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生物柴油燃烧三维数值模拟研究 摘要 生物柴油是清洁、安全的可再生燃料，是柴油的理想替代燃料。然而 生物柴油的燃烧和排放性能与柴油有所不同，需要进一步研究，以获得生 物柴油推广所需的技术。本文应用c f d 软件a v lf i r e 耦合化学动力学软 件c h e m k i n ，按照桑迪亚光学研究柴油机( s c o i 通) 的几何参数及运行 工况参数进行建模，将j e s s i c al b r a k o r a 等人提出的e r c - b i o 机理和 g o l o v i t c h e v 提出的碳烟生成机理结合起来作为生物柴油的燃烧机理，进行 模拟研究，模拟所得的缸内压力和n o x 排放与试验结果吻合较好。 应用上述模型，研究了生物柴油缸内燃烧和排放的特性以及边界参数 对燃烧排放特性的影响；针对生物柴油n o 。排放高的问题，研究了e g r 途 径、预喷射途径和富氮燃烧途径降低n o 。排放的效果，主要结论如下：生 物柴油中掺混柴油进行燃烧，随着柴油比例的增加，着火时刻逐步提前，缸 内压力逐步增大，c o 、n o 。和s o o t 生成量增加。当量比为o 1 7 时，n 0 2 排放量不容忽视，可占n o ，排放量的三分之一以上。当量比小于o 5 2 时， n o 排放主要受高温影响，并随着当量比增大快速上升；当量比大于o 5 2 后，n o 排放主要受到氧浓度的影响，小幅下降；因此，降低n o 。排放关键 在于控制燃烧温度。e g r 降低n o 。排放效果十分明显，e g r 率从o 增大到 5 5 时，n o 。降幅达9 0 以上，但随着e g r 率的增大，c o 和s o o t 质量分 数峰值都不断增大。e g r 率小于2 5 时，随着e g r 率上升，n o 。排放几乎 是线性下降；混合气中氮气体积分数由7 9 增加到8 3 ，n o 。排放降幅达 6 5 左右，发动机的功率稍微下降，油耗稍微上升，s o o t 和c o 的生成量逐 步上升；氮气体积分数每增加1 ，n o 。排放线性下降约3g k w h 。 关键宇：生物柴油a v lf i r e 化学动力学数值模拟 c f dn u m b e r i c a ls t u d yo nc o m b u s t i o no fb i o d i e s e l a b s t r a c t b i o d i e s e li sak i n do fc l e a n ，s e c u r i t ya n dr e n e w a b l ef u e l ，a n di ti st h ei d e a l a l t e r n a t i v ef u e lf o rd i e s e l f o rt h ec o m b u s t i o na n de m i s s i o np e r f o r m a n c e so f b i o d i e s e la r ed i f f e r e n tw i t hd i e s e l ，i tn e e d sf u r t h e rr e s e a r c ht oe n s u r ea p p l i c a t i o n e x t e n s i o n t h i sa r t i c l ec o u p l e dc f ds o f t w a r eo fa v lf i r ew i t hc h e m i c a l k i n e t i c ss o f t w a r eo fc h e m k i n ，b u i l tt h em o d e lb a s e do ng e o m e t r i cp a r a m e t e r s a n do p e r a t i n gc o n d i t i o np a r a m e t e r so fs a n d i ao p t i c a lr e s e a r c hd i e s e le n g i n e ( s c o r e ) a n dc o n d u c t e dt h es i m u l a t i o ns t u d yu s e dt h ee r c - b i om e c h a n i s m b yj e s s i c al b r a k o r ae ta 1 c o m b i n e dw i t ht h es o o tf o r m a t i o nm e c h a n i s mb y g o l o v i t c h e va st h ec o m b u s t i o nm e c h a n i s mo fb i o d i e s e l t h ec y l i n d e rp r e s s u r e a n dn o xe m i s s i o no fs i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h et e s t r e s u l t s t h ec o m b u s t i o na n de m i s s i o np e r f o r m a n c e sa n da l s ot h ei m p a c t so n c o m b u s t i o na n d e m i s s i o np e r f o r m a n c e so fb o u n d a r yp a r a m e t e r so fb i o d i e s e l w e r es t u d i e du s e dt h eb u i l tm o d e l i no r d e rt os t u d yt h ep r o b l e mo fh i g hn o x e m i s s i o n o fb i o d i e s e l ，t h ee f f e c t so fe g r ，p r e s p r a ya n dn i t r o g e n r i c h c o m b u s t i o ni nr e d u c i n gn o xe m i s s i o nw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，a s t h ei n c r e a s eo fd i e s e lp r o p o r t i o ni nb i o d i e s e l ，t h ei g n i t i o nt i m i n gw a sg r a d u a l l y a d v a n c e d t h ec y l i n d e rp r e s s u r ei n c r e a s e da n dt h ef o r m a t i o no fc o 、n o xa n d s o o ti n c r e a s e dt o o w h e nt h ee q u i v a l e n tr a t i ow a s0 17 ，t h en o ze m i s s i o n a c c o u n t e df o rm o r et h a no n e t h i r do ft h en o xe m i s s i o n sa n dc o u l dn o tb e i g n o r e d w h e nt h ee q u i v a l e n tr a t i ow a sl e s s t h a no 5 2 ，t h en oe m i s s i o nw a s m a i n l yi n f l u e n c e db yh i g ht e m p e r a t u r ea n di n c r e a s e dr a p i d l ya st h ee q u i v a l e n t r a t i oi n c r e a s e d a n dw h e nt h ee q u i v a l e n tr a t i ow a sa b o v e0 5 2 ，t h en oe m i s s i o n w a sm a i n l yi n f l u e n c e db yt h el o wo x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dr e d u c e ds l i g h t l y s o i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ek e yo fr e d u c i n gn o xe m i s s i o nw a st oc o n t r o lt h e c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e t h ee f f e c to fe g ri nr e d u c i n gn o xe m i s s i o nw a s o b v i o u s a st h ee g rr a t ei n c r e a s e df r o m0t o5 5 ，t h en o xe m i s s i o nr e d u c e d m o r et h a n9 0 b u ta st h ei n c r e a s eo fe g rr a t e t h em a s sf r a c t i o np e a kv a l u e s o fc oa n ds o o ti n c r e a s e dt o o w h e ne g rr a t ew a sl e s st h a n2 5 ，t h en o x e m i s s i o nl i n e a r l yr e d u c e da st h ei n c r e a s eo fe g rr a t e a st h ev o l u m ef r a c t i o no f n 2i ng a sm i x t u r ei n c r e a s e df r o m7 9 t o8 3 ，t h en o xe m i s s i o nr e d u c e dn e a r l y 6 5 ；t h ee n g i n ep o w e rr e d u c e ds l i g h t l ya n df u e lc o n s u m p t i o ni n c r e a s e ds l i g h t l y , a n dt h ef o r m a t i o no fs o o ta n dc o g r a d u a l l yi n c r e a s e d f o re a c h1 i n c r e a s ei n v o l u m ef r a c t i o no f n 2 ，t h en o x e m i s s i o nl i n e a r l yr e d u c e dn e a r l y3g & w 。h k e y w o r d s ：b i o d i e s e l ；a v lf i r e ；c h e m i c a lk i n e t i c ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 1 生物柴油燃烧三维数值模拟研究 第一章绪论 1 1 引言 我国是一个能源资源贫乏的国家，我国的能源资源约为世界总量的1 0 ，人均能源 资源占有量仅为世界的4 0 【1 1 。随着我国经济高速发展，人们生活水平不断提高，人们 对能源的需求量也与目俱增。石油资源是最重要的能源之一，关系着我国经济发展的命 脉。然而，1 9 9 3 年，我国已经从石油净出口国变为净进口国；据国家能源局数据显示， 2 0 0 9 年，中国生产原油1 8 9 亿吨，净进口原油却高达1 9 9 亿吨，原油进口依存度首次 超过警戒线5 0 ，达到5 1 2 9 ；根据海关总署数据显示，2 0 1 1 年我国累计进口原油2 3 9 亿吨，同比增长1 7 4 ，原油对外依存度达到5 3 8 ，较上年同期提高2 7 个百分点。 专家预测，到2 0 2 0 年，中国石油消费量将达4 5 6 1 亿吨，而国内可供油量却只有1 8 2 亿吨，缺口达2 5 4 3 亿吨。与此同时，国际原油价格也在不断攀升，2 0 1 2 年3 月原油 收盘价己达每桶1 1 0 美元，业内分析人士认为，到2 0 2 0 年左右，原油价格将突破每桶 2 0 0 美元，届时，将可能爆发石油危机。大量进口石油对我国的能源安全造成了极大的 威胁，随着能源需求的不断增长和石化能源的日益短缺，研究和开发新型替代能源以及 可再生能源己经迫在眉睫。 汽车是石油资源的主要消耗者，近几年来，我国的汽车行业发展迅猛，汽车保有量 急剧增加。2 0 0 1 年国产汽车产销量只有2 0 7 万辆，而2 0 1 0 年达到了1 8 0 0 万辆；根据公 安部交管局发布的最新数据显示，截止至2 0 1 1 年8 月底，全国机动车保有量达到2 1 9 亿辆。其中汽车保有量占机动车总量的4 5 8 8 ，超过1 亿辆【2 1 。然而，汽车工业的发展 在给人们带来极大便利的同时也给能源和环境带来了沉重的压力。汽车保有量急剧增 加，汽车尾气成为了许多城市空气污染的主要污染源。环保部的一项调查表明，2 0 1 0 年全国3 3 3 个地级以上城市，五分之一空气质量不达标。在城市空气污染中，汽车尾气 排放是主要的污染源之一，在汽车尾气中，对环境和人类有害的成分主要来源于不完全 燃烧的产物和有害的氧化物，比如n o 。、p m 、h c 、c o 、c 0 2 、s 0 2 掣3 1 。二氧化碳的 大量排放被认为是产生温室效应的主要原因，温室效应引起的气候变化将给人类带来一 系列的灾难性的后果【4 1 。为此，在2 0 0 9 年哥本哈根气候大会上，世界上的二氧化碳主要 排放国都承诺了节能减排的目标。作为世界上汽车产销量大国，我国政府承诺在2 0 2 0 年实现单位国内生产总值二氧化碳排放量比2 0 0 5 年下降4 0 5 0 。而根据国内公布数 1 厂西大掌硕士掌位论文生物柴油燃烧三维数值模拟研究 据显示，以汽车排放为主的交通运输业的二氧化碳排放量占我国二氧化碳排放总量的 2 8 以上。按照我国现有的汽车保有量和增长速度来看，要达到这个目标，一方面必须 在全国范围内进行节能减排，另一方面，必须大力发展清洁能源和可再生能源。 与此同时，汽车尾气污染的问题也日益严重，许多国家都出台了越来越严格的排放 法规来限制汽车尾气中有害成分的排放量。目前，汽车尾气排放标准已形成三大体系， 即日本、美国和欧洲排放体系。汽车尾气排放标准一般每隔几年更新一次，如表1 1 、 表1 2 所示【5 l 。由表1 2 可以看到，2 0 1 3 年开始实行的欧洲六号标准，各种排放物已几 乎接近零排放水平。欧洲的排放标准相对于美国和日本的排放标准来说，它的测试要求 比较宽泛，所以大多数发展中国家都沿用欧洲标准的汽车废气排放体系，我国2 0 0 1 年 实施的轻型汽车污染物排放限值及测量方法( i ) 等效于欧洲一号标准( e u r 0 1 ) ； 2 0 0 4 年实施的轻型汽车污染物排放限值及测量方法( i i ) 等效于欧洲二号标准 ( e u r 0 2 ) ；2 0 0 7 年，我国实施的国i i i 标准相当于欧洲三号标准( e u r 0 3 ) ；2 0 1 0 年，我 国实施的国i v 标准相当于欧洲四号标准( e u r 0 4 ) 【6 】。由此可见，汽车尾气排放法规将 越来越严格，最终要求汽车实现零排放。面对这个艰巨的任务，必须进行大量的研究， 不断寻求降低汽车的排放水平的新途径。 表1 1 美国载重车用柴油机的排放限值( g k w h ) t a b l e1 - 1e m i s s i o nl i m i t so f v e h i c l ed i e s e le n g i n ei nu s a ( g k w h ) 广西大掌硕士掌位论文 生物柴油燃烧三维数值模拟研究 表1 - 2 欧洲载重车用柴油机的排放限值( g k w h ) t a b l e1 - 2e m i s s i o nl i m i t so fv e h i c l ed i e s e le n g i n ei ne u r o p e ( g 限w h ) 排放限值 测试 实施 标准 动态烟 循环 年份c oh cn m h c c h 4 n o 。 p m 度( m 1 ) 0 3 6 e u r 0 1e c e r 4 91 9 9 24 51 18 0 0 6 1 0 1 5 e u r 0 2e c e r 4 91 9 9 64 01 17 o o 2 5 o 1 0 e s c2 0 0 02 10 6 65 oo 8 m 1 0 1 3 e u r 0 3 0 1 6 e t c2 0 0 05 4 50 7 81 65 0 o 2 1 e u r 0 42 0 0 51 50 4 63 50 0 20 5 m 1 e u r 0 52 0 0 8 1 50 4 6 2 o o 0 2 0 5m 。l e u r 0 62 0 1 31 5o 1 30 50 0 1 适用于功率小于等于8 5 k w 的柴油机 适用于单缸排量小于0 7 l 、标定转速大于3 0 0 0 r m i n 的柴油机 生物柴油是由单烷基酯组成的含氧量极高的燃料，可以在柴油机上直接使用，是一 种很有前景的石化柴油的替代燃料【7 1 。在排放方面，根据美国环保局公布的数据表明： 生物柴油可以同时降低c o 、p m 和h c 排放多达5 0 ，见图1 1 【8 1 。另外，研究己表明， 生物柴油的热值和十六烷值适合用于直喷柴油机【9 1 ，而且生物柴油不含硫，因此产物中 不含硫的氧化物或硫酸盐。作为一种植物性燃料，生物柴油可以在国内生产，是一种可 再生能源。生物柴油与石化燃料相比，可以减少2 0 到8 0 的二氧化碳排放，从而产生 巨大的环境效益【1 0 】。最近几年，由于不断攀升的石油价格和日益严格的排放限制，人们 已经越来越重视生物柴油代用燃料的开发和利用。 广西大学硕士掌位论文 生物柴油燃烧三维数值模拟研究 图l l 公路上重型柴油机燃用生物柴油对排放的影响 f i g 1 - 1a v e r a g ee m i s s i o ni m p a c t so fb i o d i e s e lf o rh e a w - d u t yh i g h w a ye n g i n e s 不幸的是，生物柴油的一些缺点限制了这种燃料的广泛应用。按体积计算，每加仑 的生物柴油的能量含量少于石化柴油，预计这将导致燃料经济性降低1 l 左右，此外， 生物柴油存在低温流动性问题【1 1 1 。但是生物柴油最大的缺点是它导致氮氧化物排放增 加，大负荷柴油机燃用2 0 1 0 0 的生物柴油燃料会导致n o 。排放比石化柴油增加 2 1 0 ，见图1 1 。但是鉴于目前的排放法规，是不允许有任何排放量增加的。因为柴油 机具有较高的热效率，如果生物柴油的n o 。排放能降低，燃用生物柴油的柴油机将可 能得到广泛的应用。 目前，尚未完全清楚燃用生物柴油引起n o 。排放增加的原因，许多研究正致力于解 决这个问题。要弄清楚n o 。增加的原因是很困难的，因为生物柴油和石化柴油在化学和 物理特性上都不同。作为一种富氧燃料，生物柴油燃烧时会产生一些在石化柴油燃烧中 没有出现过的中间物质。这些中间物质的反应路径及其引起的缸内温度升高或许是n o 。 排放增加的原因所在。在物理性质方面，生物柴油的密度、运动粘度和表面张力比石化 柴油高很多 1 2 , 1 3 。这些特性会极大地影响喷雾的贯穿距离和雾化效果，进而可能影响燃 烧始点从而导致n o 。排放的增加。总之，为了应对能源危机、严格的排放标准和减少二 氧化碳的排放总量，我们还必须做大量的研究，以获得生物柴油推广所需的技术。 4 广西大学硕士学位论文 生物柴油燃烧三维数值模拟研究 1 2 生物柴油研究现状和动态 1 2 1 国外生物柴油研究现状和动态 1 8 8 5 年，德国工程师d r r u d o l f d i e s e l ( 1 8 5 8 。1 9 1 3 ) 提出了生物柴油这一概念，1 9 0 0 年，在巴黎博览会上，展出了第一台花生油燃料发动机【1 4 】。此后，由于柴油价格低廉， 生物柴油的研究开发利用并没有受到重视。直到二十世纪七十年代，由于爆发了石油危 机，可再生能源的开发才引起了人们极大的兴趣，生物柴油及其生产技术开始迅速发展。 1 9 8 4 年，美国和德国的科学家们将柴油的代替燃料扩展到脂肪酸甲酯和乙酯等，明确了 生物柴油的定义：生物柴油是以野生油料植物、工程微藻等水生植物油脂、油料作物、 动物油脂和餐饮废油等作为原材料，经过酯交换工艺过程，制造而成的甲酯或是乙酯代 用燃料，这种化合物通常具有1 4 到1 8 个碳原子的碳链，和石化柴油的碳原子数相近， 它们的物理属性和石化柴油也接近，因此，可以用作柴油机的燃料【1 5 】。1 9 8 8 年，德国 聂尔公司以油菜籽为原料生产生物柴油，强调了生物柴油的可再生性和环保性，受到了 许多发达国家的重视。 9 0 年代，生物柴油在内燃机上的应用得到了广泛的研究，产业化条件也逐渐发展完 善。西方国家为了促进生物柴油的发展，制定了一系列的行业规范和鼓励政策，如美国 在1 9 9 6 年由权威机构a s t m 发布了生物柴油技术标准 16 1 ，德国则是按1 0 0 0 马克公顷 补贴种植生物柴油原料的农民和对生物柴油制造企业免税。2 0 0 0 年以后，生物柴油产业 在欧洲己形成一定的规模，由欧洲生物柴油委员会公布的数据显示：2 0 0 7 年，欧盟生物 柴油总产量约为5 7 0 万吨；2 0 0 8 年，生物柴油产量增长了3 6 8 ，达到7 8 0 万；2 0 0 9 年，生物柴油的产量约9 0 0 万吨；欧盟计划于2 0 2 0 年实现生物燃料占交通燃油总消费 量不低于1 0 的目标。美国方面，2 0 0 8 年生物柴油产量约为2 2 0 万吨，据美国环保署 ( e p a ) 最新数据表明，2 0 11 年，美国共生产生物柴油约3 0 2 万吨；美国有关部门预计 未来几年，生物柴油将以约1 0 0 万吨年的速度增长，到2 0 1 7 年达到8 3 0 万吨的预设目 标【17 1 。 在生物柴油的长期使用过程中，发现了一些问题。目前，国外已经对生物柴油在内 燃机上应用效果进行了较为系统的研究。就九十年代末，r y a n 等人 ”】总结了柴油机上 燃用生物柴油存在的问题：( 1 ) 存在失火、着火延时及启动性差等问题；( 2 ) 存在润滑 油稀释变质、喷油器喷嘴堵塞、积碳沉积等问题。g o e r i n g 等人 1 9 1 研究表明，生物柴油 广西大学硕士学位论文 生物柴油燃烧三维数值模拟研究 的粘度较石化柴油高，这导致了生物柴油雾化效果差及燃烧不完全等问题。b a l d w i n 等 人【u j 研究表明生物柴油的双键易发生热聚反应，引起积碳堵塞喷嘴问题，将长链的脂肪 酸通过化学反应变为短链脂肪酸，可以改善燃烧性能。c “s t o p h e r 等人【2 1 】将生物柴油应 用于芝加哥的公共汽车上进行试验，结果表明生物柴油是可行的代用燃料。s a l v a t o r e 等 人【2 n j 在直喷增压柴油机上燃用甲基酯菜籽油，结果表明p m 、h c 和c o 排放降低但n o x 排放增加。c a b o s k j 等人【2 3 】研究表明燃用生物柴油，碳烟排放大幅下降，氮氧化物排放 略有上升。s u k u m a r 等人【2 4 】研究表明，在一个直喷柴油机上使用玛华油，其燃烧效率略 高于柴油，并且h c 、c o 、p m 和n o ；排放分别降低了6 3 、5 8 、7 0 和1 2 。 1 2 2 国内生物柴油研究现状和动态 随着我国经济的高速发展，能源问题和环境问题日益突出，我国政府采取了一系列 的措施来解决这两大难题。生物柴油具有清洁、可再生和安全三大优势，这对缓解我国 面临的能源和环境污染难题具有重要的现实意义。并且，生物柴油的发展对我国农业产 业结构调整，多元化农民增收途径和生态环境综合治理具有重大的战略意义。为此，我 国政府近年来对生物柴油十分重视，并制定了相关的政策措施促进其发展，2 0 0 4 年，科 技部启动了“十五 国家科技攻关项目生物燃料油技术开发；2 0 0 5 年，中国工程院 科技论坛“2 0 0 5 年中国生物工程论坛”在人民大会堂召开，对生物液体燃料在我国推广 的可行性进行了讨论。2 0 0 5 年，我国第十届全国人民代表大会通过了可再生能源法。2 0 1 0 年出版的2 0 0 9 2 0 1 2 年中国生物柴油行业现状及发展趋势报告较为全面的总结了我 国生物柴油取得的成绩和面临的问题与机遇。 其实，我国早在1 9 8 1 年就已经开始了生物柴油的试验研究，我国闵恩泽院士的绿 色化工与化工一书首次明确提出发展生物柴油的课题，并由上海内燃机研究所联合贵 州山地农机所共同承担课题的研究，做了大量的基础性探索试验。1 9 8 5 年，师德路等人 进行了生物柴油的试验研究。近年来，辽宁省能源研究所、吉林省农业科学院、中国科 技大学、北京化工大学等一批研究所和高校都对生物柴油进行了研究。到目前为止，我 国在生物柴油研究方面取得了一些成果。 张红云等人【2 5 】以乙二醇乙醚酯生物柴油为燃料，研究了该替代燃料与柴油在性能方 面的差别，结果表明该代替燃料可直接在柴油机上使用，或和柴油混合使用。 陈文淼等人通过可视化发动机研究了生物柴油和柴油的混合燃料b 2 0 对发动机 6 广西大学硕士学位论文 生物柴油燃烧三维数值模拟研究 经济性、动力性、排放性以及缸内燃烧的火焰结构、温度和碳烟在缸内的浓度场等进行 了研究。结果表明，与纯石化柴油相比，b 2 0 全负荷工况下，功率和扭矩下降了约2 ， 有效燃油消耗率增加了2 ，燃烧效率基本不变；n o 。排放基本相同，c o 和p m 排放降 低，h c 排放在大负荷工况增加、小负荷工况减少，碳烟生成区域及高浓度区域面积减 少。 覃军等人硎在一台四缸增压中冷柴油机上研究了生物柴油和柴油的混合燃料b o 、 b 1 0 、b 2 0 、b 3 0 的燃烧和排放性能，结果表明，柴油机燃用生物柴油和柴油的混合燃料 的折合油耗率与燃用纯柴油时基本一致，燃用混合燃料的缸内最大爆发压力和压力升高 率降低，着火时刻推迟，n o 。和p m 排放有不同程度的降低，但h c 和c o 排放在1 5 0 0 r m i n 时降低，在2 0 0 0 r m i n 时升高。 陆小明等人【2 8 】在一台增压中冷车用柴油机上进行生物柴油和石化柴油的性能和排 放试验研究，按照国家标准g b l 7 9 1 2 0 0 1 规定的测量方法进行测量，结果表明，生物柴 油喷油提前，燃烧滞燃期较短，预混燃烧比例较小，按十三工况法h c 、c o 排放分别下 降2 1 3 和1 7 ，n o ；排放增加2 9 ，p m 排放降低。 王忠等人2 9 1 在一台共轨柴油机上研究了氧化改质处理后的生物柴油排放物，提出了 生物柴油燃料化学结构是决定排放物生成的观点，改质后部分脂肪酸甲酯碳链中的双键 被破坏同时增加了环氧基或双羟基，饱和度和含氧量有所增加，另外，改质处理降低了 粘度，避免了酸腐，抑制了生物柴油自身氧化，因此，生物柴油的n o 。和p m 排放同时 降低。 尤可为等人【3 0 1 利用二次热解析一气相色谱质谱联用的方法，研究了生物柴油和石 化柴油的混合燃料b 1 0 0 和b 2 0 非常规排放物特性，结果表明，燃用生物柴油能有效地 降低芳香烃类物质和挥发性有机物的排放，且降低幅度随生物柴油比例增加而增加。 虽然生物柴油近年来发展迅速，但是与国外相比，仍有不小的差距，我国生物柴油 。 研究和产业化还有待进一步加强。 1 3c f d 耦合化学动力学模型模拟研究进展 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 简称c f d ，是通过计算机数值计算求 解流体力学控制方程从而预测流体的流场，是传热、传质、动能传递及燃烧、多相流和 化学反应研究的核心技术，是本世纪流体力学领域最重要的技术之一【3 1 1 。目前，常用的 广西大学硕士学位论文 生物柴油燃烧三维数值模拟研究 商业化c f d 软件有a v lf i r e 、f l u e n t 、s t a r - c d 、c f x 、p h o e n i c s 等。c f d 基本的思路是： 将连续的流体进行离散化处理，按质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学组分守恒建立 离散体变量之间的偏微分方程组，求解这些方程组，最终以数据、图像等形式显示结果， 其实就是应用计算机模拟仿真流体流动。 早在二十世纪初，查得理就提出了用数值计算来求解流体力学问题的基本思想，但 由于当时计算机还未问世而流体力学问题本身很复杂难以理解，这一思想未引起人们的 重视。计算机问世以后，美国科学家f h 哈洛和j e 弗罗姆在1 9 6 3 年成功地应用当时 的计算机i b m 7 0 9 0 解决了长方体绕流问题并演示了尾流涡街形成和演变，引起了人们的 重视。c f d 在最近二十年中得到了飞速的发展，一方面是由于计算机硬件快速发展，更 主要的是因为流体问题十分复杂和实验方法相当有限且昂贵，而c f d 正好能模拟复杂的 流动过程且成本较低。随着c f d 的计算方法和网格生成技术的发展，应用c f d 技术模拟 内燃机气体流动、喷雾和燃烧过程，已成为内燃机开发和优化高效便捷的手段。 c f d 仿真已成功地应用于进气道、燃烧室、排气道、动力性、经济性等优化设计， 喷油器喷嘴内部燃油的流动、喷油行为、油滴破碎及蒸发过程、射流碰壁行为也已有大 量的成功案例，在着火、火焰传播、各种排放物预测方面也有很多应用实例，但在预测 燃烧排放物方面，由于燃烧过程受到化学动力学的影响，所以排放模型的发展遇到了很 大的困难，目前较多都是基于经验的现象模型。为了较准确地预测排放物，现在多采用 c f d 耦合化学动力学机理进行计算。由于烃类燃料涉及十分复杂的反应机理，可能包含 成千上万种组分和基元反应，和c f d 耦合后计算时间相当长，为了减少计算时间，应 适当减少网格数量和采用简化机理等。 美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室w e s t b r o o k 、英国l e e d s 大学和德国h e i d e l b e r g 等研究小组经过长期的努力，在烃类燃料氧化反应详细机理上取得了一系列应用广泛的 成果。至今，碳原子数为c 8 的烷烃详细氧化机理己成功构建，对柴油和汽油的详细机 理也取得了一定的进展【3 2 。值得一提的是，l a w r e n c el i v e r m o r e 实验室提出的异辛烷 ( 8 6 0 种组分和3 6 0 0 个反应) 和正庚烷( 5 5 0 种组分和2 4 5 0 个反应) 详细反应机理， 被广泛地作为汽油和柴油的代用燃料机理。此后，应用c f d 耦合化学动力学研究内燃 机的燃烧和排放性能取得了飞速的发展，国内外许多学者也对此进行了研究。 尧命发等人删用s t a r c d 耦合c h e m k i n 对二甲基醚天然气双燃料h c c i 燃烧排 放特性进行了研究，研究表明，低温放热和高温放热都首先在缸内一些特定的地方发生， 然后传递到其他区域，h c 排放物的主要成分为甲烷、未燃二甲基醚和c h 2 0 ，主要存 广西大学硕士学位论文 生物柴油燃烧三：维蓟“蕾模拟研究 在于缝隙区和缸壁区，c o 排放物主要残留于活塞项部表面附近区域。 王志等人【3 4 】应用a v lf i r e 软件耦合c h e m k i n 程序研究了汽油机h c c i 燃烧。 陈文淼等人【3 5 】使用k i v a 3 v 2 代码耦合c h e m k i n 程序，以s a n d i a 可视化发动机 为样机，验证了t h 简化机理能很好的预测着火时刻、缸内压力、放热率及碳烟排放量。 t o m i n a g a 等人【3 6 】通过c f d 耦合详细机理模型研究了缸内e g r 气体对h c c i 燃烧的 影响，结果表明，当e g r 气体主要分布在低温区域时其影响减弱，相反，当e g r 气体 主要分布在高温区域时其影响较大。 k o n g 等人 3 7 , 3 8 1 应用k i v a 耦合c h e m k i n 程序研究了化学动力学和湍流两个因素 的影响，研究表明，湍流对h c c i 燃烧着火时刻、反应速率和燃烧持续期影响重大；此 外，他们还详细分析了网格密度和初始条件对模拟结果的影响，结果显示，缸内压力对 网格的疏密不敏感，使用粗糙的网格时c o 排放误差较大，在活塞环缝隙区使用精细的 网格能更准确地预测h c 和c o 的排放。 j e s s i c al b r a k o r a 等人【3 9 】通过简化m b ( 丁酸甲酯) 机理结合正庚烷骨架机理得到 e r c b i o 机理，该机理包含5 3 种组分和15 6 个反应，能较准确地预测柴油机燃用生物 柴油燃料的着火时刻和燃烧过程，并应用k i v a 3 v 程序耦合c h e m k i n i i 验证了机理的 可行性。 j u n f e n g y a n g 等人【4 0 】通过建立c f d 耦合化学动力学机理模型，研究了菜籽油( r m e ) 和石化柴油燃烧和排放特性，结果表明，r m e 燃烧效率稍低，分析了不同负荷和喷油 策略下引进2 0 3 0 e g r 降低n o 。的排放的效果，通过巾二t 图证实了存在最优工况。 随着计算机技术的发展，以及计算方法的不断创新，c f d 耦合化学动力学模型必将 在内燃机开发方面获得更加广泛的应用。 1 4 本课题研究内容、意义和方法 由于石油资源的日益枯竭，以及不断恶化的环境污染问题，人们急需替代燃料来满 足能源的需求，生物柴油是清洁能源，具有可再生性，是一种理想的替代燃料。此外， 生物柴油产业化还可推动农业产业的发展。我国植物资源丰富，发展生物柴油产业对于 保障能源安全、经济可持续发展和生态良性循环有重要作用。另一方面，对燃料燃烧特 性的深入了解，有利于发展更加高效和环保的燃烧技术，而c f d 耦合化学动力学模型 就是研究燃料燃烧特性最为有效的手段之一。 生物柴油燃烧三维数值模拟研究 在广西自然科学基金( 桂科青0 9 9 1 0 0 8 ) 资助下，本文通过建立c f d 耦合化学动力 学模型，研究了生物柴油缸内燃烧和排放的特性，以及边界参数对燃烧排放特性的影响， 最后提出了降低生物柴油n o 。排放的有效途径。 本文主要研究内容： 1 、构建c f d 耦合化学动力学模型。应用商业软件a v lf i i 嗵耦合化学动力学 软件c h e m k i n ，以卡特彼勒3 1 7 6 重型发动机改进版本一桑迪亚光学研究柴油机 ( s c o r e ) 为样机进行建模，并验证模型。 2 、分析生物柴油主要排放物的生成路径。分析了生物柴油的燃烧特性、碳烟生 成的机理和n o 。生成的机理。 3 、研究边界条件对生物柴油燃烧排放特性的影响。研究了生物柴油混合比例、 当量比、喷油正时对其燃烧和排放特性的影响。 4 、研究了降低生物柴油n o 。排放的方法。比较了e g r 技术、预喷射技术和富 氮燃烧技术对降低生物柴油n o 。排放的效果。 生物柴油燃烧三维数值模拟研究 第二章生物柴油燃烧c f d 模型建立及验证 柴油机的性能和排放主要是由进气流动、缸内混合和喷雾燃烧决定。缸内气体流动、 温度分布和混合气浓度分布随着时间和空间而变化，传统的内燃机测试手段不论是在气 体流动、温度场和浓度场方面，还是在喷雾燃烧参数与性能关系上都只能提供有限的信 息，远不能满足清洁高效内燃机设计的要求。数值模拟，尤其是计算流体力学( c f d ) 不仅能提供任意时刻缸内气体流动情况、温度浓度场分布情况，还能提供喷雾和燃烧系 统参数对内燃机燃烧和排放性能的影响，以及排放污染物生成机理。这是目前深入理解 内燃机缸内气体流动和燃烧过程中复杂的化学物理过程最为有效的手段之一，也是设计 高效清洁内燃机强有力的工具。 表2 1 主要商业c f d 软件一览表 t a b l e2 1l i s to f m a j o rc o m m e r c i a lc f ds o i w k r e s 适用数值方 软件名称开发者国别主要功能 机型 法 奥地p c 机采用高阶格式，f a m e 网格生成器，发 1f i i 江!a v l l i s tf v m 利工作站动机专用c f d 商业软件 a e a p c 机求解流动与传热问题的通用软件，符 2c f x 美国 f v m t e c h n o l o g y 工作站合i s 0 9 0 0 1 标准 p c 机 求解流动与传热问题的通用软件，有 3f l u e n tf l u e m t美国f v m 工作站结构化和非结构化两个版本 f l u i dd y n a m i c sp c 机 求解流动与传热的有限元法通用软 4f i d a p 美国 f e m i n t e m a t i o n a l 工作站件，世界上第一个采用f e m p c 机求解热力学与力学耦合问题的通用程 5a n s y s a n s y s 美国f e m 工作站序，包含前后处理 c o m p u t a t i o n a l p c 机 求解流动、传热、燃烧的大型通用软 6s t a r c d 英国p v m d y n a m i c s 工作站件，在汽车工业广泛应用 p c 机 世界上首个投放市场的c f d 商用软 7p h o e n i c sc h a m 英国f v m 工作站件 i c e m p c 机生成网格的专用软件，可生成结构化 8 1 c e m c f d 美国 f v m t e c h n o l o g i e s 工作站 网格，非结构化网格 广西大学硕士学位论文 生物柴油燃烧三维数值模拟研究 内燃机工作过程十分复杂，涉及到气体流动、喷油雾化和燃烧放热之间相互耦合相 互影响，要对此过程进行模拟仿真是十分困难的。对实际的物理过程和化学过程进行合 理的简化是必要的，在实际模拟过程中，还要根据计算的时间和成本选择合适的模型和 方法。近十几年，计算机技术取得了飞速的发展，推动了c f d 模拟的发展，目前，已 有许多成熟的商业c f d 软件，如表2 1 所示。本文选择了针对内燃机领域专业的商业软 件a v l f i r e 。 2 1 计算模拟软件介绍 2 1 1a v lf i r e 简介 a v lf i r e 主要应用于内燃机开发设计过程所涉及的流体力学方面的问题，该软件 集前处理、求解器和后处理于一体，可实现三维流动全过程分析，并且其用户界面非常 友好【4 l 】。 a v lf i r e 可计算内燃机缸内任意时刻的压力场、温度场、速度场及排放物分布情 况，它是用数值计算的方法在计算机上对内燃机的湍流流动、传热传质、喷雾混合和燃 烧排放过程进行模拟仿真，模拟计算结果不但能以图形形式显示，还能输出随时间变化 的缸内详细信息。此外，f i r e 还能够做到在不改变其他参数的情况下，只改变研究者 感兴趣的某个参数，就能获得该参数对内燃机燃烧和排放性能的影响，为内燃机优化设 计提供了有力的依据。f i r e 可以进行的具体计算包括：进气道和进排气系统设计优化、 喷雾和燃烧计算、喷嘴内流动计算、瞬态缸内流动计算、催化转化器内部流动、化学反 应及热传导计算、冷却水套热力性能分析和冷却水灌注分析等。 一、f i r e 先进的前处理器f a m ep r e p r o c e s s i n g - - 自动网格生成器 f a m e 中基于八叉树过程的自动网格生成工具生成网格快且稳定。体网格建立过程 算法对表面网格质量不敏感，只要表面网格的缝隙宽度不超过该处体网格的大小，就不 会影向体网格的自动生成。f a m e 还提供了一系列网格修补工具，可对不符合要求的表 面网格进行修正。表面网格一般通过s t l 格式导入，体网格则可以以n a s t r a n 、i d e a s 、 s w i f t 、v 2 和s t a r - c d 的格式导入，用户可选择网格种类( 六面体、四面体、混合型网 格) 和局部细化策略，不同部分的网格可通过一一对应或任意交界面的方式连接。f a m e a d v a n c e dh y b r i d 网格生成t 具能自动识别模型大小，能有效地处理尺寸差别很大的局 部结构，如对于模型中相对于其他部分小很多的结构，它能自动地进行局部网格细化【4 1 1 。 12 广西大掌硕士学位论文 生物柴油燃烧三维数值模拟研究 此外，f a m e 可实现并行处理以发挥多处理器计算机的优势，节省建模时间。 二、f i r e 杰出的后处理功能i m p r e s s i m p r e s s 是f i r e 自带的后处理器，能对结果进行快速且高质量的分析。它重要的 功能包括：动态平移切面、多切面多变量选择、阴影、透明、对表面加纹理及进行渲染、 加阴影的矢量、表面流线、先进的颗粒跟踪等。后处理系统还可以生成可视化