射流引燃实现甲烷—空气混合气快速燃烧的基础研究

【摘要】：天然气发动机虽然应用较广,但也存在热效率不高、循环变动较大的问题。稀薄燃烧方式通过提高压缩比可以解决以上问题,但其燃烧速率较低。本文针对天然气燃烧速率慢的问题,以稀薄燃烧为研究条件,以实现甲烷-空气快速燃烧为研究目的,利用实验与仿真两种手段进行了以下研究： 在定容燃烧弹中添加带孔横隔板实现对主燃烧室混合气的射流引燃,将其压力峰值、压力峰值出现时刻、dp曲线变化及火焰传播纹影照片与无隔板情况进行对比分析,讨论了孔径、初始压力、当量比对射流引燃燃烧特性的影响,根据不同的初始条件对射流引燃燃烧特性进行机制划分,定义表征参数使该机制划分具有普适性,计算分析射流速率与主燃烧室内火焰传播速率的影响关系。实验结果表明,在定容燃烧弹中添加带孔横隔板制造射流,可以加强主燃烧室中气流运动、影响组分浓度、实现高能点火,从而实现主燃烧室中混合气的快速燃烧。 利用敏感性分析及准稳态假设(QSSA)对甲烷-空气的化学反应动力学模型进行简化,对比分析最终简化模型的精确性,分析该简化机理的链传播方式以及较关键的反应。结果表明：最终简化机理在稀燃时精度较好,可应用到仿真计算中。 建立仿真计算所需要的数学物理模型,将仿真结果与实验结果进行对比分析以确定仿真模型的准确性。讨论了点火能量及时间步长对火焰传播初期的影响规律,分析了射流引燃燃烧过程中主要组分的浓度变化,探讨了H﹑O﹑OH自由基的浓度对主燃烧室燃烧时刻的影响。结果表明,主燃烧室的燃烧是由于H﹑O﹑OH自由基的浓度足够高即活化中心浓度足够高时所引起,其快速燃烧则是由于H、O、OH自由基较快达到了燃烧所需要的浓度。 【关键词】：天然气(甲烷) 快速燃烧 射流引燃 燃烧机制 组分浓度
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK464
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-23
• 1.1 课题研究背景11-12
• 1.2 国内外研究现状12-20
• 1.2.1 天然气快速燃烧的研究现状12-17
• 1.2.2 甲烷-空气化学反应动力学模型的研究现状17-20
• 1.3 课题研究的意义及内容20-23
• 1.3.1 课题研究的意义20-21
• 1.3.2 课题研究的内容21-23
• 2 气体燃料射流引燃定容燃烧实验系统23-33
• 2.1 射流引燃定容燃烧系统组成23-28
• 2.1.1 燃烧弹弹体23-24
• 2.1.2 混合气配气系统24-26
• 2.1.3 点火控制系统26
• 2.1.4 温度控制系统26
• 2.1.5 压力采集系统26-27
• 2.1.6 同步控制系统27
• 2.1.7 火焰图片采集系统27-28
• 2.2 燃烧压力滤波处理方法28-30
• 2.2.1 压力信号滤波流程28-30
• 2.2.2 压力信号滤波处理效果30
• 2.3 实验方案30-31
• 2.4 本章小结31-33
• 3 射流引燃实现甲烷-空气快速燃烧的实验研究33-55
• 3.1 孔径对甲烷-空气射流引燃燃烧过程的影响研究34-38
• 3.2 初始气体参数对甲烷-空气射流引燃燃烧过程的影响研究38-45
• 3.2.1 初始压力对甲烷-空气射流引燃燃烧过程的影响研究38-42
• 3.2.2 当量比对甲烷-空气射流引燃燃烧过程的影响研究42-45
• 3.3 甲烷-空气混合气射流引燃燃烧特性的机制划分45-51
• 3.3.1 实验现象与分析45-49
• 3.3.2 不同初始条件下射流引燃燃烧特性的机制划分49-51
• 3.4 射流速率对火焰传播速率的影响规律分析51-53
• 3.5 本章小结53-55
• 4 甲烷-空气化学反应动力学简化模型的建立55-67
• 4.1 化学反应动力学模型简化的方法55-57
• 4.1.1 敏感度分析法56-57
• 4.1.2 准稳态假设法(QSSA)57
• 4.2 甲烷-空气不同简化模型计算结果及精度分析57-64
• 4.2.1 30-84 机理与详细模型计算结果的对比分析58-60
• 4.2.2 14-29 机理与详细模型计算结果的对比分析60-64
• 4.3 本章小结64-67
• 5 射流引燃实现甲烷-空气快速燃烧的数值模拟研究67-81
• 5.1 OpenFOAM简介67-68
• 5.2 射流引燃燃烧过程的数学物理模型68-73
• 5.2.1 控制方程68-69
• 5.2.2 几何模型建立及网格划分69-71
• 5.2.3 求解器选择及影响化学反应速率的参数设置71-73
• 5.3 燃烧过程计算结果与实验结果的对比分析73-75
• 5.3.1 火焰半径确定方法73-74
• 5.3.2 无隔板时燃烧过程的结果对比74-75
• 5.3.3 有隔板时燃烧过程的结果对比75
• 5.4 点火能量对火焰传播初期的影响规律分析75-77
• 5.5 不同燃烧机制下组分浓度的变化规律分析77-79
• 5.6 本章小结79-81
• 6 全文总结与展望81-83
• 6.1 全文总结81-82
• 6.2 工作展望82-83
• 参考文献83-87
• 附录A87-95
• 附录B95-99
• 附录C99-103
• 作者简历103-105
• 学位论文数据集105

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