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高浓度CO2氛围下柴油表征燃料着火和燃烧机理研究

批准号:
51976007
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
刘永峰
依托单位:
学科分类:
燃烧学
结题年份:
2023
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘永峰

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
研究发现液氧固碳闭式循环柴油机能够有效解决封闭空间CO2排放问题,但其在变工况时失火严重,亟需解决其着火和燃烧稳定性问题。申请项目拟通过平面激光诱导荧光测试技术和高速摄影/纹影法,利用得到的温度等信息,研究高浓度CO2氛围下两种柴油表征燃料(正庚烷,70%正庚烷+30%甲苯)的详细化学反应,结合热力学等规律,推导并解析着火延迟时间模型、连续流动体系下温度方程,获得温度失火边界;结合从头算过渡态理论的主方程方法,探索高温条件下CO2与表征燃料相互作用的新反应路径,获得高精度反应速率常数;结合稳定状态法,构建完整的CO2与表征燃料的反应机理;考虑柴油机缸内温度强瞬变特性的影响,采用概率密度函数方法,构建温度脉动作用的反应速率方程,提出模拟、封闭方法,并结合发动机台架实验,对模型进行检验、修改和优化,实现瞬变条件下准确预测高浓度CO2氛围下柴油表征燃料的着火、失火边界和燃烧。
英文摘要
The study found that the closed cycle diesel engine using liquid oxygen to solidify carbon can reduce the CO2 emission in the closed space effectively, but it has serious misfire problem in variable working conditions. It is necessary to solve the scientific problems of stability of ignition and combustion. The project is intended to use planar laser induced fluorescence testing and high-speed photography/schlieren method to study the effect of high concentration of CO2 on the detailed elemental reactions of two diesel surrogate fuels (n-heptane, 70% n-heptane + 30% toluene) with obtained temperature and other information. The ignition delay time model and temperature equations under the continuous flow system are analyzed to obtain the temperature misfire boundary using thermodynamics and other laws. Combining the master equation approach of beginning method and transition-state theory, the new reaction paths of CO2 and diesel surrogate fuels interaction under high temperature conditions are explored and high-precision reaction rate constants are obtained. Complete reaction mechanism of CO2 and surrogate fuels are constructed with steady state method. Considering the influence of temperature transient characteristics in diesel engine cylinders, it is proposed to use the probability density function method to construct the reaction rate equations for temperature pulse actions. The simulation and sealing methods are proposed, and the engine bench test is combined to test, modify and optimize the model to predict the ignition of diesel surrogate fuels, misfire boundary and combustion in high concentration of CO2 with transient conditions accurately.
液氧固碳闭式循环柴油机能够有效解决封闭空间的CO2排放问题,但其在变工况时失火严重,亟需解决其着火和燃烧稳定性问题。本项目利用分子动力学模拟和波函数分析,预测了高浓度CO2氛围下两种柴油表征燃料(正庚烷、70%正庚烷+30%甲苯)燃烧反应体系内的温度-能量变化以及产生的化学反应网络,发现了CO2与CH、CH2、CH3等自由基,以及与甲醛、乙烯等物质的多条反应路径。通过高精度量子化学和反应动力学计算了CO2的高温裂解、CO反应生成OH自由基、OH自由基与柴油表征燃料热解产物反应等,获得了势能面上的精确信息以及反应的热力学与动力学数据。探讨了CO2的化学效应对柴油表征燃料在CO2/O2氛围下燃烧的促进作用和抑制作用。构建了柴油表征燃料在CO2/O2氛围下的燃烧优化机理,该机理仅考虑了CO2和O2的影响,排除了N2等其他气体的影响。在敏感性分析和机理简化的基础上,采用计算流体动力学(CFD)对柴油表征燃料在高浓度CO2氛围下的燃烧火焰传播过程、物种浓度分布和温度云图进行了高精度数值模拟,明确了OH自由基分布与火焰温度分布的高度一致性。通过将柴油表征燃料在CO2/O2、Ar/O2和N2/O2氛围下的燃烧进程进行对比,发现了相对于Ar,CO2和N2的延迟着火作用更为显著。采用光学可视化定容燃烧弹试验平台结合高速摄影/纹影法,针对不同CO2/O2氛围,捕捉了两种柴油表征燃料着火与燃烧过程中的火焰传播图像。理论计算结果与实验结果进行比较,验证和优化了简化模型的误差。基于自编的Python代码,定量分析和预测了CO2/O2氛围对柴油表征燃料着火延迟时间、火焰浮起长度、火焰自然光度、火焰形状、放热率和燃烧效率的影响规律,发现CO2容易导致柴油表征燃料燃烧火焰失稳和湍流现象的发生。探明了CO2/O2氛围下柴油表征燃料燃烧火焰为扩散火焰包裹预混火焰的结构,其火焰下游主要为扩散火焰与预混火焰的过渡区,并揭示了其火焰不同区域的主要化学组分。本项目的研究成果为液氧固碳闭式循环柴油机燃烧过程的准确预测以及今后该系统的设计和研制提供了理论基础和技术储备。
氨柴融合燃料在高浓度二氧化碳及富氧下着火和燃烧机理研究
  • 批准号:
    52376091
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    刘永峰
  • 依托单位:
国内基金
海外基金