摘要
乙醇燃料作为一种可再生能源，目前被广泛用作航空煤油、汽油、柴油的掺混及替代燃料。相比于传统化石燃料和其他生物燃料，乙醇具有生产成本低、燃烧极限宽、火焰传播速度快以及燃烧产物清洁等优点，但当乙醇作为燃料直接燃烧时，存在能量密度低等问题而降低了其燃烧性能。铝纳米颗粒(Al NPs)和硼纳米颗粒(B NPs)作为高能固体燃料，其体积热值高、比表面积大、反应活性高和燃烧焓高，将其添加到乙醇燃料中形成Al/乙醇和B/乙醇纳米流体燃料可以有效克服乙醇的局限性，提高燃料的整体性能。但其在燃烧过程中存在瞬时性和多相耦合反应的复杂性，采用实验手段无法透彻且全面明确其点火与燃烧机制。因此，从微观角度研究乙醇基纳米流体燃料的点火与燃烧反应机理，对解决上述问题具有重要的意义。本文主要通过反应分子动力学模拟(ReaxFF-MD)、密度泛函理论计算(DFT)并结合实验，从微观角度对Al/乙醇纳米流体燃料的点火、燃烧以及团聚抑制进行研究，同时对B/乙醇纳米流体燃料的点火反应机理进行探索，旨为其在发动机中的早期应用提供理论支撑。 首先，对Al/乙醇纳米流体燃料稳定性、点火特性、燃烧特性以及燃烧团聚进行研究。结果表明:Al NPs与乙醇之间的吸附及电子交换可以增加Al NPs之间的排斥力，从而提高Al NPs在乙醇中的分散性;Al NPs的加入可以加快乙醇的消耗速率，进而缩短乙醇燃料的点火延迟时间，降低反应活化能;较高的温度(3000 K)和小粒径(3 nm)的Al NPs在乙醇燃烧中发生微爆炸，且微爆炸具有压力升高快、体积膨胀大、Al团簇生成数量多以及Al NPs扩散速率快的燃烧特征;同时，氧化壳在一定程度上抑制了核心Al原子的扩散燃烧，其反应主要是壳层氧原子向Al核心区域迁移，核心Al原子向壳层边界迁移的双向过程;聚偏氟乙烯(PVDF)可以与氧化壳发生氟化反应，有效抑制Al NPs的燃烧团聚。 其次，对Al NPs与PVDF的氟化反应机理开展了研究，以明晰PVDF抑制Al NPs燃烧团聚的作用机制。结果表明:PVDF以氟(F)端吸附在Al NPs表面，随后发生分解并且与氧化壳发生氟化反应;PVDF更倾向F原子的连续解离而与Al NPs发生反应;30％摩尔比的PVDF在3000 K下比5％、15％、20％的PVDF摩尔比更能促进Al NPs的能量释放和消耗;Al NPs的能量释放、O2和Al NPs的消耗以及Al—F键的数量随温度升高而增加，并且高温会增加Al NPs的膨胀体积，缩短Al NPs的膨胀时间，促进其燃烧。 再次，通过研究镍纳米颗粒（Ni NPs）掺杂对Al/乙醇纳米流体点火特性的影响规律，探索了 Ni NPs改善Al/乙醇纳米流体点火特性的反应机制。结果表明:添加1.0、2.0和2.5 wt.％的Ni NPs,可使Al/乙醇液滴在800℃下的点火延迟时间分别降低21.4％、23.8％和35.7％;乙醇可以通过氧原子以化学吸附的方式吸附在Ni表面，并且随着乙醇覆盖度的增加，其吸附能保持不变;乙醇可以生成更容易点燃的CH3CHO物种，促进其点火，同时，在Ni表面生成的CH3CO和O含氧物种可以改善乙醇的点火特性。 最后，探索了 B/乙醇纳米流体燃料的点火反应机理。加入1.0、2.5、5.0和10.0 wt.％的B NPs可以显著降低乙醇液滴的点火延迟时间，并且随着BNPs固含量浓度的增加，液滴点火延迟时间呈现先增大后减小的趋势;乙醇分子在B表面直接发生了解离吸附，降低乙醇分解的难度，有利于乙醇的点火;BNPs不仅可以抑制碳物种的生成，并且乙醇生成的相关中间物种可以稳定地吸附在B表面，增加B/乙醇纳米流体燃料的可燃气体密度。
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