船用LNG-柴油双燃料低温氧化特性研究开题报告
2020-02-20 09:02
1. 研究目的与意义（文献综述）
柴油机具有较高的燃烧效率及可靠性等特点被广泛应用，但其燃料燃烧成为主要污染源之一，燃烧废气中污染物主要有nox和pm。目前排放法规日益严格并且能源需求的极速增长，而燃油是非可再生资源，导致燃油资源的储量不断消减。因此，为了缓解化石燃料使用需求及其储量之间的相互矛盾，同时须要降低污染物的排放，那么寻求可靠的替代燃料成为目前最有效的方法之一。众所周知，天然气（lng）作为一种替代燃料，已经引起广泛关注，表明lng燃料动力系统技术逐渐成为当前航运业应对日益严格的排放法规以及实现可持续发展所采取的主要应对对策之一。由于天然气的自燃温度和辛烷值较高，不易压燃，在实际应用中，通常采用lng-柴油双燃料燃烧模式（用柴油引燃天然气）。双燃料燃烧模式在不需要对传统柴油机进行较大改动的同时，能有效降低燃油消耗和排放，因此成为业内关注的焦点，具有广阔的应用前景和强烈的市场需求。
目前已有大量关于lng-柴油双燃料发动机的台架试验研究，但是发动机的优化试验数量随控制参数增加呈级数增加，且随着控制参数的不断增多，完全通过发动机台架试验去考察所有可能的工况运行点变得越来越困难。因此，lng-柴油双燃料发动机的研究逐渐从台架试验转向数值模拟研究，即通过建立精确的燃烧计算模型，开展相关模拟研究，为lng-柴油双燃料发动机的开发设计提供有效的理论支持和理论指导。
国内外对于lng和柴油各自的替代物模型及其化学动力学机理已经进行了大量的研究工作，lng多包含小分子物质，天然气化学动力学机理研究较为成熟，其中柴油的模型燃料已逐渐从单组分正庚烷发展为详细的多组分模型。
2. 研究的基本内容与方案
天然气的主要成分为甲烷，还包含少量的乙烷、丙烷、丁烷及CO2等物质；柴油组分则较复杂，有几百到上千种，主要包括直链烷烃、支链烷烃、环烷烃和芳香烃。目前，在研究柴油、汽油这类较复杂混合物的化学动力学机理时，通常采用构建替代物的方式简化研究，即把复杂的真实燃料替换为有限组分的混合物，同时保证这种替代物的关键物理化学性质与真实燃料相近似，从而使得真实燃料的化学动力学研究得以开展。由于正庚烷的十六烷值与柴油相近，因此本文将以甲烷/正庚烷作为LNG-柴油双燃料的替代物，而甲烷的反应路径又恰好包含在正庚烷机理之中，因此，本文将利用LLNL机理对甲烷/正庚烷低温氧化过程进行模拟。技术路线如下
本文数值模拟是在Chemkin软件中的完全搅拌反应器模型中使用瞬态求解器进行的，初始压力为1atm ,初始温度与当量比分别为800-1200K，0.5-2.0，停滞时间为1.4s、2.0s，对甲烷/正庚烷混合物燃料的反应路径、重要组分的浓度分布以及组分的摩尔分数的敏感性进行分析，探究中间体分布规律。甲烷/正庚烷混合物中正庚烷的含量在0-100%之间，具体如下表所见
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| CH4(%) | nC7H16(%) | O2(%) | N2(%) | 温度(K) |
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Φ=0.5 P=1atm τ=1.4s | M0 | 1 | 0 | 4 | 95 | 800-1200 |
| M10 | 0.9 | 0.1 | 5.8 | 93.2 | 800-1200 | |
| M50 | 0.5 | 0.5 | 13 | 86 | 800-1200 | |
| M100 | 0 | 0.5 | 11 | 88.5 | 800-1200 |
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| CH4(%) | nC7H16(%) | O2(%) | N2(%) | 温度(K) |
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Φ=1.0 P=1atm τ=1.4s | M0 | 1 | 0 | 2 | 97 | 800-1200 |
| M10 | 0.9 | 0.1 | 2.9 | 96.1 | 800-1200 | |
| M50 | 0.5 | 0.5 | 6.5 | 92.5 | 800-1200 | |
| M100 | 0 | 0.5 | 5.5 | 94 | 800-1200 |
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| CH4(%) | nC7H16(%) | O2(%) | N2(%) | 温度(K) |
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Φ=2.0 P=1atm τ=1.4s | M0 | 1 | 0 | 1 | 98 | 800-1200 |
| M10 | 0.9 | 0.1 | 1.45 | 97.55 | 800-1200 | |
| M50 | 0.5 | 0.5 | 3.25 | 95.75 | 800-1200 | |
| M100 | 0 | 0.5 | 2.75 | 96.75 | 800-1200 |
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| CH4(%) | nC7H16(%) | O2(%) | N2(%) | 温度(K) |
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Φ=0.5 P=1atm τ=2.0s | M0 | 1 | 0 | 4 | 95 | 800-1200 |
| M10 | 0.9 | 0.1 | 5.8 | 93.2 | 800-1200 | |
| M50 | 0.5 | 0.5 | 13 | 86 | 800-1200 | |
| M100 | 0 | 0.5 | 11 | 88.5 | 800-1200 |
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| CH4(%) | nC7H16(%) | O2(%) | N2(%) | 温度(K) |
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Φ=1.0 P=1atm τ=2.0s | M0 | 1 | 0 | 2 | 97 | 800-1200 |
| M10 | 0.9 | 0.1 | 2.9 | 96.1 | 800-1200 | |
| M50 | 0.5 | 0.5 | 6.5 | 92.5 | 800-1200 | |
| M100 | 0 | 0.5 | 5.5 | 94 | 800-1200 |
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| CH4(%) | nC7H16(%) | O2(%) | N2(%) | 温度(K) |
| Φ=2.0 P=1atm τ=2.0s | M0 | 1 | 0 | 1 | 98 | 800-1200 |
| M10 | 0.9 | 0.1 | 1.45 | 97.55 | 800-1200 | |
| M50 | 0.5 | 0.5 | 3.25 | 95.75 | 800-1200 | |
| M100 | 0 | 0.5 | 2.75 | 96.75 | 800-1200 |
3. 研究计划与安排
第1章 绪论
1.1研究背景
1.2国内外研究现状
4. 参考文献（12篇以上）
[1].王丙寅,刘岳曦,潘冠福.航空替代燃料低温氧化实验与模型研究[j].工程热物理学报,2017,v38(3):648–656.
[2].王丙寅,田振玉.乙炔和c9h12航空模型燃料的低温氧化研究[d].北京:中国科学院工程热物理研究所,2017.
[3].hockett a, hampson g, marchese a j. development and validation of a reduced chemical kinetic mechanism for computational fluid dynamics simulations of natural gas/diesel dual-fuel engines[j]. energy fuels, 2016, 30(3): 2414–2427.
