天然气着火特性的试验与模拟研究

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随着能源匮乏以及大气污染的日益严重,代用燃料的研究受到学者们的高度重视。天然气因具有储量大、热值高、燃烧后排放的污染物较低等优点具有广泛的应用前景。近年来,天然气发动机的问世,对于天然气燃烧与排放特性的研究成为了研究的热点。本文在实验室自主设计的激波管上开展了甲烷以及甲烷/乙烷和甲烷/丙烷混合燃料在不同条件下的着火特性的研究;通过建立数值模型,验证了试验结果,并进一步分析了甲烷以及甲烷/乙烷和甲烷/丙烷混合燃料在不同温度、压力和当量比下的敏感性以及在固定温度、压力和当量比下的主要氧化路径。结果表明:(1)通过对激波管物理特性地研究,得到了激波衰减率、边界层效应和非理想气体效应对波后气体状态的影响。本文所使用激波管的激波管衰减率在0.92.1%/m范围内,与斯坦福大学和阿卜杜拉国王科技大学的激波管性能接近。目标压力越高,边界层效应对波后气体状态的干扰越大,干扰的时间也越早。非理想气体效应会造成实际的温度比目标温度低,且目标温度和目标压力越高,误差越大。通过与文献中试验数据的比较验证了激波管试验装置的可靠性。在温度为1500K时,5区的温度误差约为20K,且目标温度越高,温度误差越大。(2)甲烷的着火延迟时间随温度的降低呈指数型增加,随当量比的升高而增加,随压力的增加而缩短。在高温条件下,对甲烷着火促进最大的基元反应是H+O2=O+OH,抑制最大的基元反应是2CH3+M=C2H6+M。通过对甲烷的反应路径分析发现:CH3主要有两条消耗路径,一条是被氧化成CH2O,表现出对着火的促进作用,另一条是合成C2H6的反应,表现出对着火的抑制作用。(3)甲烷/乙烷和甲烷/丙烷混合燃料的着火延迟时间随着乙烷和丙烷含量的增加而缩短,且含量越高,其影响越小。稀释率对甲烷/乙烷和甲烷/丙烷混合燃料着火延迟时间的影响比含量的影响小很多,随着稀释率的增加,着火延迟时间逐渐增加,且稀释率越高,其影响越大。当量比的增加会造成甲烷/乙烷和甲烷/丙烷混合燃料着火延迟时间的增加,在中温条件下当量比的影响更大。甲烷/乙烷和甲烷/丙烷混合燃料的着火延迟时间随着压力地升高而缩短。H+O2=O+OH依然是混合燃料着火过程中对着火促进最大的基元反应,CH4+OH=CH3+H2O和CH4+H=CH3+H2成为对着火抑制最大的基元反应。掺混的乙烷对混合燃料影响最大的基元反应是C2H4+H+M=C2H5+M,掺混的丙烷对着火影响最大的基元反应C3H8+M=C2H5+CH3+M,二者都是通过增大了反应系统中H的动态平衡值使着火提前。
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