75％含水乙醇掺氢预混层流燃烧特性研究

摘要

乙醇是清洁可再生燃料的一种，受到广泛的关注。发动机燃用含水乙醇能够降低乙醇生产过程中的蒸馏能耗，同时减少发动机的NOx排放等。在含水乙醇中掺入一定体积比的氢气，可以改善含水乙醇的燃烧性能。
　　本文利用CHEMKIN气相化学动力学软件，使用详细的乙醇氧化机理，对75％含水乙醇掺氢混合物的预混层流燃烧特性进行了模拟计算研究。在研究中，当量比从0.6到1.6，初始压力为0.1–0.6MPa，初始温度为343K、383K和423K，掺氢量从0％到80％。论文主要分析了这些初始条件对75％含水乙醇燃料的层流燃烧速度的影响，并且也进行了层流燃烧速度对基元反应的敏感性分析；此外，分析研究了不同初始条件下模拟火焰的结构以及活性基的生成规律等。
　　本文的主要研究结果如下：
　　（1）75％含水乙醇掺氢混合物的层流燃烧速度随着当量比的增加先增加后减小，随着初始压力的增加而不断减小，随着掺氢量的增加逐渐增加。
　　（2）在75％含水乙醇掺氢燃料的氧化过程中，层流燃烧速度对与乙醇的有关的基元反应并不敏感，对与H、OH、O等有关的基元反应比较敏感；对层流燃烧速度影响最大的基元反应是H+O2<=>O+OH。随着初始压力和掺氢量的提高，主要基元反应的净反应速率峰值显著增大；初始温度对主要基元反应的净反应速率峰值影响不大。
　　（3）在模拟的一维平面火焰中，随着初始温度和压力的提高，H2O、CO2的最终摩尔分数以及火焰温度呈现出微弱上升的趋势，CO的最终摩尔分数微弱下降；随着掺氢量的增加，最终火焰温度基本不变，但是H2O的最终摩尔分数显著上升，CO2的最终摩尔分数不断下降。
　　（4）在75％含水乙醇掺氢燃料的氧化过程中，乙醇主要是通过脱氢反应而被消耗。主要活性基（H、OH、O）的生成量随当量比的增加先增加后降低，在当量比1.1附近取得最大值。随着初始压力的提高，主要活性基（H、OH、O）的生成量不断下降；但是，随着初始温度和掺氢量的增加，主要活性基的生成量逐渐上升。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的和意义

1.4 本文主要工作

1.4.1 本文主要工作

1.4.2 本文的章节安排

第2章 数值模拟方法与化学反应机理的选择

2.1 计算模型

2.1.1 一维平面火焰控制方程

2.1.2 绝热火焰温度模型

2.1.3 敏感性系数模型

2.2 化学动力学

2.2.1 总包反应和基元反应

2.2.2 反应级数和反应分子数

2.2.3 反应速率理论的基本概念

2.2.4 活化能

2.3 CHEMKIN软件简介

2.3.1 CHEMKIN模块介绍

2.3.2 CHEMKIN计算

2.4 乙醇化学反应机理

2.4.1 化学反应机理的发展

2.4.2 典型化学反应机理介绍

2.5 化学机理的选择

2.5.1 模拟结果与已公布实验结果的比较以及机理的选择

2.5.2 几种机理的反应路径分析

2.5.3 几种机理的敏感性分析

第3章 基于CHEMKIN软件的75%含水乙醇层流燃烧特性的数值模拟

3.1 层流燃烧速度分析

3.1.1 相关定义

3.1.2 层流燃烧速度计算结果与已公布的试验数据比较

3.1.3 不同压力条件下层流燃烧速度计算结果比较

3.1.3 不同温度条件下层流燃烧速度

3.1.4 掺氢量的影响

3.2 基元反应的敏感性分析

3.2.1 当量比对残留燃烧速度的敏感性的影响

3.2.2 初始压力对75%含水乙醇空气火焰基元反应的敏感性影响

3.2.3 初始温度对75%含水乙醇空气火焰基元反应敏感性的影响

3.2.4 掺氢量对75%含水乙醇空气火焰基元反应敏感性的影响

3.3 火焰结构分析

3.3.1 当量比对火焰结构的影响

3.3.2 初始压力对火焰结构的影响

3.3.3 初始温度对火焰结构的影响

3.3.4 氢气对火焰结构的影响

3.4 活性基生成规律分析

3.4.1 当量比对活性基生成的影响

3.4.2 初始压力对活性基生成的影响

3.4.3 初始温度对活性基生成的影响

3.4.4 掺氢量对活性基生成的影响

第4章 总结与展望

4.1 全文总结

4.2 展望

参考文献

致谢