高温高压燃烧弹平台建设及其在若干运输燃料组分火焰传播中的应用

摘要

减少化石燃料燃烧产生的污染物并提高其燃烧能源利用效率，是当今燃烧学的主要研究目标。液体运输燃料如汽油、煤油、柴油和生物燃料等由于其高能量密度且易于存储输运，被广泛用于为各类动力装置。碳氢运输燃料通常由包括烷烃、环烷烃、芳香烃在内的上百种烃类组分组成，直接分析它们的燃烧过程尤其是燃烧反应过程难度极大。因此实验燃烧研究中通常选取这些燃料中的三到五种典型组分组成运输替代燃料来模拟其理化性质和燃烧特性，并开展各类燃烧研究，因此需要对液体运输燃料的典型替代组分的燃烧特性进行研究。
　　层流火焰传播速度是预混燃烧最重要的宏观参数之一，可以在较宽压力、温度和当量比范围内进行测量，在发动机设计、湍流燃烧等研究领域发挥着难以替代的作用，并被广泛地用作验证燃烧反应动力学模型。然而由于运输燃料典型组分通常都是100℃以上的高沸点燃料，因此目前对于运输燃料典型组分的层流火焰传播研究仍然偏重于常压工况，高压实验研究非常匮乏。本论文发展了一种新型电加热高温高压单腔体燃烧弹实验装置，在此装置上完成了运输燃料典型组分的宽压力层流火焰传播研究，以实验结果为基础对现有模型进行了验证和发展。本论文的工作分为以下四章:
　　第一章介绍了层流火焰传播速度的理论基础和实验测量方法，并总结了目前国内外层流火焰传播研究的现状和发展态势，指出了高沸点燃料高压火焰传播研究工作的重要意义;
　　第二章详细介绍了本论文发展的新型高温高压燃烧弹实验平台的设计目标和具体设计过程，包括实验平台的结构、进样、温控、点火和光路系统的设计细节。本实验平台可以开展高沸点燃料在压力高达20 atm下层流火焰传播测量，同时还发展了基于Matlab平台的实验数据自动处理程序。
　　第三章阐述了对此新型实验台的全面实验验证和系统的不确定度评定。以甲烷、乙醇燃料为基础，宽范围内的实验表明本实验台可以得到重复性好、精确度高的火焰传播数据。对实验中各种可能的不确定性来源进行了系统的评估，得到了初始温度、压力、当量比以及火焰传播速度的不确定度。
　　第四章以运输替代燃料典型替代组分为研究对象，系统地开展了烷烃、环烷烃、芳烃和生物燃料的层流火焰传播研究。研究工作在从常压到接近发动机内部实际工况的条件下进行，采用这些燃料的详细燃烧反应动力学模型进行了数值模拟。烷烃和环烷烃在火焰传播中最敏感的反应主要是小分子物种反应。然而对于芳烃燃料，苯环结构的存在使得许多中间体有较强的共轭稳定性，芳烃燃料的火焰传播会受到燃料分子结构的显著影响。生物燃料由于氧原子的存在，燃烧特性同传统的碳氢燃料具有一定区别，在火焰传播中展现出同烷烃燃料略微不同的敏感性。总的来说，火焰传播中极高的温度环境使得燃烧化学反应中小分子反应通常具有较高的敏感性，初始压力的升高会使的这些反应的速率和反应路径的分支比发生非常明显的变化，三体反应在高压工况下得到极大的增强，前人动力学模型预测宽压力工况火焰传播的能力需要进一步提高。最后，我们对本工作简单总结并展望了将来的可能研究。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 火焰传播研究现状

1．2．1 层流火焰传播速度

1．2．2 实验测量方法及原理

1．2．3 高压火焰传播

1．3 本论文研究工作的目标和内容

参考文献

第2章 高温高压燃烧弹实验平台的设计和搭建

2．1 引言

2．2 实验平台设计目标

2．3 实验平台各系统设计

2．3．1 机械结构

2．3．2 进样系统

2．3．3 温控系统

2．3．4 点火系统

2．3．5 光学系统

2．4 火焰数据处理

2．4．1 燃烧弹法测火焰传播理论基础

2．4．2 火焰图像处理

2．4．3 火焰传播速度分析

参考文献

第3章 实验平台可靠性检验和不确定度评定

3．1 引言

3．2 实验平台可靠性检验

3．2．1 甲烷层流火焰传播速度测量及验证

3．2．2 乙醇层流火焰传播速度测量及验证

3．3 全面不确定度评定

3．3．1 初始压力的不确定度

3．3．2 初始温度的不确定度

3．3．3 当量比的不确定度

3．3．4 层流火焰传播速度的不确定度

3．4 本章小结

参考文献

第4章 运输燃料典型组分层流火焰传播的实验和模型研究

4．1 引言

4．2 烷烃燃料火焰传播的实验和模型研究

4．2．1 直链烷烃燃料的火焰传播

4．2．2 环烷烃燃料的火焰传播

4．3 芳烃燃料火焰传播的实验和模型研究

4．3．1 苯的火焰传播

4．3．2 甲苯的火焰传播

4．4 醇类火焰传播的实验和模型研究

4．4．1 正丁醇的火焰传播

4．5 本章小结

参考文献

结论与展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果