实际发动机燃料的高压喷射湍流燃烧实验与机理研究

本项目以发动机燃烧室封闭空间内湍流与燃烧的相互作用为研究背景，以发动机燃料（甲烷、氢气、汽油和航空煤油及其替代物）为研究对象，利用西安交通大学燃烧与着火实验平台结合高速摄像纹影测试技术开展了以下研究内容：（1）通过燃烧弹和激波管测量了实际发动机燃料的层流燃烧速率和着火延迟期实验数据，优化了其化学反应动力学模型；（2）通过燃烧弹实验开展了不同初始条件下的实际发动机燃料的点火特性，并给出了点火成功率的拟合关系式，阐明了不同初始条件对燃料点火成功率和最小点火能量的规律；（3）实验开展了不同湍流强度下发动机燃料的火焰传播特性和燃烧特性，分析了湍流与燃烧的相互作用机理。本研究完善了实际发动机燃料的点火特性、层流/湍流燃烧速率和着火延迟期实验数据，阐明了不同初始参数对湍流燃烧火焰动力学的影响机理，对加深理解湍流与燃烧化学反应的耦合作用和火焰稳定性有重要理论价值，对先进发动机的设计和研发具有一定的工程应用价值。 项目负责人注重国际和国内交流，项目执行期间多次参加国际和国内学术会议，研究成果共发表期刊论文22篇，其中SCI论文20篇，中文核心期刊EI论文2篇，论文发表在《Proceedings of the Combustion Institute》、《Fuel》、《Energy & Fuels》等国际期刊上。培养博士生3名，硕士生2名。在执行项目期间，项目负责人胡二江获得国家自然科学二等奖一项（内燃机低碳燃料的互补燃烧调控理论及方法，项目负责人胡二江排名第3，2015年）；项目研究成果支撑了项目负责人胡二江获得西安青年科技人才奖（2016年）、陕西省青年科技新星（2017年）和第一届中国动力工程学会青年科技奖（2017年）。研究成果对于提升我国在相关学术领域的国际影响力起到了一定的促进作用，为项目负责人的后续科学研究打下了坚实的基础。 2100433B

本项目紧扣“面向发动机的湍流燃烧基础研究”重大研究计划指南中的第二个科学问题——受限空间内复杂湍流和燃烧的相互作用，以实际发动机燃料（甲烷、氢气、汽油和航空煤油）为研究对象，利用西安交通大学层流/湍流燃烧实验平台结合高速摄像纹影测试技术，通过实验测量和理论分析，开展先进发动机研发过程中所急需的高压燃烧化学反应动力学、湍流燃烧实验数据和湍流与化学反应的相互作用机理的研究，构建高温高压湍流燃烧模型。本研究将填补高压条件下实际发动机燃料的层流/湍流火焰速率实验数据的空白，阐明不同初始参数对湍流燃烧火焰动力学的影响机理，对深层次理解高压下湍流与燃烧化学反应的耦合作用和高压火焰稳定性有重要理论价值，为先进发动机的设计和研发提供重要理论支撑，具有很强的基础性和前沿性。研究工作将促进我国湍流燃烧和发动机基础燃烧研究水平的整体提升，支撑国家在内燃机、燃气轮机和航空发动机领域的科技进步与创新。

随着日益严峻的能源与环境危机，低热值气体燃料以其清洁性与可持续性给气体发动机的推广应用带来了较大的发展空间。《低热值气体燃料发动机燃烧过程及火焰稳定性》采用多维数值仿真模拟的方法，对低热值气体燃料发动机缸内预混燃烧的涡团与火焰面相互作用及火焰内在D—L不稳定性等进行了模拟研究，主要内容为：气体燃料湍流预混火焰T—M—S方程及其数值算法研究；低热值气体燃料发动机点火与湍流燃烧的数学模型研究；低热值气体燃料发动机燃烧过程数值模拟仿真平台的研究；低热值气体燃料发动机湍流燃烧过程及火焰的稳定性研究。

《低热值气体燃料发动机燃烧过程及火焰稳定性》适合机电相关专业的研究生和科研人员阅读。

湍流燃烧试验中需要测试的量一般为:温度、压力、燃烧图像和湍流参数。其中最为重要的就是要进行火焰图像的测试。目前,随着光学技术的发展,非接触式测量方法得到了广泛的应用。这也为对燃烧过程的深入测试分析提供了重要手段。一般用于记录燃烧火焰形态的非接触式光学测试方法有:PUF、直接高速摄影。

湍流火焰速率平面激光诱导荧光法

PLIF即平面激光诱导荧光法(Planar-laser Induced Fluorescence)是一种较高灵敏度的浓度测量方法。其原理是当激光光子的能量(以波长人来表征)符合分子某两个能级之间的能量差距时,受该光子照射的分子就会吸收光子的能量而从基态跃迁到高能态。而处于高能态的分子并不稳定,因此在一定时间内高能态的分子将会通过辐射和非辐射两种方式释放能量而返回到基态,在释放能量的过程中由分子的自发辐射而产生的光称为荧光。荧光可以利用光电倍增管接收,荧光强度与荧光物质的浓度成正比例。这一特性是荧光方法运用于定量分析的基础。

激光诱导荧光法的原理是,原子被激光源谐振激励成为受激态。这种状态不稳定,将向较低能级自发辐射光子而衰减。这种自发辐射的光子既为荧光,其存在时间为。激光束聚焦到被测场内,采集光路接受荧光,荧光通过色散器件然后被检测器转换为电信号。将激光束扩展成光屏,可把整个平面成像到阵列检测器上。其测试原理如图1所示。PLIF技术在燃烧场中可以测量某些活化中心如0H组分等也可用于测速,测浓度、测温等方面。因为PLIF可提供喷雾和燃烧过程详细的2D平面信息,测量量级很小的活性组分,故已成为喷雾、燃烧过程组分浓度及火焰结构研究的重要工具。

湍流火焰速率直接高速摄影法

直接高速摄影(摄像)法顾名思义就是利用高速摄影技术将燃烧过程的火焰形态变化直接拍摄记录下来,并在拍摄中使用以燃烧火焰为光源。主要用于火焰显示,燃料凝相燃烧研究以及粒子尺寸与速度测量等。