摘 要

本文借助计算流体力学软件AVL-Fire对DMF/柴油混合燃料的喷雾燃烧情况进行了数值模拟分析，通过改变缸内压力、喷油温度、喷孔数量这三个因素对混合燃料的喷雾和燃烧情况作出分析比较，利用不同因素改变产生的影响变化趋势找到更加适宜混合燃料的环境条件。

论文主要研究了发动机的喷雾特性、燃烧特性和排放中NO与Soot的生成情况。

研究结果表明：7、8、9喷孔数中，8喷孔数的喷雾燃烧特性最优，可见喷孔数量应按照发动机的实际情况选择合适数量，不应按照增减规律设置喷孔数。缸内压力增大对D30混合燃料的喷雾燃烧特性都有一定提升，Soot的排放减少，但NO质量分数有明显提升，作为一种很容易实现的发展低排放柴油机技术，很值得深入研究。喷油温度升高也对雾化性和燃烧放热有一定提升，NO和Soot的质量分数却同时提高，排放性下降。

本文的特色：2,5-二甲基呋喃（DMF）的燃烧特性研究和制备方法都已初步成熟，但该材料在国内被作为发动机的第二代生物燃料进行研究，国外研究者们却很少进行有关方面研究。本文对混合燃料的研究既应新型混合燃料研究的需求，又为研究者们寻找新型燃料提供了可行的思路。

关键词：2,5-二甲基呋喃；混合燃料；喷雾；燃烧；数值模拟

Abstract

This paper first simulates the combustion space of a 650t/day air-fuel combustion float glass furnace.Then transform it into a oxy-fuel one with the model and compare them. The results have important guiding significance in transforming float glass furnace from air-fuel to oxy-fuel combustion.

The paper mainly studies the spray characteristics, combustion characteristics and the generation of NO and Soot in the engine.

Research indicates:The results show that among the number of nozzles in 7, 8, and 9, the spray combustion characteristics of the 8 nozzles are optimal. It can be seen that the number of nozzles should be selected according to the actual conditions of the engine. The number of orifices should not be set according to the law of increase and decrease.The increase of pressure in the cylinder has improved the spray combustion characteristics of D30 mixed fuel, Soot emission is reduced, but the NO mass fraction is obviously improved. As an easily developed low-emission diesel engine technology, it is worthy of further study.The increase in injection temperature also increases the degree of atomization and combustion heat release, while the mass fraction of NO and Soot increases at the same time, and the emission decreases.

The characteristics of this article: The research and preparation methods of 2,5-dimethylfuran (DMF) have been initially matured, but the material has been researched as the second generation biofuel of the engine in China, but foreign researchers rarely carry out related aspects the study. The research on mixed fuels in this paper not only meets the needs of new mixed fuel research, but also provides a feasible way for researchers to find new fuels.

Key Words：2,5-dimethylfuran；Mixed fuel；spray；Combustion；Numerical Simulatio

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 DMF的特性 2

1.2.1 DMF的物化特性 2

1.2.2 DMF的制备 3

1.3 DMF的国内外研究现状 3

1.4 主要工作内容和研究方法 4

第2章 柴油机缸内喷雾燃烧数值模拟理论基础 5

2.1 CFD中基本控制方程 5

2.1.1 质量守恒方程 5

2.1.2 动量守恒方程 5

2.1.3 能量守恒方程 5

2.2 湍流模型 5

2.3 喷雾模型 6

2.3.1 破碎模型 6

2.3.2 湍流扩散模型 6

2.3.3 碰壁模型 7

2.3.4 蒸发模型 7

2.4 燃烧模型 7

2.5 排放模型 7

2.5.1 NO生成模型 7

2.5.2 碳烟生成模型 8

2.6 本章小结 8

第3章 燃烧室模型建立与验证 9

3.1 燃烧室模型的建立 9

3.1.1 发动机参数 9

3.1.2 建立几何模型 9

3.1.3 划分网格 10

3.1.4 设定初始条件 10

3.1.5 设置边界条件 11

3.2 计算模型选取 12

3.3 燃烧室模型验证 12

3.4 本章小结 13

第4章 DMF/柴油混合燃料喷雾燃烧数值模拟分析 14

4.1 喷孔个数对混合燃料喷雾燃烧特性影响 15

4.1.1 对喷雾的影响 15

4.1.2 对燃烧的影响 17

4.1.3 对排放的影响 19

4.2 缸内压力对混合燃料喷雾燃烧特性影响 21

4.2.1 对喷雾的影响 21

4.2.2 对燃烧的影响 23

4.2.3 对排放的影响 25

4.3 喷油温度对混合燃料喷雾燃烧特性影响 26

4.3.1 对喷雾的影响 26

4.3.2 对燃烧的影响 28

4.3.3 对排放的影响 31

4.4 本章小结 32

第5章 总结和展望 34

参考文献 36

致 谢 38

绪论

研究背景

内燃机自诞生以来，一直作为一种重要的动力源，为人类社会的生产发展提供了不可或缺的帮助，同时也大大加快了社会的发展速度。内燃机被用在各行各业的各种动力机械当中，为机械的运转提供人力所无法提供的充足并且持续的动力。如汽车、起重机、矿车，甚至坦克、航母都会使用这种动力装置来作为动力源。常见的内燃机有汽油机和柴油机两种，但相较于汽油机而言，柴油机是一种动力性能更加强劲，且具有更好的经济性和更低的碳氢排放的内燃机，因此在应用中备受瞩目。

从长远的角度来看，内燃机的发明只不过是宣告了一个新的时代开始，它的改进优化过程仍需要很长一段时间来进行。自二十一世纪开始，环境污染问题、能源枯竭问题越来越突出，全球气候变暖、臭氧层破坏、不可再生资源的持续大量消耗，时刻警惕着人类要密切关注自然环境的变化，利用人类的智慧和双手，不断地去削弱、解决问题，为了子孙后代和人类的未来而努力。

在全球车辆广布，数量巨大的前提下，即使是一点微小的改变也会给环境带来很大影响。作为一个人口大国，我国更有责任推动内燃机的改进，因为资源和污染问题会因我国庞大的人口基数而被放大。

截至2019年3月底，我国的汽车保有量已达到2.46亿辆，汽车尾气的排放已经造成了严重的大气污染，雾霾、酸雨、气候反常等现象已是数见不鲜。内燃机的排放已成为城市大气环境的最具危害的污染源。汽车尾气中主要的排放污染物有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）^[1]。其中柴油机因为其燃烧时高温的特点而更容易生成氮氧化物；又因其燃烧室内混合气极不均匀，易形成局部缺氧的特点，为碳烟和颗粒物的生成创造了良好条件。此外，CO₂是温室气体的重要组成成分之一，内燃机就排放了全球范围约五分之一的CO₂。1997年12月在日本京都由联合国气候变化框架公约参加国三次会议制定的《京都议定书》为各国的二氧化碳排放量规定了标准。为了响应联合国号召，尽一国应对地球环境所尽之义务，优化内燃机的排放性能就成为了一个很值得投入研究的方向。我国实行的汽车尾气排放标准以欧洲标准为参考，从 1999 年到2010年期间，不断地提高排放要求，控制排放量，希望早日能达到国际排放的把控水平。。

我国虽然地大物博，资源广布，但是由于技术限制等原因，可开采的能源并不多。在石油方面，1993年，伴随着改革开放进入新的阶段，由于生产发展的需要，我国进口的石油量已经超出我国出口石油量约六个百分点。到2009 年，我国的石油开采量已经达到顶峰，并且长期稳定在这个开采量（约每年两亿吨）。随着国家的繁荣昌盛，社会高速地发展，我国对石油量的需求更大了。在我国石油开采量达到两亿后，逐年增加的石油量需求只好转化成对外进口石油量，对进口石油的依赖也逐年递增。2017年我国的年消耗量就已接近7亿吨之多，而近二十年来年开采量一直稳定在区区2亿左右，只能大幅度依赖进口原油。况且石油资源是不可再生资源，人类的消耗速度日益增加，能源使用率较低，不可不节制地使用石油资源，必须寻找新的能源来代替石油资源，降低对石油资源的依赖。

上述的两种问题迫使全世界共同开始了对新一代能源的探寻，使用新型能源的内燃机也应运而生，作为致力于降低排放和提高能效的一个方向^[2]。美国就率先开始了对一些可替代燃料的使用探索尝试，例如一些醇类燃料和天然气等，其他国家也陆续开始尝试在汽柴油燃料中混合一定比例的生物燃料，开展大量相关的研究，制定有关法规等。目前，已知常用的几种替代燃料仍不理想，如乙醇热值低、不易储存运输；生物柴油制备难……因此，还需要继续寻找更符合人类期望的燃料。

DMF的特性

想要用作内燃机替代燃料，那么该物质就应该具有以下几种替代燃料所应具有的性质：

（1）易于制备，生产成本低；

（2）来源广、储量大，最好可再生；

（3）绿色能源，生产和燃烧尽量不破坏环境；

（4）动力性和经济性不能比传统燃料差太多；

（5）适用于现代的车用技术体系，不需对车辆结构进行大幅改动。

20世纪80年代，美国就开始了对2，5-二甲基呋喃（DMF）的燃烧特性研究，虽然没有得到具体的动力和排放数据，但已经证明了DMF可以作为一种新型且性能优秀的液体燃料。21世纪初，美国的一些研究者找到了一种催化剂使用低能耗方法制备出了DMF，这一成功的转化使得很多研究人员对DMF的燃烧产生兴趣。渐渐的，这种新生物燃料逐步走入了更多人的视野。

DMF的物化特性

DMF的一些物理性质参数^[3]如表1.1，相比于乙醇，DMF的优势在于：

（1）具有较高辛烷值，在柴油机中可发挥较好的抗爆性。

（2）蒸发潜热低，低温启动性能好。

（3）不溶于水，不易挥发。

（4）制备消耗能量更低，只需要制备生物乙醇能量的三分之一^[4]。

表 1.1 DMF的物理性质

DMF的制备

DMF制备的原材料之一是菊芋（也称洋姜），我国在冀、甘、宁、内等省份一些非农业耕地广泛种植的菊芋获得了丰收，在美国研究者成功使用铜钌催化剂降低DMF制备能耗的基础上^[5]，我国科研人员制定出了经过一系列反应的生产路线，基本实现了工业化生产。生产制备这一方面的突破吸引着更多目光，将其聚焦于DMF的燃烧研究上，为DMF作为新一代替代燃料的实现铺路。

2010年，Mandan等人在《绿色化学》的报告中指出一种将葡糖糖经两步转化得到2,5-二甲基呋喃的方法^[6]。首先将葡萄糖特殊催化剂的催化下脱水变成醛类，再对这种醛类物质在特定的条件下加氢，就可以转化得到2,5-二甲基呋喃，且转化率相当高。2,5-二甲基呋喃可以在葡萄糖、纤维素这两种数量充足且易于获得的材料经过简单加工后生成，满足了大量需求的储量丰富的前提，很可能被大范围应用。

2011年，在《化学工程》中的文章中阐述了从果糖转化得到 DMF 的技术经济分析。文中指出原料可利用率，价格，低产量以及高的投资成本将会是今后 DMF 商业化需要解决的主要问题。

DMF的国内外研究现状

呋喃类生物燃料的相关研究早已在上个世纪开始，在2007年Yuriy等人首先提出用生物质制备DMF的突破性方法后^[7]，使用DMF作为替代燃料成为可能，并引起了诸多科研人员如火如荼的研究。在国外，研究者把精力放在对DMF的基础研究及化学动力研究上^[8]，他们的研究开始较早且进展快，或领先于国内对于DMF燃烧的了解^[9]。国内则先联想到了将它作为一种生物燃料与柴油混合燃烧，并开展了有关喷雾和燃烧数值模拟方面的很多研究,诸如柴油机燃油喷雾和燃烧过程的数值模拟^[10]；汽油机燃油喷雾和燃烧过程的数值模拟^[11]；甲烷-空气混合燃烧数值模拟^[12]以及醇类／柴油／生物柴油多元燃料联合反应机理的研究^[13]；也对生物质燃料的燃烧特性优化做了一些试验和研究^[6]。

主要工作内容和研究方法

此次研究探讨30%体积分数的DMF/柴油混合燃料的喷油温度、缸内压力（环境背压）、喷孔个数因素对喷雾特性和燃料燃烧特性的影响，利用三维CFD软件AVL-Fire对DMF/柴油混合燃料在定容弹内的喷雾燃烧过程进行模拟，并利用三维模拟分析的方法，形成可求解的数值模型，再用科学计算方法进行数值模拟计算，并将得到的结果和现有实验效果相比较，以此来验证模型的可靠性。确认模型可靠后，就可以继续进行对不同因素改变后的喷雾燃烧情况进行模拟分析。

本文的研究将在充分考虑各种条件限制的前提下，忽略某些微小条件限制，建立模拟发动机气缸内喷雾燃烧排放过程的三维模型，通过设定初始参数和初始边界条件作为控制测量因素的控制，求解出改变发动机气缸内不同因素后对发动机的喷雾过程、燃烧过程和排放产物特性产生的影响。并作出合理详细的分析，尝试解释其中的原理。

柴油机缸内喷雾燃烧数值模拟理论基础

CFD中基本控制方程

质量守恒方程

质量守恒方程是指在化学反应发生的前后，反应物的总质量与生成物的总质量相等，又被称为连续性方程。

用方程可以写作：

式中：ρ是密度，t是时间，u是x方向速度，v是y方向速度，w是z方向速度。

动量守恒方程

动量守恒方程在流体在流动的过程中可以表达为，获得的能量等于表面力和体积力对流体所做功加上流体吸收的热量。

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