直喷式柴油机燃烧中多环芳香烃形成的数值研究.pdfVIP

直喷式柴油机燃烧中多环芳香烃形成的数值研究 席 军1 钟北京2 (1四川大学化学工程学院，四川成都，610065； ，2清华大学航天航空学院，北京，100084) 【摘 要】 本文使用正庚烷作为模拟燃料，基于柴油机非稳态层流小火焰燃烧模型，结合正庚烷燃烧 柴6102bzl型直喷式柴油机缸内实际工作过程和多环芳香烃组分(笨、萘、菲和芘)的生 成进行了数值模拟。研究结果表明：多环芳香烃组分的浓度随着曲轴转角的增加先增大后 减小。 【关键词】 数值模拟；多环芳香烃组分；柴油机非稳态层流小火焰模型；化学反应动力学模型 0 引言 1 化学反应动力学模型 柴油机燃烧排放的炭烟颗粒物是大气环境的主要污 由于柴油机气缸内湍流燃烧问题非常复杂，采用详 染物之一。随着柴油机排放法规的日益严格，控制柴油 细化学反应机理进行模拟对计算机速度和存储量的要求 机炭烟等污染物的排放已成为评价柴油机性能的一个关 非常苛刻，若再将其与考虑湍流的CFD多维模型耦合 键指标。炭烟的生成主要是由于燃料的高温裂解和不完 计算，在当前的计算机资源条件下，计算量非常巨大， 全燃烧，对人体和环境的危害极大。炭烟的生成过程比 因此需要对详细化学反应机理进行简化。 较复杂，一般认为可以分为成核和长大两个阶段。成核 这里构造的详细化学反应机理描述了从苯、萘、菲 是小分子碳氢化合物脱氢、化合，形成大分子的芳香烃 直到芘等芳香烃组分的生成和氧化。该机理包括c-和 和多环芳烃；长大是由多环芳香烃迸一步向小颗粒的转 C2组分的裂解，直至C6的链状类分子和苯、芘的生成 变，通过小颗粒碰撞、凝聚以及固相颗粒通过吸收气体 以及芳香烃的氧化。苯环一旦形成，则可通过如下两个 组分而成长为大的炭烟颗粒u]。 顺序过程生长：氢原子解吸附，以激活芳香烃分子；乙 在直喷式柴油发动机中，燃烧过程实质上是湍流扩 炔分子添加，以促使芳香烃分子的生长和环化反应，这 散燃烧过程。在此燃烧过程中，湍流流动和复杂化学反 就是所谓的“氢原子解吸附一乙炔分子添加·(HACA)” 应之间存在着强烈的非线性耦合作用，使得对燃烧现象 反应机理。此外，对于芳香烃燃料，环与环的直接化合 的模拟十分复杂。目前用于湍流扩散燃烧计算的燃烧模 过程在整个反应路径中也非常重要。详细的芳香烃生长 型主要有：涡耗散概念模型(EDC)、组分PDF输运模的HACA机理和环与环的直接化合过程可参见文献心]。 型、小火焰模型等心]。前两种模型在求解详细化学反应 我们使用敏感性分析法对正庚烷对冲扩散燃烧火焰 动力学问题时，需要求解所有组分的输运方程，每步基 中多环芳香烃生成的详细反应机理(包括108种组分、 元反应都必须与流场耦合，计算量非常巨大。小火焰模 572个基元反应)进行了简化，得到了可与CFD多维 型将湍流火焰看作是由一系列具有相同简单结构的离 模型耦合计算的简化机理[3]，该机理包括57种组分、 散、稳定的层流火焰组成的集合。该模型主要用于解决 86个基元反应。简化机理和详细机理的计算结果非常 由于空气动力学应变而导致的局部非平衡化学反应过 吻合，表明该简化机理能够精确地描述正庚烷对冲扩散 程，其优点是当考虑详细化学反应动力学和分子输运过 火焰的燃烧特性，并且能够定量地预测多环芳香烃(例 程时，可以将化学反应动力学和湍流运动之间强烈的耦 如A。、A。、A。和A。等)的生成。 合关系解耦，从而大大减少计算量。 本文用正庚烷作为模拟燃料，基于柴油机非稳态层 2柴油机非稳态层流小火焰模型 流小火焰燃烧模型，结合正庚烷燃烧的化学反应机理