英语原文共 199 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于快速压缩机的设计、特性和自燃研究[1]
高拉夫·米塔尔(Gaurav Mittal)著
摘 要
为了研究高温高压下的化学动力学，设计了一台快速压缩机(RCM)。目前的RCM被设计为一种多功能试验装置，包括定义明确的核心区域、快速压缩、改变行程和间隙的能力、光学可达性以及物种测量能力。机器采用气动、液压驱动和停机。特征实验证实了该装置适用于化学动力学的研究，并表明可在高达50bar和大于1000K的条件下进行高度重复性的实验。建立了考虑压缩和热损失的数值模型来模拟RCM实验。
利用平面激光诱导丙酮荧光和Star-CD CFD软件包对机器内部的空气动力学进行了实验和计算研究，证实了活塞头设计对于实现快速压缩机内部均匀核心区域的重要性。结果表明，扁平活塞头设计导致冷涡与热核区的明显混合，最终导致绝热核心假设失效。而裂隙活塞头结构可以大大降低涡系的影响，并且绝热核心假设在压缩后很长一段时间内都是有效的。
利用该装置对异辛烷、H2和H2/CO体系进行了自燃研究。研究了压力为22bar，温度为680K~880K的异辛烷自燃，研究了压力为15bar~50bar，温度为950K~1100K的H2和H2/CO体系。实验结果与详细机理的数值预测的比较表明，现有的机理不能预测这些体系的行为。特别是，对于异辛烷点火，在NTC区域的实验条件下，模拟结果和实验结果有显著差异。对于H2/CO体系，现有的机理不能很好地描述CO增加对H2的抑制作用。动力学分析进一步确定了需要修改速率常数的控制反应步骤。有必要在广泛的物理条件下对这些系统进行进一步的研究。
第一章 导言
1.1化学动力学
将燃料转化为燃烧产物的化学反应是复杂的，反应结果以微妙的方式取决于燃烧发生的条件。随着人们认识到解决实际燃烧问题需要对燃烧动力学有详细的了解，对燃烧反应速率和机理的详细研究已成为燃烧研究的主流。例如，研究燃烧产生的污染物(如SOx、NOx、碳烟等)的形成和危害，自燃化学与爆震的关系，发动机燃料和燃料添加剂的开发，燃烧安全等，都需要了解详细的燃烧化学。此外，随着大量基本动力学数据的可获得性和计算能力的提高，考虑有限速率化学影响的燃烧建模已成为燃烧系统分析的重要工具。这样的建模有助于更好地理解和改进燃烧系统。
在最基本的层面上，燃烧模拟涉及到由大量基元反应组成的反应机理，也就是通常所说的全面或详细的动力学机理。综合动力学机理是指在各种物理条件下通过实验数据验证的反应机理。综合机理的目的是要有一个通用的反应机理，它可以再现所有可用的实验数据，并对没有实验数据的体系的动力学进行一定程度的预测。当要预测的动力学落入机理可以验证的边界之外时，下面的条件是重要的。反应机理的开发、验证和进一步完善在很大程度上依赖于实验数据的持续收集和评估。反应机理需要在很宽的温度和压力范围内用高保真的实验结果来验证，然后才能用于预测。超出模型验证范围的化学动力学数据对于动力学建模特别有价值和意义。这样的实验数据与模拟结果的成功匹配很好地从根本上理解反应机理的化学。而任何失配都会通过增加定义预测比较的可接受性的约束来激发机制的进一步改进。
在与燃烧系统相关的压力和温度范围内测定动力学数据需要使用几种实验方法。因此，人们对能够模拟与实际燃烧装置的操作条件相关的燃烧环境并提供详细的化学动力学发展的实验装置非常感兴趣。从实用和机械的角度来看，实验数据本身都很重要。虽然在实际燃烧装置中研究燃烧过程是相关的，但要获得足够高质量的数据来得出关于重要的动力学过程的结论是极其困难的。这一困难主要是由于实际设备中复杂的流体力学效应造成的。化学与流体力学的复杂相互作用，使得从实际燃烧装置获得的数据很难解释。通常的做法是使用允许研究均相化学的实验装置，其中复杂的流体力学效应可以忽略不计。所获得的实验数据为发展详细的化学动力学机理提供了重要信息。这些类型的更简单的实验配置包括静态反应器、流动反应器、完全搅拌反应器、激波管和快速压缩机。每种类型的配置都有相对的优点和缺点，与可获得的实验范围和特征时间、数据解释和建模的复杂性有关。总的来说，使用这些不同的实验设备获得的数据可以跨越很大的温度、压力和测量可观测值范围。
在详细介绍本研究中设计和使用的快速压缩机之前，对用于均质燃烧研究的各种实验设备进行了简要讨论，以便从更广阔的角度了解其性能。
1.2研究均质燃烧的实验装置
1.2.1静态反应器
静态反应器在概念上很简单，但对获得的数据进行解释是非常困难的。它们通常由装满反应性混合物的球形容器组成。气相反应物最初通过烤箱或恒温槽保持所需温度。通过测量压力变化(反应在恒定体积下进行)或通过检测淬火气体样品中一个或几个物种的浓度随时间变化来观察反应的进展。与静态反应器相关的一个典型假设是，反应混合物是均匀的，即不存在温度和/或浓度梯度。所以对流和扩散效应都可以忽略不计。为了严格满足这一假设，静态反应器实验中的特征反应时间应长于特征扩散时间。这一限制对静态反应器的操作范围(通常低于750K)施加了很大的限制，并导致相对较长的实验时间尺度(在几秒到几分钟的数量级)。因此，静态反应器对于相对较慢的反应是最有用的。静态反应器已被广泛用于划定许多燃料-氧化剂混合物的压力-温度边界，这些边界分隔了慢反应区域和快反应区域。这种压力-温度边界称为给定混合物的爆炸极限。例如，H2-O2系统的爆炸极限通常是用球形静态反应器来确定的。然而，由于在长反应时间条件下对表面效应的高度敏感性，静态反应器实验通常不像替代技术那样用于定量分析。
1.2.2流动反应器
流动反应器是一种连续流动的设备，它将反应物混合物带到所需的温度和压力，然后使其沿着管子对流。反应器的设计可能涉及预混气体的加热或反应物的单独加热。在设计用于化学动力学解释的流动反应器中，目标是实现推塞流的情况，即在反应器横截面上成分和温度是均匀的，轴向扩散可以忽略不计。为了实现这一点，混合物用惰性气体高度稀释，总流量很大。这将反应区延伸到相当大的物理距离上，并且轴向浓度梯度和温度梯度很小。在这种情况下，扩散效应可以忽略不计，与对流相比，扩散效应可以忽略不计。反应区的较大物理距离还允许对产品进行气体采样以及气体温度测量。样品在流动方向的不同轴向位置提取，具有不同的停留时间。通过对流动反应器中气体速度的测量或假设，采样距离与实验时间相关，从而将一维的准稳态空间问题转化为零维的时间问题。这样，流动反应器为直接而详细地测量化学动力学提供了实验机会。
流量计的数据可能会受到实验不确定度的影响。这项技术的潜在问题包括反应物的不完全混合，温度和浓度的径向梯度，以及与气体采样技术相关的问题。从本质上讲，流动反应器提供了简单的物质和温度测量，但适用于高度稀释的混合物的相对缓慢的反应条件。普林斯顿大学的变压流动反应器可以在0.2~20bar的压力范围内工作，温度可达1200K(Vermeersch等人，1991；Kim等人，1994)，这是流动反应器典型的操作条件上限。
1.2.3完全搅拌反应器
搅拌良好的反应器，或称均匀搅拌反应器，是指在反应器内实现完美混合的反应器。该反应器为有吸气和排气的定容反应。这些系统通常在恒压和稳定状态下运行。搅拌良好的反应器通常采用高速进口-射流方法进行设计。由于高强度湍流混合，理想情况下，温度和浓度可以假设为均匀分布。因此，快速混合导致纯动力学控制的样品条件。由于混合的原因，从排气口排出的混合物与反应器内部的混合物处于相同的条件。出口混合物的组成可以作为停留时间的函数来测量。在这些反应器中的平均停留时间通常定义为反应器内的质量与反应物的质量流速的比值，该比值可以通过改变质量流速来改变。通过改变停留时间，反应物从低转化率到高转化率。
搅拌反应器最重要的实际问题是如何实现足够快的混合。一个隐含的假设是，混合的时间尺度比反应器中流体的化学反应时间短得多。在实验情况下，可能存在偏离这一行为的情况。特别是在高温下，大多数燃烧反应都非常快，化学时间常数可能与混合时间相当。在这些条件下，实验结果会受到混合的影响。根据经验，在高于1300K到1400K的温度下获得的搅拌良好的反应器数据应该谨慎使用。然而，由于没有要在空间上分辨的反应区(如流动反应器)，充分搅拌的反应器可以以较低的稀释和较短的停留时间运行，因此可以在比流动反应器更高的温度下研究反应。但是，为了减少温度梯度和热释放，仍然使用高度稀释。因此，在稳态下运行是可能的。由于这些反应器在稳态条件下运行，有关化学反应的时间演变的信息并不容易获得。例如，已在射流搅拌反应器中研究了正庚烷的氧化，温度范围为550K至1150K，压力高达40bar，但使用的混合物是高度稀释的(0.1%燃料)，以减少反应器内的温度梯度和热释放，并保持稳定状态(Dagaut等人，1995年)。
1.2.4激波管
激波管被广泛用于研究混合气体在比流动反应器和充分搅拌反应器更高的温度和压力下的自燃特性。在激波管中，高压下的惰性驱动气体被一个薄膜片从含有潜在反应物的几米长的部分中分离出来。反应物通常在惰性气体中稀释，并在明显较低的压力下制备。刺穿隔膜会产生冲击波，将反应物混合物压缩到所需的温度和压力。点火延迟时间通常是在反射冲击波之后测量的。点火延迟时间被定义为冲击波到达和燃烧开始之间的时间间隔，该时间间隔由压力轨迹确定，通常由压力轨迹或中间燃烧物种(例如，CO、OH)的发射/吸收光谱推断。在激波管中，已经获得了高达550bar和2800K的压力和温度(例如Sivaramakrishnan等人，2004年)。斯坦福大学的高压激波管能够获得高达1000atm的反射激波压力(Petersen等人，1996年)，然而，由于边界层效应和反射波的干扰，观测时间通常被限制在5ms以下。因此，实验条件受限于化学诱导时间非常短的压力和温度区域。
1.2.5快速压缩机
快速压缩机(RCM)模拟发动机的单个压缩过程。它提供了一种模拟绝热压缩和点火过程的简单方法。反应室中封闭的气体在几毫秒(通常为20到40毫秒)内被压缩到高压和高温，并允许反应在恒容、恒质室中进行。通常，可以获得大于50bar的压缩后压力和大于1000K的温度。为了避免大量的热损失和到达其末端位置之前发生的反应，要求活塞移动得非常快。为了达到这些高速度，活塞通常由气动驱动。可以通过改变压缩比、初始压力、温度和混合物组成来控制压缩后的压力和温度历史。
在快速压缩机中，主要实验数据由反应混合物的压力轨迹组成。使用N2作为测试气体的典型压力示踪，如图1.1所示，在压缩行程期间压力迅速上升，随后由于压缩结束时恒容室的热损失，压力逐渐降低。此外，对于反应混合物，当存在合适的压力和温度条件时，在一定的点火延迟后观察到点火，如图1.2所示。点火延迟通常被定义为从观察到压力峰值时的压缩行程结束到点火引起的压力迅速上升的时间。因此，快速压缩机可以直接测量点火延迟。
在下一节中，我们将详细讨论与快速压缩机相关的优势和挑战。
1.3快速压缩机的优势和挑战
快速压缩机是研究可燃混合物高压自燃的一种很好的工具，因为它可以直接测量着火延迟期。此外，可以通过在诱导时间内从反应混合物中取出样品并分析物种浓度来研究自燃化学。这种测量虽然比流动反应器中的物种测量困难，但仍然是可能的。与激波管相比，RCM的优势在于能够提供更长的实验持续时间。由于反射波的干扰，激波管中的实验持续时间被限制在5ms以内。在RCM中，由于不存在干扰问题，并且实验持续时间仅受冷壁热损失的限制，因此可以获得比激波管大一个数量级的实验持续时间。因此，RCM提供了在激波管反应太慢的条件下研究加压燃烧的途径，激波管通常跨越从600K到1100K的中间温度范围。
中温区自燃现象在广泛的应用领域具有重要的实用价值。例如，在均质充气压缩点火(HCCI)发动机中，这是实现燃烧的理想方式，而在火花点火(SI)发动机中，它会产生不需要的“爆震”(Hu和Keck，1987)。在发生两阶段着火和负温度系数(NTC)现象的中间温度范围内进行化学研究(例如Griffiths等人，1993b)，可以更好地理解碳氢化合物的氧化，最终目的是控制自燃现象。通过使用添加剂控制自燃对HCCI发动机的影响，燃烧阶段和控制发动机负荷和速度范围内的放热率是关键挑战(Tanaka等人，2003b)。从安全的角度来看，可能会出现不想要的自动点火的情况。例如，预混燃料和氧化剂可能存在于燃烧室的进气歧管中，如果自动点火延迟时间短于停留时间，则点火可能发生在歧管中，而不是在燃烧室中。特别是，在高压和高温下运行的稀薄预混燃烧系统中，预混管道中的自燃和回火现象被证明是一个严重的问题，这导致了这些先进系统的可靠性问题。HCCI发动机和LPP(稀薄预汽化预混)燃气轮机的发展在很大程度上取决于理解、控制和准确预测自燃的能力。从根本上讲，高压自燃对于建立燃烧模型的动力学机制具有重要意义。
与其他实验设施一样，RCM也面临着与之相关的挑战。已经观察到，即使在相似的条件下，在不同的RCM中获得的数据也可能在数量上不同(Minetti等人，1996a；Griffiths等人，1997年；Silke等人，2005年；Wurmel和Simmie，2005年)。这种差异归因于不同RCM中复杂的气动和热损失效应。虽然原则上RCM 模拟了单个压缩事件，避免了发动机中存在的复杂空气动力学，但影响反应混合物状态的复杂空气动力学特性可能存在于反应室中。各种研究(Daneshyar等人，1973；Griffiths等人，1993a；Lee和Hochgreb，1998a；Clarkson等人，2001年)已经表明，压缩行程期间活塞的运动产生了卷起的涡流，这导致来自边界层的冷气与核心区的热气混合。图1.3描述了由于活塞运动而产生的涡流。这种混合导致难以准确表征反应混合物的状态。由于卷起涡流的作用，反应室内存在温度不均匀性，反应在不同的位置会进行不同程度的反应。
图1.1RCM中惰性气体压缩的典型压力轨迹。试验气体-氮气；
初始条件：P
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[237129]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
