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不同二氧化碳/氧气环境下柴油的燃烧特性分析

时间:2020-11-16 来源:北京建筑大学 本文字数:5755字
作者:向祺 单位:北京建筑大学

  摘   要

  
  柴油机具有热效率高、可靠性强、适应性好、比油耗低等优点,广泛应用于工程机械、运输车辆和军事装备中。然而,柴油机的排放污染物不容忽视,其中包括大量的二氧化碳、氮氧化物和颗粒物。特别是在隧道、地铁、水下等空气不流通的封闭环境中,二氧化碳的排放需要严格控制。液氧固碳闭式循环柴油机能有效减少排放物对工作人员的影响,满足日益严格的排放要求。柴油在该系统下进行燃烧时,背景气体为二氧化碳/氧气的混合物。因此,对柴油在该成分背景气体下燃烧特性的研究甚为迫切。



不同二氧化碳/氧气环境下柴油的燃烧特性分析
 

  
  本文针对不同二氧化碳/氧气环境下柴油的燃烧特性的进行研究,采用计算和试验相结合的方式来展开研究。首先,提出了柴油在二氧化碳/氧气环境中喷雾燃烧的动态化学当量比模型,建立了定容燃烧弹物理模型和柴油表征燃料(正庚烷)的化学模型,基于 Converge 燃烧仿真软件进行了计算,得到了柴油在二氧化碳/氧气环境下燃烧的火焰浮起长度及火焰温度云图的分布情况。其次,搭建了定容燃烧弹与高速摄像机相结合的可视化试验系统,详细介绍了系统组成、操作流程及试验工况。对柴油喷雾燃烧过程进行可视化试验,利用直拍法获得了不同二氧化碳/氧气环境下柴油喷雾燃烧的过程图像。最后,对柴油在空气和不同浓度二氧化碳/氧气环境下燃烧过程、温度云图分布及火焰浮起长度的异同点进行讨论,并对试验中火焰自然光度的变化以及计算结果中火焰温度云图的分布进行分析。
  
  研究结果表明:柴油喷雾在空气与二氧化碳/氧气环境下燃烧特性有极大差异,柴油在二氧化碳/氧气环境下的火焰浮起长度和火焰温度云图的仿真结果与试验结果吻合,初步证明了本文建立的计算模型计算柴油在二氧化碳/氧气环境下火焰浮起长度的准确性。当二氧化碳浓度小于 43%后,火焰浮起长度受二氧化碳浓度影响的减弱。在不同二氧化碳/氧气环境下,柴油火焰上游区域温度分布变化明显。但是,火焰下游区域的温度分布没有明显的差异。火焰浮起长度变化曲线呈现出相同的趋势:首先急速下降,然后轻微下降,最后迅速上升。随着二氧化碳浓度的增高,火焰浮起长度与火焰自然发光度均有所增加,同时火焰自然发光度的峰值增加且滞后出现。
  
  关键词:    柴油;燃烧特性;定容燃烧弹;Converge;二氧化碳/氧气环境。
  

  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    绪 论
 

  
  1.1、研究意义。

  
  1784年英国发明家瓦特发明了蒸汽机,作为跨时代的发明拉开了产业革命的序幕。随后德国人奥托和迪赛尔分别于1876年和1897年推出了汽油机和柴油机,成为了继蒸汽机之后的又一里程碑,也为现代内燃机发展的奠定基础。第一台柴油机诞生的一个多世纪以来,经过前人艰辛的科研和无数科学爱好者的努力,其性能已经到达了一个较高的水平,在经济性、动力性、稳定性等方面具有显着的特点。车用柴油机逐渐走向人们的视野,给人民的生活带来了便利,成为了现代社会不可或缺的动力源机械。经过二十世纪五十年代初兴起的增压技术和七十年代开始的电子技术的应用,以及近年来涡轮增压、电子控制、废气再循环等先进技术的应用使得柴油机的燃烧效率得到进一步增加[1-5]。然而,柴油机的大规模始终受到能源与环境两个条件的制约,其一是柴油机使用的动力源主要依靠燃烧储存量有限的化石燃料,其二是柴油机尾气对环境的影响愈演愈烈。[6-12]
  
  自1993年起我国由石油的出口国转为进口国,我国石油消耗中,占半数以上的石油来自国外,并且进口比例越来越大。目前全世界使用的能源有百分之九十取自化石燃料,从资源储量来看,现在全世界煤炭已探明资源总量约为10万亿吨,石油为1800亿吨,天然气为181万亿m3。大气污染是环境污染的重要方面,也是控制与治理较为困难的方面,汽车尾气占城市污染的较大比重。柴油机尾气是指柴油发动机燃烧柴油后喷出的尾气,尾气中含有上百种不同的化合物,这种气体排放物不仅气味怪异,而且令人头昏、恶心,影响人的身体健康。
  
  2017年10月27日,世界卫生组织国际癌症研究机构将柴油发动机排放物列于一类致癌物清单中[13]。随着经济的发展和人民日益增长的生活水平,据公安部发布的数据显示,我国的机动车及汽车保有量呈现逐年增长的态势,2019年中国机动车保有量达3.48亿辆,其中汽车保有量达2.6亿辆,同比2018年增长了8.83%,近五年的数据显示,随着经济的发展,我国机动车保有量每年平均增加1380万辆。
  
  依据统计数据显示,全国3.48亿辆机动车中,汽车占2.6亿量,即按照三口之家计算,平均每两户居民就拥有一台汽车。机动车污染物成为我国空气污染的重要来源,更是雾霾的主要“贡献者”。除了环境的危害外,摸不着的汽车尾气还悄悄侵蚀着人们的健康。[14]
  

  

  
  汽车尾气中含有上百种不同的化合物,其中的污染物有固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等。英国空气洁净和环境保护协会曾发表研究报告称,与交通事故遇难者相比,英国每年死于空气污染的人要多出10倍。发动机尾气在直接危害人体健康的同时,还会对人类生活的环境产生深远影响,间接影响人类生命。尾气中的二氧化硫具有强烈的刺激气味,达到一定浓度时容易导致“酸雨”的发生,造成土壤和水源酸化,影响农作物和森林的生长。
  
  目前,柴油机作为主要的动力源机械在生产生活中扮演着重要的角色。[15-16]然而在一些特殊环境下,柴油机的污染排放却成为了主要问题。例如在隧道,坑道等有限空间下的工程建设中,常规柴油机会消耗大量空气,排放二氧化碳等有害气体,影响施工人员的正常的呼吸,更有甚者会出现窒息或死亡的情况。由于外界氧气缺乏及二氧化碳等气体过多使施工人员呼吸系统发生障碍而导致呼吸困难甚至停止呼吸危及生命的现象近年来时有发生。
  
  2015年3月31日,陕西省佛坪县一引水隧道工程发生缺氧中毒窒息事故,施工期间,隧道内的通风设施存在严重安全隐患,4#隧道的施工现场既没有通风设备也没有空气检测设备,发生缺氧中毒窒息事故,造成2人死亡2人受伤,直接经济损失1772993元。
  
  2015年08月12日,广西省玉林市一起道路改造工程中,由于通风条件差,在有限空间中作业导致中毒窒息事故,最终酿成3人死亡的较大事故。
  
  2018年5月16日,河南省郑州市中牟县,山东省邮电工程有限公司在为中国移动通信集团河南有限公司郑州市中牟分公司安装地下光缆时发生中毒窒息事故,导致3人死亡。以上事故的发生给土建工程等项目敲响了警钟,在封闭条件下施工在注意通风问题的同时尤其要注意二氧化碳排放问题,切记此类事故再次发生。
  
  为了保证封闭环境下施工人员的安全,迫切需要提出一种改进办法来解决有限空间内二氧化碳的排放问题,近年来裴普成等提出了液氧固碳闭式循环柴油机[17],这种封闭式循环柴油机能够满足在有限空间内的使用要求,对空间内的氧气浓度要低,不与施工人员抢夺氧气,成为了在封闭环境下柴油机的一种新选择。
  
  与传统柴油机相比,液氧固碳闭式循环柴油机不需要外界氧气,氧化剂来自于该系统自带的液氧瓶,燃烧产物不向外界排放,利用液氧气化吸收的热量来冷却二氧化碳,使之成为干冰,其余未被冷却凝华的二氧化碳和气化的氧气一同进入燃烧室,使柴油在二氧化碳/氧气环境中燃烧。该无需额外的进排气处理系统,只需要液氧固碳装置,同时,因为进气中没有氮气,氮氧化物的生成量基本可以忽略。高浓度的氧气有利于柴油与氧气充分混合,提高柴油热效率。同时,高浓度的二氧化碳会抑制富氧燃烧,柴油燃烧将会滞后,放热率和发动机爆震的倾向将会降低[18]。美国阿贡国家实验室提出的锅炉二氧化碳/氧气燃烧技术,采用来自于空气分离的纯氧和其余循环烟气的混合气体来替代空气与燃料燃烧,使燃料在高浓度二氧化碳中燃烧。液氧固碳闭式循环柴油机与锅炉二氧化碳/氧气燃烧技术有异曲同工的优点:无氮循环、高浓度二氧化碳、污染物排放低。
  

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  1.2、国内外研究现状
  1.2.1、火焰浮起长度国内外研究现状
  1.2.2、柴油富氧燃烧国内外现状.
  1.3、本文研究的主要内容
  
  第2章  计算模型
  

  2.1、动态化学当量比(DCER) 模型
  2.2、基本控制方程
  2.2.1、质量守恒方程
  2.2.2、动量守恒方程
  2.2.3、能量守恒方程
  2.2.4、组分质量守恒方程
  2.3、湍流模型
  2.4、喷雾模型
  2.5、燃烧模型
  2.6、物理模型建立
  2.7、化学反应动力学模型
  2.8、计算工况
  2.9、本章小结
  
  第3章  试验设备及图像处理方法.
  
  3.1、试验参数设置
  3.2、试验测试系统搭建
  3.2.1、定容燃烧弹系统
  3.2.2、高压共轨喷射系统
  3.2.3、图像数据采集系统
  3.2.4、水冷循环控制系统
  3.3、数据处理方法,
  3.4、本章小结
  
  第4章  数据分析
  
  4.1、燃烧过程
  4.2、火焰温度云图
  4.3、火焰浮起长度.
  4.4、火焰自然发光度
  4.5、本章小结
  

结  论

  本文通过计算与试验相结合的方式,对不同二氧化碳/氧气环境下柴油的燃烧特性展开研究。首先,推导了DCER模型,建立了定容燃烧弹物理模型和柴油表征燃料正庚烷的化学模型,基于Converge燃烧仿真软件计算,得到了柴油在二氧化碳/氧气环境下燃烧的火焰浮起长度及火焰温度云图的分布情况。其次,搭建了定容燃烧弹与高速摄像机相结合的试验系统,详细介绍了系统组成、操作流程及试验工况。对柴油的着火燃烧过程进行可视化试验。最后,对柴油在空气和不同浓度二氧化碳/氧气环境下着火燃烧过程、火焰温度云图分布、火焰浮起长度以及火焰自然发光度进行讨论。得到结论如下:

  (1)柴油在空气与二氧化碳/氧气环境下燃烧特性有极大差异,柴油在二氧化碳/氧气环境下的火焰浮起长度和火焰温度云图的仿真结果与试验结果吻合,初步证明了本文建立的计算模型计算柴油在二氧化碳/氧气环境下火焰浮起长度的准确性。

  (2)在不同二氧化碳/氧气环境下,柴油火焰上游区域温度分布变化明显。同时,火焰下游区域的温度分布没有明显的差异。

  (3)二氧化碳/氧气环境对的柴油喷雾燃烧火焰浮起长度影响非常明显,氧气浓度的增加极大的促进了柴油与氧气的混合,缩短了柴油喷雾卷吸氧气的时间,加速了可燃混合物的形成速率。当二氧化碳浓度小于43%后,火焰浮起长度受二氧化碳浓度影响的减弱。

  (4)柴油喷雾在空气、二氧化碳/氧气环境中,火焰浮起长度变化曲线呈现出相同的趋势:首先急速下降,然后轻微下降,最后迅速上升。随着二氧化碳浓度的增高,火焰浮起长度与火焰自然发光度均有所增加,同时火焰自然发光度的峰值增加且滞后出现。

  参考文献

  原文出处:向祺. 二氧化碳氧气环境对柴油燃烧特性的影响研究[D].北京建筑大学,2020.
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