;在温度为1700K条件下，氢含量低于90%时乙醇/氢气混合物的着火延迟时间随着氢气掺混比例的上升呈现单调递减的趋势，且乙醇/氢气混合物着火延迟时间的减小幅度随氢气掺混比例的增加逐渐减弱，当氢含量高于90%以后，随着氢气含量的增加，混合物的着火延迟时间略有上升。

（2）通过组分浓度曲线分析发现，温度为1100K时，着火前期，乙醇和氢气的含量没有明显变化，在着火点附近，与乙醇相比，氢气几乎瞬间消耗完毕。温度达到1700K时，乙醇和氢气的着火过程在十微秒内迅速完成。并且氢越少，乙醇消耗得越晚。

（3）通过敏感性分析发现，在本文所研究的工况下，基元反应O₂ H=O OH对混合物着火起最大促进作用，随温度变化对其着火起最大抑制作用的基元反应发生改变。

（4）通过反应路径分析发现，H₂O在氢气的反应过程中生成，且一部分氢气会由系统中的HO₂所生成。乙醇会在反应开始首先裂解为C₂H₅、SC₂H₄OH等碳氢化合物，再进一步发生氧化分解。温度为1100K条件下，氢气存在会使系统中H的含量上升，大大减小乙醇的着火延迟时间。在1700K时，氢的影响减弱。

关键词：激波管；着火延迟时间；乙醇/氢气混合物；化学动力学Abstract

Under different hydrogen blending ratio of ethanol/hydrogen mixture ignition characteristics of the study used software Chemkin shock tube test and numerical simulation method of combining the explore the changes of hydrogen blending ratio of ethanol/fire characteristics and its influence, the influence of hydrogen mixture also studied under different hydrogen blending ratio of ethanol/sensitivity and hydrogen mixture mainly oxidation reaction path. The result of research shows that:

1. At the temperature of 1100K, the ignition delay time of the ethanol/hydrogen mixture was stable at first and then sharply decreased with the increase of the mixing ratio of hydrogen. Under the condition of the temperature of 1700 k, hydrogen content lower than 90% when ethanol/hydrogen mixture ignition delay time with hydrogen blending ratio rise monotone decreasing trends, and ethanol/hydrogen mixture the decrease rate of the ignition delay time weakened gradually with the increase of the hydrogen mixing proportion, when hydrogen content higher than 90%, with the increase of hydrogen content, the ignition delay time of the mixture increased slightly.
2. According to the analysis of component concentration curve, at the temperature of 1100K, the content of ethanol and hydrogen did not change significantly in the early stage of ignition. In the vicinity of the ignition point, compared with ethanol, the hydrogen was consumed almost instantly. At 1700K, the ethanol and hydrogen ignited in ten microseconds. And the less hydrogen there is, the later the ethanol is consumed.
3. Through sensitivity analysis, it is found that under the conditions studied in this paper, the primitive reaction O₂ H=O OH has the maximum promoting effect on the ignition of the mixture, and the primitive reaction which has the maximum inhibiting effect on ignition with the change of temperature changes.
4. Through the reaction path analysis, it is found that H₂O is generated in the hydrogen reaction process, and part of the hydrogen will be generated by HO₂ in the system. At the beginning of the reaction, ethanol will be decomposed into hydrocarbons such as C₂H₅ and SC₂H₄OH, and then further oxidized and decomposed. At a temperature of 1100K, the presence of hydrogen will increase the content of H in the system, greatly reducing the ignition delay time of ethanol. At 1700K, the effect of hydrogen decreases.

Key Words: Shock tube; Ignition delay time; Ethanol/hydrogen mixture; Chemical kinetic

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 2

1.2.1 研究着火特性的试验装置 2

1.2.2 乙醇/氢气混合物着火特性研究现状 2

1.3 研究目标与研究内容和技术路线 4

1.3.1 研究目标 4

1.3.2 研究内容 4

1.3.3 技术方案 4

第2章 试验装置与数值模拟 6

2.1 加热型激波管试验装置 6

2.1.2 激波管原理 6

2.1.2 设备组成 7

2.2 数值模拟 8

2.2.1 Chemkin软件简介 8

2.3 本章小结 9

第3章 乙醇/氢气混合物着火特性研究 10

3.1 化学动力学机理选择 10

3.2 掺混比例对乙醇/氢气混合物着火延迟时间影响分析 14

3.2.1 掺混比例对乙醇/氢气混合物着火延迟时间影响 14

3.2.2 掺混比例对乙醇/氢气混合物着火延迟时间影响的敏感性分析 15

3.2.3 掺混比例对乙醇/氢气混合物着火延迟时间影响的组分浓度分析 18

3.2.4 掺混比例对乙醇/氢气混合物着火延迟时间影响的反应路径分析 21

3.3 本章小结 26

第4章 全文总结与工作展望 28

4.1 全文总结 28

4.2 工作展望 28

参考文献 30

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着环境问题的严重化和排放法规的严格化，清洁替代能源的开发在内燃机燃烧领域重要性逐年增加。石油、天然气等物质是化石业的主要能源，同时作为现代中国的交通运输业的主要能源和燃料，对于中国经济社会的健康持续发展和进步做出了巨大的贡献，但目前仍然存在两个主要方面的能源安全问题:一方面，中国石油和天然资源相对薄弱，是一个原油对外进口的大国，原油进口的依存度上升对于国家经济和能源安全的直接影响不容忽视^[1]。乙醇可以从作物、木材等可再生综合利用能源中获得。同时，乙醇清洁，辛烷值高，已广泛应用于汽车和内燃机中^[2-4]。燃料乙醇能源作为一种重要的可再生综合利用能源，制备乙醇燃料的原材料来源渠道非常广，且原材料大部分是可再生的。随着近年来纤维素的应用和乙醇(主要来源是秸秆，牧草，木材等农林废弃物)代用燃料制备工艺技术的不断进步，在内燃机上使用乙醇这种生物质能作为替代燃料使排放更清洁同时使内燃机更高效在国内成为了研究的重点。

氢气具有火焰燃烧速度快、淬息距离短、燃烧温度极限宽、燃烧产物清洁等多种燃烧特性^[5]，已被广泛地用作汽油内燃机替代柴油燃料或燃料的添加剂。研究结果表明汽油燃料中加入氢气可以有效改善柴油和内燃机的废气燃烧与二氧化碳排放的特性，减小废气循环的变动^[6]。因此研究表明乙醇/氢气混合物的着火燃烧特性对于内燃机的经济发展和对环境的保护都具有很大的作用。