二甲醚/甲醇二元燃料着火及火焰传播的实验和理论研究

The ignition delay times of dimethyl ether/methanol blended fuels at elevated pressures will be experimentally measured with high-pressure shock tube setup under different initial temperatures, initial pressures, equivalence ratios and different blending ratios. The correlations of ignition delay times and mixture characteristics will be clarified. Laminar flame speeds of mixtures at elevated pressures conditions will be collected in a dual-chambered, pressure-release type high-pressure combustion apparatus, and the effect mechanism of fuel addition on flame speeds and kinetics will be revealed. Based on the ignition delay times and flame speeds data obtained experimentally, the detailed kinetic models of dimethyl ether/methanol blended fuels will be developed and optimized by sensitivity analysis, reaction path analysis and rate of production analysis. Moreover, a skeletal kinetic model suitable for CFD simulation will be created. This research has important scientific significance on developing and optimizing the ignition and combustion theory of dimethyl ether/methanol blended fuels and also provides reliable experimental support and theoretical guidance for the combustion optimization and numerical simulation of dimethyl ether/methanol blended fuels fueled engine, which has important application value.

本项目针对二甲醚/甲醇二元燃料的着火和层流燃烧特性进行研究。利用高压激波管测定不同压力、温度、当量比及掺混比条件下二甲醚/甲醇二元燃料的着火延迟期，揭示着火延迟期与热力学参数和混合气参数间的规律；利用高温高压双腔定压式燃烧弹测定不同压力、当量比及掺混比条件下二甲醚/甲醇二元燃料的层流燃烧速率，揭示初始压力及甲醇掺混对燃烧速率的影响机制；基于实测的着火延迟期和层流燃烧速率，评价二元燃料的反应动力学模型；采用敏感性分析和生成速率分析手段分析不同条件下主要敏感物种和基元反应的变化规律，优化关键基元反应的速率常数，发展适用于模拟二甲醚/甲醇二元燃料着火和燃烧的详细化学反应机理，开展机理简化研究，构建适用于CFD模拟的简化的骨架机理。本研究对发展和优化二甲醚/甲醇二元燃料着火和燃烧理论具有重要的学术价值，为二甲醚/甲醇二元燃料发动机的优化和数值模拟提供理论指导和实验支撑，具有重要的应用指导价值。

随着世界能源形势的日益严峻和环境污染的日趋恶化,人们对发动机清洁可替代燃料的关注也日益增加。二甲醚与甲醇掺混,能得到优越的燃烧及排放性能,目前对于二甲醚/甲醇混合燃料发动机燃烧特性方面的研究较多，但燃烧基础方面的数据比较欠缺,对二甲醚/甲醇混合燃料的燃烧细节的报导也很少。本项目主要针对二甲醚/甲醇二元燃料的着火和层流燃烧特性进行了研究。. 利用高压激波管测定了不同初始条件下二甲醚/甲醇二元燃料的着火延迟期，分析了着火延迟期与热力学参数和混合气参数间的规律；测定了不同初始条件下二元燃料的层流燃烧速率，分析了初始压力及甲醇掺混对燃烧速率的影响机制；基于实测的着火延迟期和层流燃烧速率，评价了二元燃料的反应动力学模型，并采用敏感性分析和生成速率分析手段分析了不同条件下主要敏感物种和基元反应的变化规律。. 研究发现：着火延时对温度和压力都形成了典型的阿累尼乌斯（Arrhenius）关系，且发现混合气的活化能对压力变化敏感度不高；二甲醚的加入会抑制混合气的着火，在高温时，温度是影响燃料着火的最主要因素；甲醇掺混度为60%之前,随甲醇掺混度的增大,火焰传播速度增大。在甲醇掺混度大于60%以后,随甲醇掺混度的增大,火焰传播速度反而减小;随甲醇掺混度的增大,混合燃料燃烧时的绝热火焰温度呈下降趋势,而随当量比的增加呈现先上升后下降的趋势；层流燃烧速度的大小主要受混合气中H、OH、O等自由基的影响,随着甲醇掺混度的增大,H和OH自由基摩尔分数降低,从而导致层流燃烧速度降低;二甲醚中添加甲醇,会对两种燃料的反应路径产生不同程度的影响,尤其是对于甲醇,相比纯甲醇,掺混二甲醚以后,反应中会有一部分CH3结合OH自由基生成CH3OH,进而对反应路径产生影响。. 本研究对发展和优化二甲醚/甲醇二元燃料着火和燃烧理论具有重要的学术价值，为二甲醚/甲醇二元燃料发动机的优化和数值模拟提供理论指导和实验支撑，具有重要的应用指导价值。