乙醇及乙醇摻混燃料預(yù)混層燃燒特性研究.pdf

1、纖維素乙醇釀造技術(shù)的不斷突破與發(fā)展，再次引起了人們對(duì)生物乙醇燃料的廣泛關(guān)注。發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物乙醇可以有效降低溫室氣體排放，同時(shí)有利于國家糧食和能源安全。隨著HCCI技術(shù)和乙醇重整制氫技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用含水乙醇和摻氫乙醇(本文統(tǒng)稱為乙醇摻混燃料)將會(huì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，且燃料乙醇在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用將更加靈活。
　　 目前，關(guān)于乙醇及其摻混燃料的研究大都集中在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)上，而很少有對(duì)其基礎(chǔ)燃燒特性的報(bào)道。本文主要利用定容燃燒彈高速紋影

2、攝像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和CHEMKIN氣相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬平臺(tái)，開展了初始?jí)毫?、初始溫度、?dāng)量比、含水量和摻氫量等對(duì)乙醇－空氣預(yù)混層流火焰影響規(guī)律的研究，得到的主要?jiǎng)?chuàng)新性結(jié)論如下：
　　 (1)初始?jí)毫?、初始溫度和?dāng)量比對(duì)乙醇.空氣層流火焰的影響：通過向外傳播球形火焰的實(shí)驗(yàn)研究，得到了乙醇－空氣混合物層流燃燒速度隨初始?jí)毫?、初始溫度和?dāng)量比變化的指數(shù)擬合式和Zeldovich表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)研究表明，層流燃燒速度隨溫度的增加而增加；隨壓

3、力的增加而降低；隨當(dāng)量比的增加先增加后降低，并在當(dāng)量比1.2附近取得最大值。化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析表明，火焰中乙醇主要是通過脫氫反應(yīng)(C2H5OH+X→C2H5O異構(gòu)體+HX)而被消耗的；乙醇－空氣火焰中幾個(gè)主要活性基(H、OH和O)的濃度隨壓力增加而降低，隨溫度的增加而增加，并且這三個(gè)活性基濃之和的最大值(Ma)({[OH]+[H]+[O]})對(duì)層流燃燒速度有著明顯的控制作用?；鹧娌环€(wěn)定性分析表明，壓力對(duì)乙醇－空氣火焰的熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性影響較小

4、；而對(duì)流體力學(xué)不穩(wěn)定性影響較大，即隨著壓力的增加，火焰的厚度不斷減小，從而使其流體力學(xué)不穩(wěn)定性增強(qiáng)，表現(xiàn)為火焰前鋒面裂紋的增加和臨界半徑的減小。
　　 (2)含水量對(duì)乙醇－空氣層流火焰的影響：實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著含水量的增加，含水乙醇－空氣混合物的層流燃燒速度呈線性下降；已燃?xì)怏w的馬克斯坦長度隨當(dāng)量比和含水量的增加而減小。數(shù)值模擬結(jié)果表明，主要產(chǎn)物(C2H5OH、O2、H2O、CO2和CO等)的生成(或消耗)速率都隨含水量的增加而

5、降低。此外，本文還通過設(shè)計(jì)4種可燃混合物來模擬分析水對(duì)乙醇.空氣火焰影響的三種效應(yīng)(稀釋、吸熱和化學(xué)效應(yīng))。結(jié)果表明，化學(xué)效應(yīng)的影響是最小的，在偏離化學(xué)計(jì)量比時(shí)幾乎可以忽略；水的吸熱效應(yīng)先小于稀釋效應(yīng)，但隨含水量和當(dāng)量比的增加吸熱效應(yīng)不斷增加并最終超過了稀釋效應(yīng)?；鹧娴牟环€(wěn)定性分析表明，水的添加使得乙醇-空氣火焰的熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性同時(shí)降低，表現(xiàn)為火焰前鋒面細(xì)胞狀裂紋的減少和臨界半徑的增大。
　　 (3)摻氫量對(duì)乙

6、醇-空氣層流火焰的影響：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，火焰的層流燃燒速度隨摻氫量的增加而增加，尤其是當(dāng)摻氫量達(dá)到60％以后其增加非常顯著；層流燃燒速度的增加率隨摻氫量呈指數(shù)增長，并且這個(gè)增長隨當(dāng)量比變化不明顯。低摻氫量時(shí)，乙醇-氫氣-空氣火焰的馬克斯坦長度隨當(dāng)量比的變化規(guī)律與碳?xì)淙剂项愃疲邠綒淞繒r(shí)，馬克斯坦長的變化則與氫氣-空氣火焰相似。此外，當(dāng)φ<1.4時(shí)，馬克斯坦長度隨摻氫量的增加單調(diào)遞減，然而當(dāng)φ>1.4時(shí)，馬克斯坦長度表現(xiàn)為隨摻氫量的增加而

7、增加。實(shí)驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)，摻氫量為20%～40%左右的75%含水乙醇-氫氣-空氣層流火焰燃燒特性參數(shù)與純乙醇-空氣火焰是較為接近的。數(shù)值模擬結(jié)果表明，火焰主要組分生成(或消耗)速率都隨摻氫量的增加而增加；主要活性基也隨摻氫量的增加而增加，并且當(dāng)摻氫量達(dá)到80%時(shí)，H基的濃度超過了OH基濃度，這也是導(dǎo)致層流燃燒速度隨摻氫量呈指數(shù)增長的根本原因?；鹧娌环€(wěn)定性分析表明，隨著摻氫量的增加，乙醇-氫氣-空氣火焰的不穩(wěn)定性在稀薄混合時(shí)是增加的，表現(xiàn)為火