低熱值氣體燃料發(fā)動機(jī)燃燒過程及火焰穩(wěn)定性研究.pdf

1、近年來隨著日益嚴(yán)峻的能源與環(huán)境危機(jī)，低熱值氣體燃料以其清潔性與可持續(xù)性給氣體發(fā)動機(jī)的推廣應(yīng)用帶來了較大的發(fā)展空間。由于燃用低熱值氣體時(shí)發(fā)動機(jī)容易發(fā)生燃燒過程不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此如何提高低熱值氣體發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性成為研究代用燃料發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。為了進(jìn)一步深化氣體燃料發(fā)動機(jī)缸內(nèi)湍流燃燒的理論研究，推進(jìn)缸內(nèi)混合氣組織與燃燒過程控制的技術(shù)發(fā)展，本文以低熱值氣體發(fā)動機(jī)缸內(nèi)著火與燃燒過程中火焰面結(jié)構(gòu)的微觀演化過程為研究重點(diǎn)，開展了缸內(nèi)預(yù)混燃燒的

2、湍流渦團(tuán)與火焰面的相互作用過程以及火焰內(nèi)在不穩(wěn)定性效應(yīng)等的多維數(shù)值模擬的基礎(chǔ)研究。研究工作闡明了低熱值氣體發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒過程中火焰面形態(tài)與結(jié)構(gòu)的演化機(jī)理，為清潔高效氣體發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供了理論支持，具有較高的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本文研究了湍流擾動下平面火焰?zhèn)鞑ミ^程中Darrieus-Landau不穩(wěn)定性(D-L不穩(wěn)定性)的發(fā)展過程，求解了湍流場作用下的Michelson-Sivashinsky方程(T-M-S

3、方程)，在此基礎(chǔ)上得出了平面火焰?zhèn)鞑ニ俣仍隽康男拚?在湍流燃燒三維模型中采用橋函數(shù)的方法將D-L不穩(wěn)定性的函數(shù)表達(dá)式引入組分方程的化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)中，建立了包含D-L不穩(wěn)定性效應(yīng)的PaSR-LES燃燒模型，并研究了發(fā)動機(jī)缸內(nèi)流場的湍流分形維數(shù)、渦團(tuán)周轉(zhuǎn)時(shí)間與粘性截止尺度等特征參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，提出了湍流微混合時(shí)間尺度和湍流分形維數(shù)的函數(shù)表達(dá)式;基于電弧與火核跟蹤-歐拉(AKTIM-Euler)方法，建立了適用于大渦模擬的火花點(diǎn)火模型，描述

4、了以燃燒反應(yīng)進(jìn)程變量為權(quán)重的點(diǎn)火能量分配方式;搭建了低熱值氣體燃料發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒的三維數(shù)值模擬仿真平臺，提出了多面體頂點(diǎn)運(yùn)動和分裂重構(gòu)的動網(wǎng)格耦合算法，此方法解決了網(wǎng)格單元結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的偏斜度較大與負(fù)體積等問題;開展了燃用低熱值氣體燃料的定容彈湍流燃燒試驗(yàn)和發(fā)動機(jī)缸壓測定試驗(yàn)研究，分別驗(yàn)證了本文的湍流燃燒模型和發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒的數(shù)值模擬仿真平臺。
　　本文分析了湍流強(qiáng)度和無量綱馬克斯坦長度特征參數(shù)對平面火焰鋒面的位置和形態(tài)隨時(shí)間變化的影

5、響規(guī)律;通過低熱值氣體發(fā)動機(jī)工作過程的模擬計(jì)算，研究了進(jìn)氣與壓縮過程中各階段缸內(nèi)大尺度擬序結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，比較了不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)擬序結(jié)構(gòu)的生成、發(fā)展以及耗散等過程;研究了從點(diǎn)火到初始火核形成的過程中火核半徑等參數(shù)的變化歷程和各發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下渦對與火核相互作用的特征區(qū)域范圍;分析了缸內(nèi)渦團(tuán)運(yùn)動對各火焰面結(jié)構(gòu)形態(tài)的作用;研究了D-L不穩(wěn)定性效應(yīng)作用下湍流火焰面結(jié)構(gòu)的演化歷程，分析了斜壓扭矩對增加火焰面皺褶的作用等。由計(jì)算結(jié)果的分析可知:<

6、br>　　1.高強(qiáng)度渦團(tuán)容易出現(xiàn)在遠(yuǎn)離燃燒室壁面的火焰自由發(fā)展區(qū)域，火焰鋒面處的渦團(tuán)有助于增大火焰面皺褶度，提高湍流火焰?zhèn)鞑ニ俾?渦對運(yùn)動會對火焰面產(chǎn)生卷吸與拉伸的作用，從而促使火焰面上皺褶的產(chǎn)生。
　　2.當(dāng)?shù)蜔嶂禋怏w中惰性氣體組分體積比增大時(shí)，火焰面皺褶度減小;低熱值氣體中摻混一定量氫氣將有利于提高火焰?zhèn)鞑ニ俾剩龠M(jìn)渦團(tuán)運(yùn)動對火焰面的作用，增大火焰面皺褶程度。
　　3.D-L不穩(wěn)定性會導(dǎo)致火焰鋒面處產(chǎn)生斜壓扭矩，此斜壓扭