双燃料发动机缸内分层激光诱导荧光实验及化学动力学模拟研究

双燃料压燃（RCCI）是一种很有前景的发动机新型燃烧方式,能在小负荷到中高负荷范围内实现发动机高效清洁燃烧,为了将RCCI拓展到更高负荷,需要对其缸内燃油分层和燃烧过程开展更深入研究。本文在一台双燃料光学发动机上采用燃油-示踪剂平面激光诱导荧光法（PLIF）,对RCCI着火前缸内燃油分层进行定量测量,选用甲苯作为示踪剂,利用266 nm脉冲激光激发甲苯荧光,发动机转速1200 r·min^-1,平均指示压力6.9×10⁵ Pa,气道喷射异辛烷,缸内在上止点前10°喷射正庚烷。采用燃油-气体绝热混合假设,对PLIF测量结果进行温度不均匀性修正,以上止点后5°曲轴转角下的测量结果为例,不修正相比修正测试区域内的最大当量比高估15%。根据实验结果,利用Chemkin软件分析了活性、浓度和温度分层对燃烧滞燃期的影响,结果显示燃料活性分层和浓度分层共同决定RCCI的着火滞燃期,其中活性分层影响要大于浓度分层,而温度分层对着火滞燃期影响很小。RCCI燃烧过程自发光的高速成像结果表明,着火过程首先出现在燃烧室边缘的高活性区域,随后火焰向燃烧室中心处的低活性区域发展,碳烟辐射光图像显示碳烟主要形成于燃烧室边缘的高活性区域。     

利用激光诱导炽光法定量测量柴油机缸内燃烧过程碳烟体积分数

激光诱导炽光(LII)法是一种用于测量火焰中碳烟体积分数的光学测试方法. 本文介绍了LII 的基本原理以及LII 实现定量测量的常见标定方法, 建立了一套基于双色法-激光诱导炽光法(2C-LII)的用于柴油机缸内燃烧过程碳烟体积分数定量测量的测试系统, 该测试系统采用双成像原理, 可以实现多点标定和全视场范围内的碳烟体积分数测量. 在一台工作在1200 r·min^-1、喷油量21 mg的光学单缸柴油机上, 研究了60、100 和140MPa三个不同喷油压力下, 缸内燃烧过程碳烟的分布情况, 结果表明, 碳烟自发光出现在燃烧放热率峰值之后, 且随着喷油压力提高, 碳烟发光持续期缩短, 碳烟发光强度降低. 测试区域内火焰中的碳烟体积分数范围约为0-50×10^-6. 不同喷油压力下, 碳烟生成初期、碳烟峰值和碳烟氧化三个阶段内平均碳烟体积分数的范围分别是: 5×10^-6-9×10^-6, 15×10^-6-20×10^-6和14×10^-6-16×10^-6. 喷油压力提高后火焰中的碳烟分布区域面积增大, 平均碳烟体积分数减小, 碳烟体积分数的空间分布趋于均匀.     

基于激光诱导荧光法的同轴射流火焰中羟基自由基、甲醛、发热率与一氧化氮的二维可视化测量

对现有单一组分羟基自由基(OH)平面激光诱导荧光系统(PLIF)装置进行功能扩展研发,在不增加激光器和探测器的情况下,拓展了甲醛(CH_(2)O)、发热率(heat release rate,HRR)和一氧化氮(NO)三个参量的PLIF成像测试模块.同时,利用所研制的同轴射流火焰装置开展了所建立的多参量PLIF测量技术的实测验证,获得了同一火焰轴截面上的OH、CH_(2)O、HRR与NO的二维分布.测试系统可广泛用于各种火焰结构测试及污染物NO产生机理分析,为燃烧反应动力学模型及火焰结构理论研究提供有力的试验数据支撑.     

适用于HCCI燃烧研究的甲苯参比燃料化学动力学简化模型

提出了一个适用于均质压燃着火(HCCI)燃烧过程的甲苯参比燃料简化机理模型, 包含70种组分和196个反应. 低温简化机理选用Tanaka等人构建的基础燃料氧化机理中的部分反应, 加入本文构建的甲苯简化子机理中. 高温简化机理主要利用到Patel等人的研究成果, 同时加入关键反应[H+O₂+M=O+OH+M]. 简化机理分别对替代混合物中的单组分、双组分、三组分物质进行了着火延迟期的预测计算, 预测结果与实验结果较为吻合. 与HCCI发动机实验的验证表明, 对于各工况下甲苯参比燃料的缸内计算, 该机理的预测能力是令人满意的. 由此可知, 本文提出的TRF简化机理在HCCI燃烧方面的预测性能是可靠的. HCCI发动机工况下最大放热率时刻的敏感性分析表明, 随着压力的升高, C₆H₅与O₂的反应变得更加重要; 甲醛是非常重要的中间产物, 是不应当被忽略的.     

汽油多组分表征燃料简化动力学模型的系统化构建及验证

提出了一套系统化多级机理简化策略,包含基于误差传播的直接关系图法、峰值浓度分析法、线性同分异构体集总法、主组分分析法、温度敏感性分析和产率分析法,并将其应用于汽油四组分表征燃料详细反应机理的简化,构建了适用于HCCI发动机燃烧边界下的简化机理模型,包含149个物种、414个反应。通过与激波管、快速压缩机、增压HCCI发动机实验数据的对比验证表明,新机理可以准确地预测较宽范围条件下的着火滞燃期,在HCCI发动机的单区模型计算中,该机理对缸内燃烧和排放的预测结果是令人满意的。放热率分析表明, R + O₂反应是控制中间温度区放热的关键基元反应,在高压低温下,异辛烷的放热起到决定性作用。添加2-戊烯之后,使得四组分模型相较于三组分模型更为准确,尤其是对于第一阶段着火滞燃期有显著影响,为进一步探索调和燃料组分比例控制HCCI燃烧提供了一条新思路。     

液体火箭发动机燃烧稳定性数值仿真

建立液体火箭发动机燃烧稳定性数值仿真模型, 对液氧/煤油, 煤油/气氧/气氢, 气氢/液氧发动机的两相燃烧稳定性进行了数值仿真. 首次得到的系列自激燃烧振荡的仿真结果与试验规律相符: 氢气有利于烃氧火焰稳定; 提高同轴式喷嘴的气相喷射速度有利于稳定. 对仿真结果的进一步分析表明, 燃烧室头部附近的预混低温区为燃烧振荡提供了能量. 根据仿真结果提出了抑制燃烧不稳定的技术措施: 在推进剂中添加催化剂降低反应活化能, 或者改进喷注器的设计以缩小喷嘴附近的预混低温区.     

4-二羟基硼苯丙氨酸(BPA)及其多羟基衍生物BPA(OH)n(n=1,2,4)的电子结构的理论研究

使用密度泛函方法对硼中子捕获疗法药物4-二羟基硼苯丙氨酸(BPA)及其多羟基衍生物BPA(OH)和BPA(OH)2, BPA(OH)4的电子结构进行了理论计算, 探讨了BPA药物作用的可能机制及其羟基衍生物具有良好水溶性的主要因素. 研究结果表明, BPA的HOMO主要分布在苯环上, 而BPA(OH), BPA(OH)2和BPA(OH)4的HOMO主要位于多羟基基团与BPA母体的结合部位的C, N和O原子附近, 羟基衍生物的这种HOMO轨道特性、 结构中极性基团数量的增多及分子极性的增大等可能是它们具有良好水溶性的主要因素. 计算结果与实验结果一致.     

生物柴油替代混合物化学动力学模型构建及路径分析

以癸酸甲酯(C11H22O2)和正庚烷(nC7H16)作为生物柴油替代混合物,通过相对分子质量、低热值以及含氧量与实际生物柴油对比确定两种组分按摩尔比1:1混合,并在此基础上构建了一个由691种组分、3226个基元反应组成的生物柴油替代混合物的化学动力学机理.在激波管条件下该机理计算的着火延迟与实验数据吻合很好;在发动机条件下该机理计算的缸内压力与实验值吻合很好,CO、未燃碳氢和NOx与实验结果趋势一致.此外,本文还对替代混合物的低温反应动力学过程进行了分析,结果表明癸酸甲酯脱氢产物主要为MD2J和MDMJ.MD2J在低温阶段的主要消耗途径除了加氧之外,还有与正庚烷基(C7H15-1)第一次加氧产物(C7H15O2-3)进行交叉反应;发生分解反应生成MP2D及与氧发生脱氢反应生成MD2D.另一种主要脱氢产物MDMJ在低温阶段的主要消耗途径为通过同分异构转化为MD2J和MD3J.     

类卡宾CH2ClLi和甲醛加成反应机理的从头算

以HF/6-31G*基组研究了类卡宾CH2ClLi和甲醛在四氢呋喃溶液中的加成反应机理.CH2ClLi和甲醛,首先生成一个初期络合物,并伴有明显放热.络合物经一个平面双环结构的过渡态到达产物,仅需要一个很小的活化能(14.6 kJ/mol).在这个羰基加成过程中,甲醛羰基碳的亲电进攻较类卡宾碳的亲核进攻表现得更加活跃.整个反应放热效应达216.5 kJ/mol.     

空气污染各组分对甲烷超声速燃烧性能的影响

在与甲烷详细化学反应机理对比验证基础上,采用18组分24步简化反应机理模拟甲烷超声速燃烧过程,从化学动力学和热力学角度用数值方法研究了乙醇燃烧加热空气中的七种主要污染组分(H2O,CO2,O,OH,CO,H,H2)对甲烷超声速燃烧性能的影响.分析结果表明:在一定条件下,进口空气中污染组分H2O的增加造成平均比热容增加,总温降低,并作为第三体抑制甲烷的燃烧过程,使超燃室的性能下降;CO2因大分子量特性使燃气平均分子量增大,降低超燃室做功能力,H2O和CO2两组分对甲烷超燃性能都起消极作用;污染组分自由基H、O、OH和燃烧中间产物CO、H2使燃烧室燃烧效率上升,对甲烷超燃性能起积极作用.     

适用于HCCI的生物柴油替代混合物简化机理的构建及验证

A simplified mechanism of methyl decanoate and n-heptane blend was developed for a homogeneous charge compression ignition engine built from a previously reported detailed mechanism of a methyl decanoate and n-heptane. The simplified mechanism with 113 species and 306 reactions was developed using path flux and temperature sensitivity analyses. The simplified mechanism was validated against the experimental data of ignition delay time, in-cylinder pressure, and CO emissions. Results show that the simplified mechanism not only coincides with the ignition delay time of the methyl decanoate and n-heptane, but also the CO emissions, and can reproduce the variation of in-cylinder pressure. The simplified mechanism can be further validated by comparison with the detailed mechanism, which shows that the simplified mechanism can coincide with the in-cylinder pressure and temperature, and can reproduce the variation tendency of the core components. Thus, the reduced mechanism is a reasonable one.     

低温燃料化学特性对湍流预混火焰传播的影响

大分子碳氢燃料的低温化学反应及两阶段点火特性会显著影响火焰的分区及燃烧情况。本文采用数值模拟的方法探究了正庚烷/空气预混混合气在RATS燃具上的湍流火焰传播,与试验结果具有一致性。模拟使用的是44种物质,112步的正庚烷简化动力学机理。使用Open FOAM的reacting Foam求解器建立了简化模拟流道及出口的三维模型,模拟了在大气环境下,初始反应温度450–700 K、入口速度6 m·s~(-1)与10 m·s~(-1)、焰前流动滞留时间100 ms及60 ms、当量比φ=0.6的正庚烷/空气混合气湍流火焰燃烧情况。结果发现,标准化湍流燃烧速度与混合气初始温度以及流动滞留时间有关。在低温点火阶段,正庚烷氧化程度受到初始温度与速度的影响,燃料分解并在预热区中产生大量中间物质如CH_2O,继而会影响湍流火焰燃烧速度。随着初始反应温度的升高,湍流燃烧火焰逐渐由化学反应冻结区过渡到低温点火区;温度超过一定数值后,燃料不再发生低温反应,此时燃烧位于高温点火区域。     

Au(I) extraction by LIX-79/n-heptane using the pseudo-emulsion-based hollow-fiber strip dispersion (PEHFSD) technique

The extraction of Au(I) from alkaline cyanide solutions through PEHFSD was conducted in a microporous hydrophobic polypropylene hollow-fiber membrane contactor. The organic extractant LIX-79 (N,N-bis(2-ethyl hexyl)guanidine) in n-heptane was used. The alkaline cyanide feed solution containing Au(I) was passed through the tube side, and pseudo-emulsions of LIX-79/n-heptane and NaOH were passed through the shell side in counter-current mode, using a single microporous hydrophobic polypropylene hollow-fiber contactor for extraction and stripping. In PEHFSD the aqueous strip (0.2 M NaOH) solution is dispersed in the organic (12% LIX-79/n-heptane) membrane solution in a container with a mixing arrangement (impeller stirrer) designed to form a strip dispersion. The strip dispersion is circulated from the mixer to the membrane module to provide a constant supply of the LIX-79/n-heptane solution to the membrane pores. Various hydrodynamic and chemical parameters, such as variation in feed pH; gold cyanide concentration in feed; variation in concentrations of NaOH, LIX-79/n-heptane and Au(I); variation in feed, strip and LIX-79/n-heptane volume ratios and variation in feed and strippant flow rates, were investigated. Mass transfer modeling was performed and the validity of the model was evaluated with experimental data and found to tie in well with theoretical values. It was possible to concentrate Au(I) in product (NaOH) using the PEHFSD technique.     

正十二烷高温机理简化及验证

由于详细化学反应机理在模拟燃烧室燃烧时,计算量极大,很难被广泛运用。为了满足工程设计要求,采用替代燃料的简化机理进行计算不失为一种行之有效的方法。本文基于误差传播的直接关系图法和敏感性分析法对正十二烷180组分1962步高温机理(温度大于1100 K)进行简化,获得40组分234步化学反应机理。在温度为1100–1650 K,压力为0.1–4 MPa条件下,采用简化机理及详细机理对不同当量比、压力下着火延迟时间进行模拟,模拟结果与实验数据吻合得较好。通过对不同压力及温度下火焰传播速度进行模拟,验证了简化机理能够正确地反映正十二烷的燃烧特性。利用C_(12)H_(26)/OH/H_2O/CO_2等重要组分随时间变化的数据,验证了简化机理能够准确描述燃烧过程反应物消耗、基团变化、生成物产生的过程,并表明该机理具有较高的模拟精度。利用该简化机理对本生灯进行数值分析,结果表明该机理能够准确地反映火焰区温度和组分浓度的变化。紧凑的正十二烷高温简化机理不仅能够正确体现其物理化学特性,而且能够用于三维数值模拟,具有较高的工程运用价值和应用前景。     

高碳烃宽温度范围燃烧机理构建及动力学模拟

发动机中燃料点火特性以及燃烧能量的释放对于发动机设计具有非常重要的作用,为了提高燃料的燃烧效率以及减少燃料在燃烧过程中污染物的排放,基于反应动力学机理对燃料燃烧过程的模拟就显得十分必要。因此需要更加深入的认识碳氢燃料的燃烧机理,探索其在燃烧过程中十分复杂的化学反应网络。为了发展能够适用于实际燃料多工况条件(宽温度范围、宽压力范围和不同当量比)燃烧的燃烧机理,基于碳氢燃料机理自动生成程序ReaxGen构建了正癸烷燃烧详细机理(包含1499个物种,5713步反应)和正十一烷燃烧详细机理(包含1843个物种,6993步反应)。详细机理主要由小分子核心机理和高碳烃类(C5以上)机理两部分组成。为了验证机理的合理性与可靠性,本文对于高碳烃燃烧新机理在点火延时时间以及物种浓度曲线进行了动力学分析,并与实验数据及国内外同类机理进行了对比,结果表明本文提出的正癸烷和正十一烷燃烧新机理在比较宽泛的温度、压力和当量比条件下都具有较高的模拟精度,为发展精确航空煤油燃烧模型提供了基础数据。同时考虑到详细机理的复杂性以及机理分析的计算量大和时耗长,本文基于误差传播的直接关系图形(Directed Relation Graph with Error Propagation,DRGEP)方法简化得到的包含709组分2793反应的正癸烷和包含820组分3115反应的正十一烷简化机理,使用DRGEP方法时所采用的数据点选自压力范围从1.0×10~5 Pa到1.0×10~6Pa,当量比范围从0.5到2.0,初始温度范围从600到1400时恒压点火的模拟结果在点火延迟时间附近区域的抽样,同时在正癸烷机理简化中选取正癸烷、O_2和N_2作为初始预选组分,正十一烷的机理简化中主要选取正十一烷、O_2和N_2作为初始预选组分,得到的简化机理在比较宽泛的条件下的预测结果与详细机理吻合很好。最后结合敏感度分析方法分析了正癸烷和正十一烷的点火延迟敏感性,考察了机理中影响点火的关键反应。结果表明:这些机理能够合理描述正癸烷和正十一烷的自点火特性,在工程计算流体力学仿真设计中有很好的应用前景。     

Volumetric properties and viscosities of the methyl butanoate + n-heptane + cyclo-octane ternary system at 283.15 and 313.15 K and its binary constituents in the temperature range from 283.15 to 313.15 K

The density and kinematic viscosity of the systems methyl butanoate+cyclo-octane and n-heptane+cyclo-octane were determined at four temperatures in the range 283.15–313.15 K over the whole concentration range. The densities and viscosities of the ternary system methyl butanoate+n-heptane+cyclo-octane were determined at 283.15 and 313.15 K. For the binary systems, the dependence of V^E on composition and temperature was obtained in order to calculate other mixture properties, such as the isobaric thermal expansion coefficients, the temperature coefficients of the molar excess volume and the pressure coefficients of the molar excess enthalpy. In the case of the system n-heptane+cyclo-octane the values of these properties and have been compared with those predicted using the group-contribution model by Nitta et al. in combination with a parameters set available in the literature. Experimental binary and ternary viscosities were correlated for comparison, by means of several empirical and semi-empirical models. Kinematic viscosities were also used to test the predictive capability of the group-contribution model UNIFAC-VISCO. In addition, several empirical equations for predicting ternary properties from only binary results have also been applied.     

Laser-induced fluorescence of formaldehyde in combustion using third harmonic Nd:YAG laser excitation

Formaldehyde (CH2O) is an important intermediate species in combustion processes and it can through laser-induced fluorescence measurements be used for instantaneous flame front detection. The present study has focussed on the use of the third harmonic of a Nd:YAG laser at 355 nm as excitation wavelength for formaldehyde, and different dimethyl ether (C2H6O) flames were used as sources of formaldehyde in the experiments. The investigations included studies of the overlap between the laser profile and the absorption lines of formaldehyde, saturation effects and the potential occurrence of laser-induced photochemistry. The technique was applied for detection of formaldehyde in an internal combustion engine operated both as a spark ignition engine and as a homogenous charge compression ignition engine.     

The rate constant of the reaction HO2 + COCO2 + OH

The high-temperature oxidation of formaldehyde in the presence of carbon monoxide was investigated to determine the rate constant of the reaction HO₂ + CO ? CO₂ + OH (10). In the temperature range of 878–952°K from the initial parts of the kinetic curves of the HO₂ radicals and CO₂ accumulation at small extents of the reaction, when the quantity of the reacted formaldehyde does not exceed 10%, it was determined that the rate constant k₁₀ is A computer program was used to solve the system of differential equations which correspond to the high-temperature oxidation of formaldehyde in the presence of carbon monoxide. The computation confirmed the experimental results. Also discussed are existing experimental data related to the reaction of HO₂ with CO.