船舶与海洋工程

项目概述

本项目以甲醇热化学回收（TCR）船用发动机技术为工程背景，针对甲醇重整气/空气混合物的层流燃烧特性开展系统性实验研究与数值仿真分析。

项目采用高压定容燃烧弹（CVCC）+ L型纹影光学系统+ Phantom高速摄影，通过外向传播球形火焰法测量甲醇重整气/空气混合物的层流燃烧速度。实验参数覆盖当量比 0.6–1.4、初始压力0.1–1.5MPa、甲醇转化率0.1–0.4、CO选择性0–1.0，初始温度固定为423K；同时结合Chemkin-Pro对10种甲醇氧化动力学机理进行评估，并开展火焰稳定性分析。

项目创新点

1. 研究对象更贴近真实甲醇重整气燃烧过程

已有研究多将重整气简化为纯氢掺混，忽略了实际重整气中CO和CO₂的影响。本项目将重整气建模为H₂/CO/CO₂复杂混合物，重点分析氢气促进燃烧、CO₂抑制燃烧、CO参与反应之间的耦合机制，更接近真实甲醇重整燃烧场景。

2. 面向高压工况开展实验

项目在最高1.5MPa初始压力下开展层流火焰传播实验，突破了以往低压工况研究的局限，可为现代船用甲醇发动机燃烧设计提供更直接的数据支撑。

3.开发了球形火焰数据处理平台。

项目基于 Python GUI开发了层流燃烧速度数据处理平台，集成图像读取、火焰半径提取、拉伸率计算、外推拟合和结果输出等功能，提高了批量实验数据处理效率和一致性。

项目成果及应用前景

项目成果：

1. 建立了甲醇重整气层流燃烧速度数据库。

形成了覆盖宽当量比、高压、多甲醇转化率和多 CO 选择性条件下的基础燃烧数据，为后续发动机燃烧模拟和模型标定提供了实验依据。

2. 揭示了关键参数对燃烧速度的影响规律。

研究表明，层流燃烧速度随当量比呈单峰变化，峰值位于 ϕ≈1.1；随初始压力升高而降低，满足幂律关系；甲醇转化率是影响燃烧速度的最显著因素；CO选择性对燃烧速度也有促进作用，但影响相对较小。

3. 明确了适用于该体系的化学动力学机理。

在10种候选机理中，Zhang等（2017）机理预测精度最佳，可作为后续甲醇重整气燃烧仿真的优选机理。

4. 阐明了火焰不稳定性和压力抑制机制。

项目发现有效Lewis数在ϕ–CR参数平面呈现“L形”中性边界，贫燃、高 CR、高压工况下热扩散不稳定性和流体力学不稳定性耦合作用更强；灵敏度分析表明，压力升高会削弱链分支反应的促进作用，同时增强链终止反应的抑制作用，从而导致燃烧速度下降

应用前景：

本项目成果可直接服务于甲醇TCR船用发动机的设计、仿真和优化。建立的层流燃烧速度数据库可作为湍流燃烧模型、缸内燃烧仿真和化学动力学机理验证的重要输入，为甲醇重整气发动机的燃烧组织、点火策略、稀燃控制和高压工况优化提供基础数据支撑。