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不同二氧化碳/氧氣環境下柴油的燃燒特性分析

時間:2020-11-16 來源:北京建筑大學 本文字數:5755字
作者:向祺 單位:北京建筑大學

  摘   要

  
  柴油機具有熱效率高、可靠性強、適應性好、比油耗低等優點,廣泛應用于工程機械、運輸車輛和軍事裝備中。然而,柴油機的排放污染物不容忽視,其中包括大量的二氧化碳、氮氧化物和顆粒物。特別是在隧道、地鐵、水下等空氣不流通的封閉環境中,二氧化碳的排放需要嚴格控制。液氧固碳閉式循環柴油機能有效減少排放物對工作人員的影響,滿足日益嚴格的排放要求。柴油在該系統下進行燃燒時,背景氣體為二氧化碳/氧氣的混合物。因此,對柴油在該成分背景氣體下燃燒特性的研究甚為迫切。



不同二氧化碳/氧氣環境下柴油的燃燒特性分析
 

  
  本文針對不同二氧化碳/氧氣環境下柴油的燃燒特性的進行研究,采用計算和試驗相結合的方式來展開研究。首先,提出了柴油在二氧化碳/氧氣環境中噴霧燃燒的動態化學當量比模型,建立了定容燃燒彈物理模型和柴油表征燃料(正庚烷)的化學模型,基于 Converge 燃燒仿真軟件進行了計算,得到了柴油在二氧化碳/氧氣環境下燃燒的火焰浮起長度及火焰溫度云圖的分布情況。其次,搭建了定容燃燒彈與高速攝像機相結合的可視化試驗系統,詳細介紹了系統組成、操作流程及試驗工況。對柴油噴霧燃燒過程進行可視化試驗,利用直拍法獲得了不同二氧化碳/氧氣環境下柴油噴霧燃燒的過程圖像。最后,對柴油在空氣和不同濃度二氧化碳/氧氣環境下燃燒過程、溫度云圖分布及火焰浮起長度的異同點進行討論,并對試驗中火焰自然光度的變化以及計算結果中火焰溫度云圖的分布進行分析。
  
  研究結果表明:柴油噴霧在空氣與二氧化碳/氧氣環境下燃燒特性有極大差異,柴油在二氧化碳/氧氣環境下的火焰浮起長度和火焰溫度云圖的仿真結果與試驗結果吻合,初步證明了本文建立的計算模型計算柴油在二氧化碳/氧氣環境下火焰浮起長度的準確性。當二氧化碳濃度小于 43%后,火焰浮起長度受二氧化碳濃度影響的減弱。在不同二氧化碳/氧氣環境下,柴油火焰上游區域溫度分布變化明顯。但是,火焰下游區域的溫度分布沒有明顯的差異;鹧娓∑痖L度變化曲線呈現出相同的趨勢:首先急速下降,然后輕微下降,最后迅速上升。隨著二氧化碳濃度的增高,火焰浮起長度與火焰自然發光度均有所增加,同時火焰自然發光度的峰值增加且滯后出現。
  
  關鍵詞:    柴油;燃燒特性;定容燃燒彈;Converge;二氧化碳/氧氣環境。
  

  Abstract

  
  Diesel  engine  has  the  advantages  of  high  thermal  efficiency,  good  reliability,  strong adaptability  and  good  economy,  which  is  widely  used  in  construction  machinery,  transport vehicles  and  military  equipment.  However,  diesel  engine  emissions  of  pollutants  cannot  be ignored,  which  contains  a  large  number  of  carbon  dioxide,  nitrogen  oxides  and  particulate matter.  In  particular,  in  closed  environments  such  as  tunnels,  subways  and  underwater  air circulation,  emissions  need  to  be  strictly  controlled.  Liquid  oxygen  carbon  sequestration closed  cycle  diesel  engines  can  effectively  reduce  the  impact  of  emissions  on  workers  and meet the increasingly stringent emission requirements. When diesel is burned in this system, the  background  gas  is  a  mixture  of  carbon  dioxide/oxygen,  so  it  is  urgent  to  study  the combustion characteristics of diesel under the environments.
  
  In  this  paper,  the  combustion  characteristics  of  diesel  oil  in  different  carbon dioxide/oxygen  environments  are  studied.  First  of  all,  based  on  combustion  simulation software Converge, established the physical model of constant volume combustion chamber, diesel fuel  characterization of n-heptane and chemical model of the diesel combustion flame in  carbon  dioxide/oxygen  environments  flame  lift-off  length  and  the  distribution  of  flame temperature  contours.  Secondly,  a  test  system  combining  a  constant  volume  combustion chamber  with  a  high-speed  camera  is  built,  and  the  system  composition,  operation  process and test conditions are introduced in detail. The visual experiment of ignition process of diesel oil is carried out. Finally, the similarities and differences of ignition process and flame lift-offlength of diesel oil under air atmosphere and different carbon dioxide/oxygen concentrations are  discussed,  and  the  changes  of  natural  luminosity  of  the  flame  in  the  test  and  the distribution of flame temperature cloud maps in the simulation results are analyzed.
  
  The  results  show  that  the  combustion  characteristics  of  diesel  oil  in  the  air  and  carbon dioxide/oxygen  environments  are  greatly  different,  and  the  simulation  results  of  the  flame lift-off  length  and  flame  temperature  cloud  maps  of  diesel  oil  in  the  carbon  dioxide/oxygen environments  are  consistent  with  the  experimental  results,  which  proves  that  the  calculation model  established  in  this  paper  is  accurate  in  simulation.  When  the  carbon  dioxide concentration is less than 43%, the flame lift-off length decreases with the influence of carbon dioxide  concentrations.  By  comparing  the  temperature  diagram,  it  can  be  seen  that  under different  carbon  dioxide/oxygen  environments,  the  temperature  distribution  in  the  upstream region  of diesel  flame changes significantly. However, there was no significant  difference in temperature  distribution  in  the  downstream  region  of  the  flame.  The  curves  of  the  flame lift-off length show the same trend: first it goes down rapidly, then it goes down slightly, later on  it  goes  up  rapidly.  With  the  increase  of  carbon  dioxide  concentrations,  both  the  flame lift-off length and the natural  luminescence of the flame increased and the peak value of the natural luminescence of the flame increased and lagged.
  
  Keywords:     Diesel,  combustion  characteristic,  Constant  volume  combustion  chamber, Converge, Carbon dioxide/oxygen environment.
  

  第1章    緒 論
 

  
  1.1、研究意義。

  
  1784年英國發明家瓦特發明了蒸汽機,作為跨時代的發明拉開了產業革命的序幕。隨后德國人奧托和迪賽爾分別于1876年和1897年推出了汽油機和柴油機,成為了繼蒸汽機之后的又一里程碑,也為現代內燃機發展的奠定基礎。第一臺柴油機誕生的一個多世紀以來,經過前人艱辛的科研和無數科學愛好者的努力,其性能已經到達了一個較高的水平,在經濟性、動力性、穩定性等方面具有顯著的特點。車用柴油機逐漸走向人們的視野,給人民的生活帶來了便利,成為了現代社會不可或缺的動力源機械。經過二十世紀五十年代初興起的增壓技術和七十年代開始的電子技術的應用,以及近年來渦輪增壓、電子控制、廢氣再循環等先進技術的應用使得柴油機的燃燒效率得到進一步增加[1-5]。然而,柴油機的大規模始終受到能源與環境兩個條件的制約,其一是柴油機使用的動力源主要依靠燃燒儲存量有限的化石燃料,其二是柴油機尾氣對環境的影響愈演愈烈。[6-12]
  
  自1993年起我國由石油的出口國轉為進口國,我國石油消耗中,占半數以上的石油來自國外,并且進口比例越來越大。目前全世界使用的能源有百分之九十取自化石燃料,從資源儲量來看,現在全世界煤炭已探明資源總量約為10萬億噸,石油為1800億噸,天然氣為181萬億m3。大氣污染是環境污染的重要方面,也是控制與治理較為困難的方面,汽車尾氣占城市污染的較大比重。柴油機尾氣是指柴油發動機燃燒柴油后噴出的尾氣,尾氣中含有上百種不同的化合物,這種氣體排放物不僅氣味怪異,而且令人頭昏、惡心,影響人的身體健康。
  
  2017年10月27日,世界衛生組織國際癌癥研究機構將柴油發動機排放物列于一類致癌物清單中[13]。隨著經濟的發展和人民日益增長的生活水平,據公安部發布的數據顯示,我國的機動車及汽車保有量呈現逐年增長的態勢,2019年中國機動車保有量達3.48億輛,其中汽車保有量達2.6億輛,同比2018年增長了8.83%,近五年的數據顯示,隨著經濟的發展,我國機動車保有量每年平均增加1380萬輛。
  
  依據統計數據顯示,全國3.48億輛機動車中,汽車占2.6億量,即按照三口之家計算,平均每兩戶居民就擁有一臺汽車。機動車污染物成為我國空氣污染的重要來源,更是霧霾的主要“貢獻者”。除了環境的危害外,摸不著的汽車尾氣還悄悄侵蝕著人們的健康。[14]
  

  

  
  汽車尾氣中含有上百種不同的化合物,其中的污染物有固體懸浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、鉛及硫氧化合物等。英國空氣潔凈和環境保護協會曾發表研究報告稱,與交通事故遇難者相比,英國每年死于空氣污染的人要多出10倍。發動機尾氣在直接危害人體健康的同時,還會對人類生活的環境產生深遠影響,間接影響人類生命。尾氣中的二氧化硫具有強烈的刺激氣味,達到一定濃度時容易導致“酸雨”的發生,造成土壤和水源酸化,影響農作物和森林的生長。
  
  目前,柴油機作為主要的動力源機械在生產生活中扮演著重要的角色。[15-16]然而在一些特殊環境下,柴油機的污染排放卻成為了主要問題。例如在隧道,坑道等有限空間下的工程建設中,常規柴油機會消耗大量空氣,排放二氧化碳等有害氣體,影響施工人員的正常的呼吸,更有甚者會出現窒息或死亡的情況。由于外界氧氣缺乏及二氧化碳等氣體過多使施工人員呼吸系統發生障礙而導致呼吸困難甚至停止呼吸危及生命的現象近年來時有發生。
  
  2015年3月31日,陜西省佛坪縣一引水隧道工程發生缺氧中毒窒息事故,施工期間,隧道內的通風設施存在嚴重安全隱患,4#隧道的施工現場既沒有通風設備也沒有空氣檢測設備,發生缺氧中毒窒息事故,造成2人死亡2人受傷,直接經濟損失1772993元。
  
  2015年08月12日,廣西省玉林市一起道路改造工程中,由于通風條件差,在有限空間中作業導致中毒窒息事故,最終釀成3人死亡的較大事故。
  
  2018年5月16日,河南省鄭州市中牟縣,山東省郵電工程有限公司在為中國移動通信集團河南有限公司鄭州市中牟分公司安裝地下光纜時發生中毒窒息事故,導致3人死亡。以上事故的發生給土建工程等項目敲響了警鐘,在封閉條件下施工在注意通風問題的同時尤其要注意二氧化碳排放問題,切記此類事故再次發生。
  
  為了保證封閉環境下施工人員的安全,迫切需要提出一種改進辦法來解決有限空間內二氧化碳的排放問題,近年來裴普成等提出了液氧固碳閉式循環柴油機[17],這種封閉式循環柴油機能夠滿足在有限空間內的使用要求,對空間內的氧氣濃度要低,不與施工人員搶奪氧氣,成為了在封閉環境下柴油機的一種新選擇。
  
  與傳統柴油機相比,液氧固碳閉式循環柴油機不需要外界氧氣,氧化劑來自于該系統自帶的液氧瓶,燃燒產物不向外界排放,利用液氧氣化吸收的熱量來冷卻二氧化碳,使之成為干冰,其余未被冷卻凝華的二氧化碳和氣化的氧氣一同進入燃燒室,使柴油在二氧化碳/氧氣環境中燃燒。該無需額外的進排氣處理系統,只需要液氧固碳裝置,同時,因為進氣中沒有氮氣,氮氧化物的生成量基本可以忽略。高濃度的氧氣有利于柴油與氧氣充分混合,提高柴油熱效率。同時,高濃度的二氧化碳會抑制富氧燃燒,柴油燃燒將會滯后,放熱率和發動機爆震的傾向將會降低[18]。美國阿貢國家實驗室提出的鍋爐二氧化碳/氧氣燃燒技術,采用來自于空氣分離的純氧和其余循環煙氣的混合氣體來替代空氣與燃料燃燒,使燃料在高濃度二氧化碳中燃燒。液氧固碳閉式循環柴油機與鍋爐二氧化碳/氧氣燃燒技術有異曲同工的優點:無氮循環、高濃度二氧化碳、污染物排放低。
  

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  1.2、國內外研究現狀
  1.2.1、火焰浮起長度國內外研究現狀
  1.2.2、柴油富氧燃燒國內外現狀.
  1.3、本文研究的主要內容
  
  第2章  計算模型
  

  2.1、動態化學當量比(DCER) 模型
  2.2、基本控制方程
  2.2.1、質量守恒方程
  2.2.2、動量守恒方程
  2.2.3、能量守恒方程
  2.2.4、組分質量守恒方程
  2.3、湍流模型
  2.4、噴霧模型
  2.5、燃燒模型
  2.6、物理模型建立
  2.7、化學反應動力學模型
  2.8、計算工況
  2.9、本章小結
  
  第3章  試驗設備及圖像處理方法.
  
  3.1、試驗參數設置
  3.2、試驗測試系統搭建
  3.2.1、定容燃燒彈系統
  3.2.2、高壓共軌噴射系統
  3.2.3、圖像數據采集系統
  3.2.4、水冷循環控制系統
  3.3、數據處理方法,
  3.4、本章小結
  
  第4章  數據分析
  
  4.1、燃燒過程
  4.2、火焰溫度云圖
  4.3、火焰浮起長度.
  4.4、火焰自然發光度
  4.5、本章小結
  

結  論

  本文通過計算與試驗相結合的方式,對不同二氧化碳/氧氣環境下柴油的燃燒特性展開研究。首先,推導了DCER模型,建立了定容燃燒彈物理模型和柴油表征燃料正庚烷的化學模型,基于Converge燃燒仿真軟件計算,得到了柴油在二氧化碳/氧氣環境下燃燒的火焰浮起長度及火焰溫度云圖的分布情況。其次,搭建了定容燃燒彈與高速攝像機相結合的試驗系統,詳細介紹了系統組成、操作流程及試驗工況。對柴油的著火燃燒過程進行可視化試驗。最后,對柴油在空氣和不同濃度二氧化碳/氧氣環境下著火燃燒過程、火焰溫度云圖分布、火焰浮起長度以及火焰自然發光度進行討論。得到結論如下:

 。1)柴油在空氣與二氧化碳/氧氣環境下燃燒特性有極大差異,柴油在二氧化碳/氧氣環境下的火焰浮起長度和火焰溫度云圖的仿真結果與試驗結果吻合,初步證明了本文建立的計算模型計算柴油在二氧化碳/氧氣環境下火焰浮起長度的準確性。

 。2)在不同二氧化碳/氧氣環境下,柴油火焰上游區域溫度分布變化明顯。同時,火焰下游區域的溫度分布沒有明顯的差異。

 。3)二氧化碳/氧氣環境對的柴油噴霧燃燒火焰浮起長度影響非常明顯,氧氣濃度的增加極大的促進了柴油與氧氣的混合,縮短了柴油噴霧卷吸氧氣的時間,加速了可燃混合物的形成速率。當二氧化碳濃度小于43%后,火焰浮起長度受二氧化碳濃度影響的減弱。

 。4)柴油噴霧在空氣、二氧化碳/氧氣環境中,火焰浮起長度變化曲線呈現出相同的趨勢:首先急速下降,然后輕微下降,最后迅速上升。隨著二氧化碳濃度的增高,火焰浮起長度與火焰自然發光度均有所增加,同時火焰自然發光度的峰值增加且滯后出現。

  參考文獻

  原文出處:向祺. 二氧化碳氧氣環境對柴油燃燒特性的影響研究[D].北京建筑大學,2020.
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