大涡模拟甲醇/正十二烷混合燃料喷雾自燃特性研究

《Fuel Processing Technology》：Large eddy simulation of auto-igniting methanol/n-dodecane blend spray flames

　　

研究人员采用大涡模拟（LES）方法，在OpenFOAM平台上结合发动机燃烧网络（ECN）Spray?D喷油器，研究了不同配比的甲醇/正十二烷混合燃料的自燃特性，环境温度设定为900?K、950?K、1000?K及1100?K。主要目标是确定满足发动机相关点火延迟时间（IDT）<1?ms的最大甲醇掺混比例。数值框架验证了现有ECN正十二烷数据、新的纯甲醇ECN实验数据以及来自燃烧研究单元（CRU）的甲醇?辛醇?柴油混合燃料实验结果。研究筛选出四种满足IDT标准的工况：（I）10%甲醇/90%正十二烷，900?K；（II）20%甲醇/80%正十二烷，950?K；（III）30%甲醇/70%正十二烷，1000?K；（IV）70%甲醇/30%正十二烷，1100?K。结果表明，提高甲醇比例会因高汽化潜热及低温阶段净消耗OH自由基而抑制点火；工况I与II在富燃条件下点燃，工况III接近化学计量比条件，工况IV则在贫燃条件下点燃。工况IV中心温度更高，NO排放增加，C2H2生成减少，但所有工况在准稳态下的放热率相似。

本研究发表于《Fuel Processing Technology》，聚焦于压燃式发动机中甲醇/正十二烷混合燃料的自燃行为。当前，甲醇因其低排放、可持续生产路径及易储存等优势被广泛关注，但其十六烷值低、汽化潜热高导致点火稳定性差，尤其在低温和低负荷条件下易出现燃烧不稳定和高碳氢排放。同时，甲醇与柴油互溶性差，需要助溶剂，这增加了实际应用的复杂性。因此，明确不同环境温度下可稳定燃烧的最大甲醇掺混比例，对于优化混合燃料配方及发动机运行条件具有重要意义。研究人员通过开展高保真大涡模拟并结合实验验证，系统分析了不同掺混比例与温度对点火延迟、燃烧区域分布及排放特性的影响，揭示了甲醇掺混对低温化学反应和高温火焰发展的抑制作用及机制。

关键技术方法包括：①采用Cantera软件进行零维均质反应器分析，基于混合线概念评估不同甲醇/正十二烷配比在不同环境温度下的点火延迟特性；②在OpenFOAM平台开展三维大涡模拟，使用隐式大涡模拟（ILES）方法，结合自适应网格细化（AMR）与动态负载平衡，确保喷雾区空间分辨率达到62.5?μm；③喷雾与燃烧模型采用coneCylinder喷射模型、Ranz–Marshall传热关联式和liquidEvaporationBoil相变模型，化学动力学使用改进的Polimi96机理（含扩展Zeldovich反应）计算反应源项；④验证数据来源于ECN Spray?A与Spray?D实验以及CRU甲醇?辛醇?柴油混合燃料实验，涵盖液/气相穿透长度、点火延迟时间与火焰抬升长度等指标。

研究结果如下：

0D均质反应器分析

在不同环境温度下，甲醇比例升高显著延长最小点火延迟时间（IDT_MR），且最活泼混合分数（Z_MR）随甲醇含量增加由富燃区向贫燃区转移，并在75%–90%甲醇区间出现双局部最小值现象。

三维LES模拟结果

筛选出的四种工况均满足IDT_LES< 1?ms的标准，且每增加10%甲醇均会导致IDT超过阈值。甲醇比例升高显著延长第一阶段与第二阶段点火延迟时间。点火位置随甲醇含量变化：工况I、II在富燃区点燃，工况III接近化学计量比，工况IV在贫燃区点燃。甲醇主导工况（IV）的中心线温度最高，平均喷雾温度在各工况中相近。

时空演化特征

低温燃烧（LTC）区域面积随甲醇比例增加而减小，高温燃烧（HTC）贡献占总放热率的80%以上，且在工况IV中HTC峰值最高，但在准稳态下降至300–400?kW。NO排放随温度升高显著增加，工况IV的NO浓度约为工况I的2.5倍；C₂H₂（乙炔， soot前驱体）浓度在工况IV下降约2.2倍；CO排放各工况差异不大。

结论与讨论

研究明确了不同温度下可实现稳定燃烧的最大甲醇掺混比例，揭示了高汽化潜热和OH自由基消耗是抑制点火的主要化学物理机制。甲醇主导工况的点火发生在更贫燃的混合区，且NO排放受温度影响显著。研究结果为甲醇?柴油混合燃料在压燃式发动机中的应用提供了可靠的理论依据与数值参考。

结论翻译：

本研究通过大涡模拟方法，确定了在发动机相关点火延迟时间阈值内可实现稳定燃烧的甲醇/正十二烷混合燃料最大掺混比例，分别为900?K下10%、950?K下20%、1000?K下30%、1100?K下70%。甲醇的高汽化潜热及低温阶段OH自由基的净消耗显著抑制点火过程，且点火位置随甲醇比例从富燃区向贫燃区移动。甲醇主导工况在准稳态下表现出更高的中心线温度、NO排放及高温燃烧放热峰值，但低温燃烧贡献率最低。研究验证了数值框架的准确性，为混合燃料发动机设计与排放控制提供了科学依据。