多孔介质中汽油燃烧实验与数值模拟

摘要

液体燃料的利用与日常生活密切相关，传统燃烧形式通常存在污染物排放较高、燃烧效率相对较低等问题。汽油作为一种重要的液体燃料，如何提高汽油燃烧效率，有效控制污染物的排放，具有重要意义。多孔介质燃烧是一种新型高效的燃烧技术，具有可调节功率范围大、燃烧效率高、污染物排放低等众多优点。本文将多孔介质技术应用用于汽油的利用上，在一种自行设计的新型液体燃料多孔介质燃烧实验装置上，进行了汽油在多孔介质中的燃烧实验，并利用FLUENT软件对其燃烧特性进行数值模拟，具体包括以下研究内容：
　　多孔介质中汽油燃烧特性的实验研究。利用甲烷气体预热多孔介质燃烧室，分析了特定工况下汽油着火稳定性，结果表明：甲烷能够迅速着火，并开始燃烧，随着燃烧时间增加，甲烷燃烧火焰逐渐向上游传播，预热温度和污染物排放逐渐趋于稳定；汽油雾化液滴能够在预热多孔介质内实现迅速着火，各点温度迅速升高，并逐渐趋向于稳定，CO、CH等污染物排放在汽油启动时迅速升高，随后逐渐降低，并逐渐到达稳定状态，形成稳定燃烧。通过改变改变当量比的大小，探讨了汽油在多孔介质中的燃烧温度分布及污染物排放。结果表明：在一定范围内，当增大汽油流量时，燃烧的效果更好；随着当量比增大，燃烧室温度升高，火焰稳定位置越靠近多孔介质上游。CO的排放浓度随当量比的增大而减小，如果接近理论当量比时，CO排放浓度升高较大，此外，CO的生成还和温度分布有关。多孔介质中的NOx排放浓度随着当量比增大逐渐增大。
　　多孔介质中汽油燃烧的数值模拟。汽油在喷入多孔介质燃烧室以后能够迅速燃烧，燃烧室内的温度迅速升高，汽油燃烧的高温区明显向上游移动，燃烧很快达到最佳状态，并且增大汽油流量可以改善燃烧效果。随着当量比的增大，燃烧室温度明显升高，高温区的面积显著增大，燃烧火焰能够达到多孔介质上游底层，且温度分布更加均匀，并且汽油颗粒的速度场分布与温度分布联系紧密。CO2和H2O的分布主要随化学反应产生，其分布均与温度高低成正相关，随着燃烧火焰向上游移动并且高温区的面积增大，CO的排放降低，NO主要分布于温度较低区域而NO2产生于高温区。随着当量比的增大，反应区下游的汽油颗粒逐步减少，反应区上游的O2分布增多，说明燃烧是向着多孔介质上游区域进行的。
　　实验结果与数值模拟结果的对比。利用辛烷代替汽油，代入Fluent进行数值模拟，并与实验数据进行对比。发现实验与数值模拟中燃烧区上游温度较高且分布均匀，最佳燃烧区燃烧效果良好，实验与相应数值模拟的温度分布基本符合。同样地，实验测得的CO和NOx数据与数值模拟燃烧器出口处的CO和NOx数据结果一致。

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1 绪论

1.1 背景介绍

1.2研究现状及进展

1.3 研究课题介绍：

1.4 本章小结

2 新型液体燃料多孔介质燃烧装置系统

2.1实验系统

2.2 实验准备

2.3 主要实验步骤

2.4 实验方法

2.5 本章小结

3 汽油在多孔介质中的燃烧特性研究

3.1 着火启动特性

3.2 系统温度分布特性研究

3.3 系统污染物排放特性研究

3.4 燃烧室冷却过程

3.5 本章小结

4 汽油在多孔介质燃烧器内的燃烧模型方程

4.1 物理模型

4. 2基本假设与模型方程

4.3 标准 κ -ε模型

4.4 湍流扩散燃烧模型

4.5 液滴蒸发模型

4.6 边界条件

4.7 求解方法

4.8 本章小结

5 汽油在多孔介质中燃烧数值模拟与实验验证

5.1 汽油在多孔介质中燃烧温度分布特性及其与实验的对比

5.2 汽油在多孔介质中燃烧污染物排放特性

5.3汽油在多孔介质中燃烧的主要产物分布

5.4 污染物排放与实验结果的对比

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录