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含水ABE预混层流燃烧特性研究

张海亮  
【摘要】:生物丁醇作为一种清洁的生物质燃料,已被越来越多的学者关注和研究,然而在实际制取过程中,为了将其从发酵液中提取出来需要进行分离和提纯,该过程需要额外增加生产能耗,也限制了生物丁醇更广泛的应用,因此研究其发酵中间产物ABE(丙酮、丁醇和乙醇体积比为3:6:1)或含水ABE燃料在发动机中的燃烧特性就显得很有必要。含水ABE燃料相比ABE燃料对生产工艺的要求大大降低,因此在保证动力性能的同时还可极大的节约生产成本。含水ABE燃料作为丁醇发酵的中间产物,可作为成本更低的清洁燃料应用于交通运输中,虽然含水ABE燃料已经被研究学者开始关注,但是对其基础层流燃烧特性相关研究仍然比较匮乏。基于前期已经初步开展的关于ABE燃料的层流燃烧特性的研究,本文主要通过试验和模拟对含水ABE燃料的层流燃烧特性进行了研究。试验研究结果表明:层流燃烧速度随着含水量的增加逐渐降低,随当量比的增加先增加后减小,随温度的增加逐渐增加,随压力的增加逐渐减小;马克斯坦长度随含水量的增加逐渐增加,特别的,在当量比1.4时含水量的增加对马克斯坦长度的影响不大,随当量比的增加逐渐减小,随着温度的增加变化不明显,随着压力的增加逐渐减小。将模拟和试验获得的层流燃烧速度进行对比发现模拟结果能很好地预测试验结果,在此基础上进一步对含水ABE层流火焰的化学动力学进行了分析:在含水ABE层流火焰中,含水量和初始条件对稳定组分和火焰温度影响比较明显;不同基元反应随含水量和初始条件的变化对层流燃烧速度的影响均不相同,但是其中正影响最大的基元反应均为反应R1,主要是由于该反应生成对层流燃烧过程起促进作用的自由基O和OH,相反的,对层流燃烧速度负影响最大的基元反应均为消耗自由基H和OH的反应R8;在含水ABE层流火焰中,层流燃烧速度的变化与O、H和OH的摩尔浓度变化有明显的关系,含水量和初始条件变化对O、H以及OH的摩尔浓度的影响趋势与对层流燃烧速度的影响结果相一致,此外,随着轴向距离的增加,HO_2、CH_3、O、H和OH的浓度依次增加,通过与所对应的温度进行对比,发现HO_2和CH_3的生成和消耗都发生在温度较低时,O、H和OH则在温度超过1200K时开始出现在反应中。


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