柴油机燃烧颗粒物状态特征量分布的Monte Carlo随机法描述及其动力学演变机理研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51176056
项目类别：
面上项目
资助金额：
60.0万
负责人：
成晓北
依托单位：
华中科技大学
学科分类：
E0604.燃烧学
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
叶晓明；杜一；陈亮；颜方沁；黄承福；陈玉俊；汪方阳；刘一鸣；
关键词：
Monte 状态特征量平衡模拟柴油机碳烟颗粒 Carlo随机法

项目摘要

柴油机燃烧生成的颗粒团聚体和烟羽中可吸入颗粒物的状态特征量，诸如颗粒比表面积、尺度分布、不规则度、孔隙率、分形维数、组分浓度等，不仅影响其聚并、成长和表面氧化反应，而且与其毒性、吸附性等紧密相关。本项目针对颗粒物状态特征量的动力学演变过程控制机理问题，基于颗粒群平衡模拟理论，采用基于拉格朗日坐标系统的Monte Carlo随机法，求解描述多个颗粒群状态特征变量的分布函数在三维时空域内动力学演变的多维多变量颗粒群平衡方程，解决颗粒动力学与两相湍流场之间的强耦合问题，建立多维多重Monte Carlo算法数值计算平台，运用先进的碳烟微粒排放测量试验和分析方法，揭示柴油机碳烟排放颗粒状态特征量形成、分布及演变过程中的内在规律及主要控制因素，探索碳烟颗粒排放特性的相关基础科学问题，提出实现柴油机碳烟颗粒特征量定量描述的科学途径和新方法，为碳烟排放控制技术的发展、改善燃烧过程提供有效的理论基础。

结项摘要

以内燃机为动力的机动车是造成我国大气环境中颗粒物严重污染的主要原因之一，要实现发动机碳烟颗粒物排放的有效抑制来源于对其生成机理与演化过程的深刻认识，进行柴油机碳烟颗粒状态特征量动力学演变过程的深入研究，对于认识碳烟颗粒形成机理进而提出控制策略有着十分重要的科学意义。.本项目基于颗粒群平衡模拟的理论方法，针对柴油机缸内多维燃烧空间系统，建立能够同时描述多个颗粒群状态特征变量的分布函数的动力学演变过程的多变量颗粒群平衡方程，采用基于拉格朗日坐标系统的Monte Carlo随机法求解；运用先进的测量试验和分析方法研究碳烟微粒排放特性与微观形貌，揭示柴油机碳烟排放颗粒形成、演化、发展过程中的内在规律及主要控制因素，发展并完善颗粒群平衡模拟理论，探索最终实现碳烟颗粒形成过程精确预测的科学途径和新方法。.本项目采用详细的化学反应机理，在改进的详细碳烟模型中考虑了燃烧反应中前驱物对碳烟颗粒成长过程的影响作用，气相化学动力学部分计算中耦合了由正庚烷和甲苯组成的混合燃料的详细化学反应机理，颗粒动力学计算部分，提出了PAH在颗粒表面的沉积效应对碳烟颗粒成长过程和尺寸分布的影响作用，应用改进的详细碳烟模型对柴油机内碳烟颗粒数浓度和平均尺寸进行数值模拟，得出碳烟颗粒的数密度和尺寸分布在整个燃烧历程中的发展与演变过程。通过定容弹和单缸柴油机试验来验证详细碳烟模型的有效性和准确性，提高了碳烟颗粒生成过程预测精度。.基于颗粒群平衡模拟的理论方法，建立了欧拉坐标体系下描述颗粒尺寸分布函数演变过程颗粒平衡方程，提出了基于颗粒群平衡理论的碳烟模型，包含考虑碳烟颗粒前驱物成核模型，表面反应核模型和颗粒凝并核模型；建立直接模拟Monte Carlo算法的数值计算平台，研究了Monte Carlo算法中不同参数设置工况条件下颗粒平均质量、碳烟颗粒数浓度和碳烟体积分数总相对误差的变化情况。.采用激光诱导炽光法，对高温高压定容燃烧弹内柴油喷雾燃烧火焰及碳烟生成进行了测量与分析，分别研究了不同喷射策略、环境条件和喷射压力下火焰浮起长度、火焰传播对碳烟生成与分布的影响规律。研究了喷雾燃烧火焰中碳烟生成与分布规律、形貌特征，对燃烧中碳烟颗粒场分布与发展过程规律及其影响因素进行深入分析。.本项目研究工作完成了计划书中的主要研究内容，基本达到了预期目标。