非平衡等离子体对汽油和甲烷燃烧影响的数值模拟研究

摘要

随着经济发展带来的能源短缺和环境污染的问题,稀薄燃烧技术被提出。稀薄燃烧技术能够提高燃油的转化效率、节约能源;同时能够降低废气排放、减少大气污染。它的缺点在于,随着空燃比的增大,预混燃气越来越接近其可燃极限,这会导致预混燃气不能正常燃烧。为了保证稀燃条件下的可靠点火和正常燃烧,必须采取针对稀薄燃烧的特殊点火措施,强化燃烧,提高燃烧速度。目前,非平衡等离子体由于能够同时提高温度和增加活性基的浓度而被公认为是最有效的助燃方法。　　本文用模拟计算的方法研究了非平衡等离子体对汽油和甲烷燃烧的影响。由于气体放电过程在纳秒量级内完成,而气体燃烧过程在毫秒内完成,它们之间数量级相差较大,因此本文将放电过程和燃烧过程分别进行计算。运用耦合了组分浓度方程、能量传递方程和电子玻尔兹曼方程的程序包ZDPlasKin,通过导入空气以及空气/甲烷混合气碰撞、电离、复合等的机理,编写气体放电的Fortran计算程序,通过求解动力学模型得到特定约化场强、气体压力、温度以及当量比下各类粒子浓度随时间的变化。运用汽油和甲烷燃烧的多区模型,将气体放电产生的自由基作为燃烧计算的初始条件,分别探讨了放电过程产生的自由基对汽油和甲烷燃烧的影响,并从燃烧过程中主要粒子的反应速率和反应路径方面深入分析了等离子体助燃的本质原因。　　结果表明:在汽油燃烧过程中,放电产生的非平衡等离子体能够促进汽油的燃烧,使燃烧10％的燃料所用的时间缩短。随着当量比的增加,等离子体的助燃作用减弱,即在稀薄燃烧的情况下等离子体助燃效果更强。　　在甲烷/空气的燃烧过程中,放电产生的非平衡等离子体能够促进甲烷的燃烧,使燃烧10%的燃料所用时间缩短,开始燃烧的时刻提前,间接说明了非平衡等离子体能够促进甲烷的稀薄燃烧。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 传统火花塞点火过程

1.3 非平衡等离子体助燃介绍

1.4 本文研究内容

第二章 动力学模型介绍

2.1 放电过程动力学模型

2.2 燃烧过程动力学模型

第三章 放电条件对空气放电情况的影响

3.1 约化场强对粒子数浓度的影响

3.2 气体压力对粒子数浓度的影响

3.3 本章小结

第四章 非平衡等离子体促进汽油燃烧的模拟研究

4.1 引言

4.2 空气放电的动力学模型

4.3 放电过程的计算结果

4.4 燃烧过程的化学动力学模型

4.5 燃烧过程的计算结果及分析

4.6 本章小结

第五章 非平衡等离子体促进甲烷燃烧的模拟研究

5.1 引言

5.2 甲烷空气放电的动力学模型

5.3 放电过程的计算结果

5.4 燃烧过程的化学动力学模型

5.5 燃烧过程的计算结果及分析

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况