基于试验及数值模拟的柴油和丙酮丁醇乙醇碳烟形成机理研究

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1、学校代号10532学号B1002S0018分类号TK417密级公开博士学位论文基于试验及数值模拟的柴油和丙酮/丁醇/乙醇碳烟形成机理研究学位申请人姓名赵智超培养单位机械与运载工程学院导师姓名及职称刘敬平教授学科专业机械工程研究方向发动机性能优化及数值式开发论文提交日期2015年5月10日湖南大学学位论文原创性声明胃？本人郑巧卢明：所Ｖ．交的论文是本人化导帅的指导Ｋ独义进１ｒ研究所取得的研究成义。除了文中特别加Ｌ：！标化引用的内容外，本论文不包含任＇何其化个人或化化已经发；衷或撰勺的成义作品。对本文的研究做出巧要

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4、fsootmechanismofdieselandAcetone-Butanol-EthanolblendsbyZHAOZhichaoB.S.(HunanUniversity)2008AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofDoctorofEngineeringinMechanicalEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorLIUJingpin

5、gMay,2015基于试验及数值模拟的柴油和丙酮/丁醇/乙醇碳烟形成机理研究摘要以柴油机为代表的压燃式发动机，由于其高效性、可靠性和耐久性，成为当今车辆和动力机械的主要动力源之一。然而，对柴油和化石燃料的过度依赖也导致能源危机、全球环境恶化和人类疾病等一系列问题的产生。碳烟作为柴油机的主要排放物之一，是大气中可吸入颗粒物的主要来源。尽管在这方面开展了大量的研究，但柴油机碳烟生成机理研究和机内净化技术仍存在众多难点。同时，丙酮/丁醇/乙醇混合物（Acetone-Butanol-Ethanol，简称ABE）作为生物丁醇的上游产物，得

6、到日益广泛的关注，但关于其燃烧和碳烟生成机理的研究尚不成熟。正是基于以上考虑，本文采用试验与数值模拟相结合的方法，开展了柴油和ABE碳烟形成机理的研究。在试验研究方面，本文分别基于定容弹和某乘用车柴油机开展了两组试验。定容弹试验中，在不同初始温度（800K、900K、1000K）和氧浓度（21%、16%、11%）工况下，采用前置消光法对柴油和ABE燃烧过程的碳烟瞬时质量和空间分布进行了测量。与此同时，在柴油机试验中，对不同EGR率下（0%、15%、30%、45%、55%、60%）的稳态碳烟排放进行了测量。在数值模拟方面，本文提出

7、了一个通用的ABE现象学碳烟模型，并通过定容弹多工况下的实验结果进行了验证。同时，根据质量守恒原理以及碳烟表面氧化和表面生长的竞争关系，建立了碳烟表面氧化对碳烟数密度的修正模型，据此对原9步法柴油碳烟模型的改进，并应用于ABE碳烟模型中。此外，对比了改进前后柴油碳烟模型的颗粒尺寸预测结果，以及改进后的模型与Hiroyasu-Nagle/Strickland模型（即HNS模型）、Fusco模型在碳烟预测精度和趋势方面的差异。为进一步研究柴油和ABE的碳烟形成机理以及初始温度、氧浓度、EGR率的影响规律，本文基于KIVA耦合上述碳烟

8、模型，对柴油和ABE在试验工况下的喷雾燃烧过程进行多维数值模拟，并对比分析了两种燃料碳烟生成过程的差异和原因。研究结果表明：（1）经试验标定后，本文提出的ABE现象学碳烟模型以及改进后的柴油碳烟模型能在广泛的工况范围内准确预测碳烟生成趋势。（2）当燃烧区域存在强