非平衡等离子体对汽油和甲烷燃烧影响的数值模拟研究

【摘要】：随着经济发展带来的能源短缺和环境污染的问题，稀薄燃烧技术被提出。稀薄燃烧技术能够提高燃油的转化效率、节约能源；同时能够降低废气排放、减少大气污染。它的缺点在于，随着空燃比的增大，预混燃气越来越接近其可燃极限，这会导致预混燃气不能正常燃烧。为了保证稀燃条件下的可靠点火和正常燃烧，必须采取针对稀薄燃烧的特殊点火措施，强化燃烧，提高燃烧速度。目前，非平衡等离子体由于能够同时提高温度和增加活性基的浓度而被公认为是最有效的助燃方法。 本文用模拟计算的方法研究了非平衡等离子体对汽油和甲烷燃烧的影响。由于气体放电过程在纳秒量级内完成，而气体燃烧过程在毫秒内完成，它们之间数量级相差较大，因此本文将放电过程和燃烧过程分别进行计算。运用耦合了组分浓度方程、能量传递方程和电子玻尔兹曼方程的程序包ZDPlasKin，通过导入空气以及空气/甲烷混合气碰撞、电离、复合等的机理，编写气体放电的Fortran计算程序，通过求解动力学模型得到特定约化场强、气体压力、温度以及当量比下各类粒子浓度随时间的变化。运用汽油和甲烷燃烧的多区模型，将气体放电产生的自由基作为燃烧计算的初始条件，分别探讨了放电过程产生的自由基对汽油和甲烷燃烧的影响，并从燃烧过程中主要粒子的反应速率和反应路径方面深入分析了等离子体助燃的本质原因。 结果表明：在汽油燃烧过程中，放电产生的非平衡等离子体能够促进汽油的燃烧，使燃烧10%的燃料所用的时间缩短。随着当量比的增加，等离子体的助燃作用减弱，即在稀薄燃烧的情况下等离子体助燃效果更强。 在甲烷/空气的燃烧过程中，放电产生的非平衡等离子体能够促进甲烷的燃烧，使燃烧10%的燃料所用时间缩短，开始燃烧的时刻提前，间接说明了非平衡等离子体能够促进甲烷的稀薄燃烧。 【关键词】：稀薄燃烧 非平衡等离子助燃 汽油 甲烷
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK407;TQ038
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-13
• 插图清单13-15
• 表格清单15-16
• 第一章 绪论16-23
• 1.1 引言16-17
• 1.2 传统火花塞点火过程17-18
• 1.3 非平衡等离子体助燃介绍18-22
• 1.3.1 非平衡等离子体助燃的基础理论研究18-19
• 1.3.2 非平衡等离子体助燃的实验研究19-21
• 1.3.3 非平衡等离子体助燃的数值模拟研究21-22
• 1.4 本文研究内容22-23
• 第二章 动力学模型介绍23-36
• 2.1 放电过程动力学模型23-30
• 2.1.1 ZDPlasKin 程序包23-25
• 2.1.2 控制方程25-30
• 2.2 燃烧过程动力学模型30-36
• 2.2.1 化学气相动力学模型的组成和应用31-32
• 2.2.2 多区模型的计算方法32-34
• 2.2.3 传热模型34-36
• 第三章 放电条件对空气放电情况的影响36-43
• 3.1 约化场强对粒子数浓度的影响37-39
• 3.2 气体压力对粒子数浓度的影响39-42
• 3.3 本章小结42-43
• 第四章 非平衡等离子体促进汽油燃烧的模拟研究43-58
• 4.1 引言43-44
• 4.2 空气放电的动力学模型44-45
• 4.3 放电过程的计算结果45-48
• 4.4 燃烧过程的化学动力学模型48-49
• 4.5 燃烧过程的计算结果及分析49-57
• 4.5.1 不同自由基对缸内温度和燃料燃烧比的影响50-51
• 4.5.2 不同自由基对反应速率和反应路径的影响51-56
• 4.5.3 不同当量比下非平衡等离子体对汽油燃烧的影响56-57
• 4.6 本章小结57-58
• 第五章 非平衡等离子体促进甲烷燃烧的模拟研究58-75
• 5.1 引言58-59
• 5.2 甲烷空气放电的动力学模型59
• 5.3 放电过程的计算结果59-60
• 5.4 燃烧过程的化学动力学模型60-62
• 5.5 燃烧过程的计算结果及分析62-74
• 5.5.1 不同自由基对缸内温度和燃料燃烧比的影响63-64
• 5.5.2 自由基加入量对缸内温度和燃料燃烧比的影响64-67
• 5.5.3 不同自由基对反应速率和反应路径的影响67-74
• 5.6 本章小结74-75
• 第六章 总结与展望75-78
• 6.1 全文总结75-76
• 6.2 工作展望76-78
• 参考文献78-83
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况83-84

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