乙醇及乙醇摻混燃料預混層燃燒特性研究.pdf

1、纖維素乙醇釀造技術的不斷突破與發(fā)展，再次引起了人們對生物乙醇燃料的廣泛關注。發(fā)動機燃用生物乙醇可以有效降低溫室氣體排放，同時有利于國家糧食和能源安全。隨著HCCI技術和乙醇重整制氫技術的不斷進步，發(fā)動機燃用含水乙醇和摻氫乙醇(本文統(tǒng)稱為乙醇摻混燃料)將會變?yōu)楝F(xiàn)實，且燃料乙醇在發(fā)動機中的應用將更加靈活。
　　 目前，關于乙醇及其摻混燃料的研究大都集中在發(fā)動機臺架試驗上，而很少有對其基礎燃燒特性的報道。本文主要利用定容燃燒彈高速紋影

2、攝像實驗平臺和CHEMKIN氣相化學反應動力學數(shù)值模擬平臺，開展了初始壓力、初始溫度、當量比、含水量和摻氫量等對乙醇－空氣預混層流火焰影響規(guī)律的研究，得到的主要創(chuàng)新性結論如下：
　　 (1)初始壓力、初始溫度和當量比對乙醇.空氣層流火焰的影響：通過向外傳播球形火焰的實驗研究，得到了乙醇－空氣混合物層流燃燒速度隨初始壓力、初始溫度和當量比變化的指數(shù)擬合式和Zeldovich表達式。實驗研究表明，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；隨當量比的增加先增加后降低，并在當量比1.2附近取得最大值?；瘜W動力學分析表明，火焰中乙醇主要是通過脫氫反應(C2H5OH+X→C2H5O異構體+HX)而被消耗的；乙醇－空氣火焰中幾個主要活性基(H、OH和O)的濃度隨壓力增加而降低，隨溫度的增加而增加，并且這三個活性基濃之和的最大值(Ma)({[OH]+[H]+[O]})對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，壓力對乙醇－空氣火焰的熱擴散不穩(wěn)定性影響較小

4、；而對流體力學不穩(wěn)定性影響較大，即隨著壓力的增加，火焰的厚度不斷減小，從而使其流體力學不穩(wěn)定性增強，表現(xiàn)為火焰前鋒面裂紋的增加和臨界半徑的減小。
　　 (2)含水量對乙醇－空氣層流火焰的影響：實驗研究表明，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；已燃氣體的馬克斯坦長度隨當量比和含水量的增加而減小。數(shù)值模擬結果表明，主要產物(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，本文還通過設計4種可燃混合物來模擬分析水對乙醇.空氣火焰影響的三種效應(稀釋、吸熱和化學效應)。結果表明，化學效應的影響是最小的，在偏離化學計量比時幾乎可以忽略；水的吸熱效應先小于稀釋效應，但隨含水量和當量比的增加吸熱效應不斷增加并最終超過了稀釋效應。火焰的不穩(wěn)定性分析表明，水的添加使得乙醇-空氣火焰的熱擴散不穩(wěn)定性和流體力學不穩(wěn)定性同時降低，表現(xiàn)為火焰前鋒面細胞狀裂紋的減少和臨界半徑的增大。
　　 (3)摻氫量對乙

6、醇-空氣層流火焰的影響：實驗結果表明，火焰的層流燃燒速度隨摻氫量的增加而增加，尤其是當摻氫量達到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，并且這個增長隨當量比變化不明顯。低摻氫量時，乙醇-氫氣-空氣火焰的馬克斯坦長度隨當量比的變化規(guī)律與碳氫燃料類似，而高摻氫量時，馬克斯坦長的變化則與氫氣-空氣火焰相似。此外，當φ<1.4時，馬克斯坦長度隨摻氫量的增加單調遞減，然而當φ>1.4時，馬克斯坦長度表現(xiàn)為隨摻氫量的增加而

7、增加。實驗研究還發(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，并且當摻氫量達到80%時，H基的濃度超過了OH基濃度，這也是導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)定性在稀薄混合時是增加的，表現(xiàn)為火