內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中熱聲耦合機(jī)理的研究.pdf

1、熱聲耦合的本質(zhì)是空間中熱能與聲能相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象,目前,國內(nèi)外熱聲領(lǐng)域的研究主要集中在熱聲制冷,火箭推進(jìn)器等方向。在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域,雖然研究者們已認(rèn)識到燃燒室的壓力振蕩與燃燒過程尤其是爆震燃燒關(guān)系十分緊密,然而由于內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中聲學(xué)振蕩的復(fù)雜性,目前聲波在燃燒室中的具體作用如何仍然沒有定量描述,因此對內(nèi)燃機(jī)燃燒中的熱聲耦合問題進(jìn)行研究具有重要意義。
　　 本文首先以火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)為研究對象,通過分析所引用的可視化發(fā)動機(jī)高速攝影燃燒照

2、片,應(yīng)用聲學(xué)軟件SYSNOISE建立了能描述燃燒室結(jié)構(gòu)特征的聲模態(tài)計算模型并進(jìn)行了頻響分析?；谝讶紖^(qū)和未燃區(qū)等燃燒特征,建立聲學(xué)時域計算模型,開展單點(diǎn)和多點(diǎn)激勵下的燃燒室壓力波瞬態(tài)響應(yīng)計算,初步研究了燃燒室壓力場的時域特性和變化規(guī)律。
　　 隨后,通過對柱坐標(biāo)系波動方程已有的經(jīng)典解法的討論,可知經(jīng)典解法在求解內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中聲場的困難,得出必須采用數(shù)值方法求解的結(jié)論。之后,將準(zhǔn)維模型與聲學(xué)模型相耦合,通過合理簡化,采用數(shù)值解法

3、并編制程序進(jìn)行計算,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表明,該方法能粗略反應(yīng)內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中的熱聲耦合性質(zhì)。
　　 為更深入了解燃燒過程中壓力的聲學(xué)振蕩現(xiàn)象,在分析KIVA的流場求解算法基礎(chǔ)上,根據(jù)KIVA的流場求解方程組推導(dǎo)出能夠運(yùn)用于內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中熱聲耦合計算的波動方程。該方程表明內(nèi)燃機(jī)燃燒室的聲波受到多個源項(xiàng)的激勵,包括化學(xué)反應(yīng)放熱、粘性耗散、湍流產(chǎn)生項(xiàng)和耗散項(xiàng)、熱傳導(dǎo)、焓耗散等,具有三維非穩(wěn)態(tài)瞬變的特點(diǎn),必須與KIVA的模擬相結(jié)合進(jìn)行求解

4、。根據(jù)所得方程構(gòu)造相應(yīng)的差分方程,給出了在與KIVA相結(jié)合時計算的穩(wěn)定性條件及其數(shù)學(xué)證明。推導(dǎo)圓筒結(jié)構(gòu)混合氣-氣缸-水三層結(jié)構(gòu)的聲波反射系數(shù)的表達(dá)式,以具體應(yīng)用與熱聲耦合的計算過程中。
　　 根據(jù)所得的波動方程編制計算程序,在燃燒模擬過程中實(shí)時獲取對燃燒室聲場的各種激勵源,得出了各源項(xiàng)的定量化計算結(jié)果,容易看出化學(xué)反應(yīng)放熱是燃燒過程聲波產(chǎn)生的主要激勵源。計算了某汽油機(jī)各種爆震工況的特性,通過與實(shí)測爆震時氣缸壓力振蕩的對比,表明用

5、波動方程計算內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中聲場是可行的。提取多個特征點(diǎn)的振蕩歷程,經(jīng)分析知燃燒室不同點(diǎn)的振蕩在頻率分布和幅值上相差較大,各種聲學(xué)結(jié)構(gòu)和燃燒參數(shù)對燃燒中的聲學(xué)振蕩有明顯的影響。
　　 在分析了內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中的熱聲耦合現(xiàn)象與現(xiàn)有熱聲裝置的異同后,本文將波動方程與燃燒計算軟件KIVA3V相結(jié)合,根據(jù)熱聲理論,定量的計算了熱聲耦合在內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中的作用。對于文中汽油機(jī),引用高速攝影圖片對燃燒過程進(jìn)行描述,與計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)