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氢-空气-废气掺混燃烧与排放特性研究

姚海春  
【摘要】:由于氢燃料燃烧速度比汽油快,会使火焰面的温度远高于汽油燃烧的温度,因而氢燃料用于内燃机时会产生大量的NOx排放,因此控制NOx排放成为目前研究氢内燃机的一个主要方向。本文通过试验及仿真方法研究了氢气-空气预混层流燃烧特性。首先搭建了预混层流燃烧试验测试平台,根据气体分压定律得到了氢气-空气-稀释气混合气的分压计算公式。利用MATLAB软件编写了一套适用于球形扩散火焰半径准确获取的程序。针对本文的研究对象氢气-空气预混层流燃烧。利用CHEMKIN软件的PREMIX模块进行了氢气-空气预混层流燃烧的化学反应动力学机理研究,其中Conaire整合机理有29个基元反应。火焰在发展初期受到点火能量影响,在发展末期受到温度和压力变化影响,这两个阶段内的火焰传播并不满足马克斯坦理论。因此,选取火焰半径在6~25mm范围内的数据进行拉伸火焰传播速度与拉伸率的线性拟合,从而得到马克斯坦长度及无拉伸层流火焰传播速度。马克斯坦长度随当量比的增加而增加,即随着当量比的增加火焰稳定性增加。随着当量比的增加,无拉伸层流火焰传播速度与燃烧速度均呈现先增加后减小,在当量比为1.8时达到峰值。峰值分别为:24.29m/s和5.55m/s。通过计算得到火焰质量燃烧率、火焰厚度随当量比的变化关系,质量燃烧率随当量比的变化规律与氢气-空气预混层流燃烧速度一致,而火焰厚度随当量比的变化规律与氢气-空气预混层流燃烧速度则刚好相反。最后研究了不同初始温度、不同掺氮比、不同废气掺混条件对氢气-空气预混层流燃烧特性,并利用CHEMKIN分析了各工况下燃烧主要产物及活性自由基的生成规律,最后对NO的生成进行了分析。随着初始温度的增加,氢气-空气预混燃烧无拉伸层流火焰传播速度增加,层流燃烧速度增加;随着初始温度的增加,反应过程中火焰温度增加,但是增加幅度不是很明显;反应区中H/H+OH/H+OH+O最大摩尔分数与层流火焰燃烧速度有极大的相关性。NO随着初始温度的增加而增加,从74ppm增加到240ppm。随着混合气掺氮比的增加,无拉伸层流火焰传播速度与燃烧速度均呈现下降趋势;随着掺氮比的增加,拉伸火焰传播速度与拉伸率拟合直线的斜率逐渐趋近于零,说明火焰变得不稳定,缘于掺氮比的增加实际上减小了混合气中氢气的含量。随着掺氮比的增加,已燃气体温度急剧降低,导致NO生成量下降明显,从74ppm将至0ppm附近。废气掺混对氢气-空气预混层流燃烧特性影响的规律与掺氮方式类似。但是,相同掺混量下,废气掺混模式对层流燃烧速度及火焰温度的影响更大,降低NO排放的幅度更大。


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