类型a：学术研究报告
作者及机构
本研究的通讯作者为Yuan Zhuang（合肥工业大学汽车与交通工程学院），合作作者包括Xiaoyan Li、Xinyan Wang（布鲁内尔伦敦大学先进动力与燃料中心）、Yejian Qian及Rui Zhai（均来自合肥工业大学）。研究成果发表于《Journal of the Energy Institute》第111卷（2023年），论文在线发布于2023年8月24日，文章编号101388。
研究领域与动机
本研究属于燃烧动力学与替代燃料交叉领域，聚焦甲醇（methanol）作为内燃机替代燃料的燃烧特性优化。甲醇因其可通过二氧化碳直接合成（e-methanol）、运输便捷及燃烧特性优异被视为理想替代燃料，但工业生产中脱水步骤成本高昂，直接使用含水甲醇（hydrous methanol）成为潜在选择。然而，水对甲醇燃烧的影响机制尚未明确，尤其在发动机相关条件下的化学动力学模型缺乏高精度简化机制。
科学问题
1. 现有甲醇燃烧机理复杂（如Burke机制含大量反应），难以耦合计算流体力学（CFD）模拟；
2. 水添加对甲醇燃烧的化学与物理效应（如点火延迟时间IDT、层流火焰速度LFS）的影响缺乏系统性分析；
3. 甲醇-柴油双燃料发动机中，水含量的提升如何通过抑制爆震提高柴油替代率（DSR）。
研究目标
开发一种适用于甲醇-柴油混合燃料的简化动力学模型（NT-M模型），解析水对甲醇燃烧的影响机制，为双燃料发动机设计提供理论依据。
1. 机理模型构建
- 策略：采用解耦方法（decoupling methodology），将机理分为三部分：
- C0–C1子机理：详细的小分子反应路径（来自AramcoMech 1.3），优化甲醇氧化关键反应（如更新CH₃OH + HO₂→CH₂OH + H₂O₂速率常数）；
- C2–C3子机理：过渡机制（基于AramcoMech 1.3，修正C₂H₄ + H→C₂H₃ + H₂等反应）；
- C4–CN子机理：简化正庚烷/甲苯（n-heptane/toluene）骨架机制（代表柴油燃料）。
- 耦合优化：整合上述子机理并添加简化NOx机制（4物种，13反应），通过Chemkin-Pro验证IDT与LFS预测精度。
2. 实验验证
- 点火延迟时间（IDT）：对比甲醇/空气、正庚烷/空气、甲苯/空气混合物的实验数据（激波管与快速压缩机），NT-M模型成功复现负温度系数（NTC）行为及压力/当量比影响。
- 层流火焰速度（LFS）：采用1D预混火焰代码，验证甲醇/空气混合物在343–428 K下的LFS，模型预测误差%。
- CFD耦合验证：将NT-M模型嵌入CONVERGE软件，模拟双燃料发动机缸内压力与放热率，最大误差7.6%。
3. 水效应分析
- 设计对比组：纯甲醇（W0）、20%水（W20）、40%水（W40），引入虚拟组分f-H₂O区分物理与化学效应。
- 化学动力学分析：通过敏感性分析（sensitivity analysis）与反应路径分析（reaction pathway analysis），识别关键反应（如CH₃OH + HO₂→CH₂OH + H₂O₂对IDT的抑制作用）。
1. 模型性能
- NT-M模型含62物种、222反应，较传统机制（如AramcoMech 1.3）显著提升富燃料条件下LFS预测精度（误差降低30%）。
- 对甲醇-柴油混合燃料的IDT预测与实验数据吻合（R²>0.95），尤其在高压（20–40 bar）与低温（<1000 K）区间。
2. 水的影响机制
- 物理效应：主导作用，水添加降低燃烧温度，导致IDT延长（W40较W0增加50%）及LFS下降（W40降幅达40%）。
- 化学效应：
- IDT：通过抑制CH₃OH + HO₂→CH₂OH + H₂O₂反应，减少H₂O₂生成，延缓点火（化学贡献<20%）；
- LFS：促进HCO生成（通过CH₂O + OH→HCO + H₂O），化学效应使LFS小幅提升（<10%）。
- 当量比依赖性：化学效应在贫燃条件（Φ=0.6）可忽略，在富燃条件（Φ=1.5）显著增强。
科学意义
1. 提出首个基于解耦方法的甲醇-柴油简化机理，平衡计算效率与精度；
2. 阐明水通过物理冷却与化学链式反应调控甲醇燃烧的双重路径，填补含水甲醇燃烧动力学空白。
应用价值
1. 为双燃料发动机高水分甲醇使用提供理论支持，可实现更高柴油替代率（DSR）及更低NOx排放；
2. 推动e-methanol（碳中性燃料）在船舶/商用车领域的实际应用，降低生产成本15%（跳过脱水步骤）。
其他价值
- 公开优化的反应速率常数（如CH₂OH + O₂→CH₂O + HO₂）可为后续甲醇机理研究提供基准；
- 提出的f-H₂O虚拟组分法可推广至其他含水燃料研究。