柴油多元表征燃料多環(huán)芳烴生成模型和碳煙排放模型的開發(fā)與應用.pdf

1、排放法規(guī)對碳煙排放限制日益嚴格，為發(fā)動機性能設計提出了更高的要求。數(shù)值模擬具有研發(fā)周期短、成本低的優(yōu)點，已經(jīng)成為發(fā)動機研發(fā)的重要手段。而碳煙生成機理非常復雜，其生成過程同時涉及氣相化學反應動力學和顆粒動力學，受到燃油種類、環(huán)境溫度、壓力和當量比等諸多因素的影響。因此，模擬發(fā)動機中碳煙排放過程是一項非常艱巨和有挑戰(zhàn)性的工作。對于模擬柴油機燃燒過程，以多組分柴油表征燃料為對象已成為一個趨勢。但是目前廣泛采用的碳煙模型大都依據(jù)單組份燃料開發(fā)出

2、來，無法滿足多組分燃料的要求。所以本文研究主要目的是利用不同分子結構的燃料氧化生成多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs)的差異性構建碳煙模型，從而體現(xiàn)碳煙生成的不同路徑，以便更換燃料時不需要調(diào)整模型中的反應系數(shù)，具有普適性。以此為目標，本文構建了幾種多組分燃料的PAHs骨架模型，并在此基礎上，構建了一個以PAHs為前驅物的碳煙模型生成與氧化的半經(jīng)驗模型。這些模型分別在基礎反應器、定容彈和發(fā)

3、動機中進行了比較廣泛的驗證，顯示出良好的性能。本文完成的主要工作如下。
　　1、系統(tǒng)的介紹了當前碳煙生成與氧化機理及其半經(jīng)驗模型的研究現(xiàn)狀，簡要歸納了柴油表征燃料的主要特點及其發(fā)展趨勢;對多種燃料PAHs的詳細機理及其骨架模型的研究現(xiàn)狀進行了比較系統(tǒng)的綜述和分析。
　　2、通過分析燃油分子結構對PAHs影響與其對碳煙的影響規(guī)律，確定了在半經(jīng)驗碳煙模型中選用PAHs作為碳煙前驅組分的必要性。用PAHs骨架模型描述碳煙前驅組分的

4、生成過程可以反映出不同分子結構燃料對碳煙生成特性的影響。基于這一思想提出了構建多組分燃油的碳煙半經(jīng)驗模型的方法。
　　3、PAHs作為碳煙前驅組分直接影響碳煙生成過程。為了提高碳煙模型準確性，本文構建了4環(huán)PAHs骨架模型，以同時兼顧各類燃料生成PAHs的路徑特點。經(jīng)過反復優(yōu)化的PAHs骨架模型與基礎燃料（Primary Reference Fuel，PRF）氧化模型耦合，組成了新的PRF-PAHs骨架模型。通過與激波管、層流預混

5、火焰和對沖火焰實驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了新模型的準確性。以此為基礎構建的碳煙模型也得到激波管實驗的驗證，并應用到定容彈和發(fā)動機燃燒多維計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)模擬中。
　　4、將甲苯氧化的骨架機理納入上述PRF-PAHs骨架模型，組成了一個新的甲苯參比燃料(Toluene Reference Fuel，TRF)生成多環(huán)芳烴的TRF-PAHs骨架模型。通過激波管、流動反應器和射流攪

6、拌反應器實驗，對此模型進行了驗證與優(yōu)化。最終的TRF-PAHs骨架模型包含73種組分和207個反應，它既能準確預測著火滯燃期，也能較準確地計算組分摩爾分數(shù)。以此為基礎構建的碳煙模型經(jīng)過了激波管實驗的驗證，并應用到發(fā)動機多維CFD模擬中。
　　5、分別構建了正癸烷和甲基環(huán)己烷氧化生成PAHs的骨架模型，并與甲苯和異辛烷骨架模型耦合組成了柴油多組分表征燃料燃燒過程中PAHs生成的骨架模型，共包括88個組分和224個反應。該模型經(jīng)過與實