基于化学反应动力学机理的液体燃料自燃着火特性研究

摘要

液体燃料的自着火特性是影响燃烧过程最重要的因素之一。随着计算机性能的提高，燃料化学反应动力学机理成为研究其着火特性的重要途径。本文利用解耦法构建不同燃料的骨架化学反应动力学机理，针对多种反应器、宽工况对燃料的着火特性进行了系统研究。
　　首先，根据解耦法构建了由正十六烷和异十六烷组成的首要参比燃料(PRF)的骨架机理，共包含46个组分和139个反应。利用该机理，研究了不同燃料在激波管中着火延迟与十六烷值之间的关联。通过耦合加权最小二乘法，利用燃料在激波管中的着火延迟数据可预测其十六烷值，并通过外延法延展至十六烷值超出15-100的燃料。该方法在实际柴油发动机运行条件，即当量比为1.0，压力从19至80atm的条件下预测精度较高，预测十六烷值的平均绝对偏差在3.327以内。同时，根据不同燃料的十六烷值，该机理可以很好地重现烷烃在激波管中着火延迟的变化，对于成分复杂的实用燃料也可以得到较为满意的预测结果。
　　其次，基于构建的正十二烷骨架机理，对定容弹中的着火延迟开展预测。在此基础上，提出了利用人工神经网络预测影响燃料着火延迟的单变量方差及全局方差，进而求解全局敏感性系数的方法，该方法极大地提高了全局敏感性分析的计算效率。基于该方法，研究了边界条件对定容弹中正十二烷着火延迟不确定性的影响，以及不同边界条件之间的相互作用规律。结果表明边界条件的变化规律决定了定容弹中着火延迟预测不确定性。物理参数如喷孔直径和燃料初始温度的全局敏感性系数受参数组合和工况的直接影响。在环境温度900 K条件下，燃料初始温度及环境温度对定容弹中预测着火延迟的不确定性影响明显，而喷孔直径则在与燃料初始温度同时变化时减少了定容弹中着火延迟的不确定性。
　　第三，采用优化的正庚烷骨架机理，对比分析了正庚烷在定容弹和激波管中的着火特性。通过分析定容弹中燃料的着火过程，确定影响着火时刻的关键反应条件。同时，通过分析定容弹和激波管中不同化学反应的敏感性系数，利用相似因子分析了正庚烷机理在两种反应器中影响着火延迟的相似环境条件。结果表明以燃料负温度系数区域为核心的温度范围决定了燃料在定容弹中的着火特性。通过进一步验证发现，该分析方法和相关结论对化学反应机理和边界条件的依赖性较小。
　　最后，利用由正庚烷和异辛烷组成的PRF机理，分析了在不同反应条件下，激波管中着火延迟与均质压燃(HCCI)发动机着火时刻的关联。利用化学反应敏感性系数的相似性分析方法，对影响相似因子的边界条件逐一分析，得出温度影响大于当量比和压力影响的结论。并通过分析发现相似度最高的反应条件为燃料负温度系数区域，发现在此条件下PRF机理对激波管着火延迟的预测与HCCI发动机中着火时刻的预测变化趋势基本一致。
　　总之，本文通过对燃料着火特性的重要评价指标——十六烷值，定容弹中喷雾的着火延迟受边界条件的影响规律，以及着火特性在不同反应器（包括激波管、定容弹和HCCI发动机）之间的共性条件，进行了系统地分析和讨论。进而揭示了燃料着火特性与相关评价指标和运行工况的联系，以及不同反应器中燃料着火特性受化学反应动力学机理的影响规律。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 燃料着火特性的研究现状

1．2．1 燃料着火特性的影响因素

1．2．2 燃料着火特性的实验研究

1．2．3 燃料着火延迟的定义

1．2．4 燃料着火特性的数值模拟

1．3 化学反应动力学机理的研究现状

1．3．1 化学反应动力学简化机理的发展

1．3．2 化学反应动力学机理的验证及不确定性分析

1．3．3 解耦法简介

1．3．4 表征燃料的研究现状

1．4 燃料着火特性研究存在的问题

1．5 本文的研究内容

2 着火延迟与十六烷值的关系研究

2．1 正十六烷和异十六烷骨架机理的构建和验证

2．1．1 构建骨架机理

2．1．2 验证骨架机理

2．2 预测十六烷值

2．2．1 预测方法

2．2．2 十六烷值预测方法详述

2．2．3 预测方法的验证分析

2．2．4 预测方法的拓展

2．3 预测燃料着火特性

2．3．1 单一燃料

2．3．2 混合燃料

2．3．3 实用燃料

2．4 本章小结

3 物理参数影响定容弹中着火延迟不确定性的研究

3．1 模型描述

3．1．1 控制方程

3．1．2 湍流模型

3．1．3 喷雾模型

3．1．4 计算网格

3．2 正十二烷机理构建及验证

3．2．1 正十二烷机理构建

3．2．2 激波管及定容弹中着火延迟验证

3．3 神经网络的选择和训练

3．3．1 隐层节点数

3．3．2 数据分配比例

3．3．3 归一化

3．3．4 样本量

3．4 参数不确定性影响分析

3．4．1 单参数分析

3．4．2 双参数分析

3．4．3 三参数分析

3．4．4 四参数分析

3．4．5 五参数分析

3．5 本章小结

4 化学反应机理预测着火特性在激波管和定容弹中的共性研究

4．1 化学反应动力学机理优化及验证

4．1．1 化学反应动力学机理优化

4．1．2 基础反应器验证

4．1．3 定容弹着火延迟验证

4．2 定容弹中燃烧过程分析

4．2．1 温度及放热率分布

4．2．2 放热区域的工况分析

4．3 定容弹与激波管共性分析

4．3．1 着火延迟敏感性分析

4．3．2 定容弹和激波管敏感性系数的相似性分析

4．4 扩展验证

4．4．1 化学反应机理验证

4．4．2 喷油压力验证

4．4．3 喷孔直径验证

4．5 本章小结

5 均质压燃发动机着火时刻的机理分析

5．1 HCCI发动机验证

5．2 HCCI发动机与激波管共性分析

5．2．1 敏感性分析

5．2．2 相似性分析

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点汇总

6．3 工作展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介