催化燃烧的数值模拟及其在均质压燃（HCCI）发动机中应用的基础研究

论文摘要

由于全球经济的飞速发展，能源危机和环境污染问题日益严重，传统能源利用技术的革新成为了备受关注的焦点问题，其中催化燃烧以其易燃性、低污染性、高效性及极广的可燃极限等优越性已经引起学术界和工业界的广泛关注。作为传统燃烧的一个主要代表以及能源消耗和环境污染的主要来源之一，汽车发动机正面临着节能和环保的双重压力，其中均质压燃（HCCI）发动机以其高经济性、低氮氧化合物（NOx）和微粒排放的突出优越性成为了目前发动机研究的主要方向之一。但其也有许多问题急待解决：着火定时的控制、运行范围的拓展及碳氢（HC）和一氧化碳（CO）排放过高等。由于催化燃烧具有传统燃烧模式所不具有的燃烧特性，同时也由于HCCI燃烧模式存在上述缺陷，因此可以将催化燃烧应用于HCCI发动机中来解决其存在的上述问题。本文首先通过数值模拟对催化燃烧过程进行了详细的研究，然后开展了此过程的近似解析求解及分岔分析，最后对催化燃烧在HCCI发动机中的基础应用进行了数值计算。主要目的是在充分认识催化燃烧过程的同时，对其在HCCI发动机中的应用进行探索性研究，为其实际应用提供理论依据。 首先，对微元管催化燃烧过程进行了详细的数值计算： 1、通过比较分析微元管催化燃烧数值模拟中的几种数学模型，建立了适合本文的数学模型（边界层模型）。利用此模型对微元管处于低入口压力的情况下甲烷在催化剂铂、铑表面的催化燃烧过程进行了分析，讨论了微元管的直径、入口气体速度、入口气体温度、混合气当量比及催化剂种类对催化燃烧过程的影响。结果发现微元管的物理参数及初始工况条件对反应物的转化率及生成物的选择性影响较大；通过数值计算结果与实验数据的比较，证明本文所采用的甲烷在铂、铑表面的详细反应机理能很好的反映甲烷的催化燃烧历程，同时本文所建立的数学模型是正确的。对乙烷在微元管中的催化燃烧过程进行了数值模拟，分别讨论了两种工况：混合气为C2H6、O2和N2及混合气为C2H6、O2、H2和N2。通过对计算结果与实验数据的对比分析，发现虽然两者之间存在些许误差，但总体趋势还是相当吻合的。 2、分析了当微元管处于高入口气体压力情况下气相反应对催化燃烧过程的影响，同时对甲烷在催化剂铂表面的详细反应机理进行了敏感性分析，找出了影响均相着火及非均相着火的关键反应步。结果发现当微元管入口气体压力较高时，气相反应对催化燃烧过程的影响不能忽略，同时随着压力的升高，其影响越大；对非均相着火起主要作用的表面反应步为CH4与O2的吸附反应及O2的解吸反应，对均相着火起主要作用的表面反应步为OH·的吸附及解吸反应及H2O的吸附及解吸反应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 催化燃烧数值模拟的研究现状
• 1.2.1 催化燃烧数值模拟中的数学模型
• 1.2.2 表面反应详细机理的建立
• 1.2.3 烷烃在微元管中催化燃烧的数值计算
• 1.3 催化燃烧过程的近似解析求解与分岔理论的运用
• 1.4 催化燃烧在HCCI发动机中的应用
• 1.4.1 催化燃烧在传统内燃机中的应用
• 1.4.2 HCCI燃烧数值模拟中的几种计算模型
• 1.4.3 催化燃烧在HCCI发动机中的应用
• 1.5 本文主要研究内容和结构
• 2 微元管催化燃烧的数学模型
• 2.1 基于N-S方程模型
• 2.2 基于边界层方程模型
• 2.3 塞子流模型
• 2.4 各模型的适应范围
• 2.5 基于边界层方程模型的离散方法
• 2.5.1 气相反应速度
• 2.5.2 表面反应速度
• 2.5.3 边界条件
• 2.5.4 控制方程的离散
• 2.6 本章小结
• 3 微元管催化燃烧的数值模拟
• 3.1 甲烷在微元管中催化燃烧的数值模拟
• 3.1.1 物理模型
• 3.1.2 化学动力学模型
• 3.1.3 基准模型的计算结果与分析
• 3.1.4 入口气体速度的影响
• 3.1.5 微元管直径的影响
• 3.1.6 入口气体温度的影响
• 3.1.7 入口气体当量比的影响
• 3.1.8 催化剂种类的影响
• 3.2 甲烷在催化剂铂表面详细反应机理的敏感性分析
• 3.2.1 物理模型及初始条件
• 3.2.2 化学反应动力学模型
• 3.2.3 气相反应对催化燃烧过程的影响
• 3.2.4 影响非均相着火过程的关键表面反应步
• 3.2.5 影响均相着火过程的关键表面反应步
• 3.3 乙烷在微元管中催化燃烧的数值模拟
• 3.3.1 物理模型
• 3.3.2 表面反应详细机理
• 2H₆、O₂和N₂'>3.3.3 混合气为C₂H₆、O₂和N₂
• 2H₆、O₂、H₂和N₂'>3.3.4 混合气为C₂H₆、O₂、H₂和N₂
• 3.4 本章小结
• 4 分岔理论在催化燃烧过程中的应用
• 4.1 常规两维模型及几种简化模型的近似解析解
• 4.1.1 常规两维模型（2-D）
• 4.1.2 两维对流模型（TDC）
• 4.1.3 短体蜂窝状模型（SM）
• 4.1.4 一维两相模型（ODTP）
• 4.1.5 各简化模型近似解析解的比较
• 4.2 分岔理论及分岔方法的简要介绍
• 4.2.1 分岔理论
• 4.2.2 分岔方法
• 4.2.3 计算程序简要介绍
• 4.3 分岔理论在SM模型中的应用
• 4.3.1 以径向Thiele系数为分岔参数
• 4.3.2 以径向Peclet数为分岔参数
• 4.3.3 流动模型的影响
• 4.4 本章小结
• 5 催化燃烧对HCCI发动机着火特性的影响
• 5.1 物理模型
• 5.2 计算模型
• 5.2.1 控制方程
• 5.2.2 热传递模型
• 5.3 化学动力学模型
• 5.4 结果和讨论
• 5.4.1 催化燃烧对HCCI发动机着火时刻的影响
• 5.4.2 催化燃烧对HCCI发动机燃烧过程中主要化学组分的影响
• 5.4.3 进气温度对着火时刻的影响
• 5.4.4 压缩比对着火时刻的影响
• 5.4.5 过量空气系数对着火时刻的影响
• 5.4.6 影响HCCI发动机着火时刻的关键表面反应步
• 5.5 本章小结
• 6 催化燃烧对HCCI发动机燃烧与排放特性的影响
• 6.1 多区模型的建立
• 6.1.1 区间划分模型
• 6.1.2 缸壁传热模型
• 6.1.3 区间热量交换模型
• 6.1.4 区间质量交换模型
• 6.1.5 边界层模型
• 6.2 计算模型
• 6.2.1 计算流程
• 6.2.2 热力学和化学动力学计算
• 6.2.3 分离式求解
• 6.3 物理模型
• 6.4 催化燃烧对HCCI发动机燃烧与排放特性的影响
• 6.4.1 催化燃烧对HCCI发动机缸内温度与压力的影响
• 6.4.2 催化燃烧对HCCI发动机缸内放热率的影响
• 6.4.3 催化燃烧对HCCI发动机HC排放的影响
• 6.4.4 催化燃烧对HCCI发动机CO排放的影响
• x排放的影响'>6.4.5 催化燃烧对HCCI发动机NO_x排放的影响
• 6.4.6 催化剂种类及混合催化剂对HCCI发动机排放的影响
• 6.4.7 催化燃烧对HCCI发动机燃烧性能的影响
• 6.5 本章小结
• 7 催化燃烧应用于HCCI发动机中的多维模型
• 7.1 计算模型
• 7.1.1 计算流程
• 7.1.2 KIVA程序
• 7.2 物理模型
• 7.3 计算结果与讨论
• 7.3.1 催化燃烧对HCCI发动机着火时刻及放热率的影响
• 7.3.2 催化燃烧对HCCI发动机缸内温度场的影响
• 7.3.3 催化燃烧对HCCI发动机缸内NO浓度场的影响
• 7.3.4 催化燃烧对HCCI发动机缸内CO浓度场的影响
• 7.3.5 催化燃烧对HCCI发动机缸内HC浓度场的影响
• 7.4 催化燃烧对HCCI发动机排放的影响
• 7.5 各模型的比较
• 7.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 乙烷在铂表面的详细反应机理
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢