氩气氛围下氢氧射流混合及燃烧基础问题研究

氩气动力循环是实现内燃机的高效、低排放运行的最有潜力的技术之一，其本质是一种热力循环，以Ar为循环工质，利用Ar的高比热比实现高效运行，通过Ar对N2的替代消除NOx排放，初步的台架实验表明氩氧氛围下天然气发动机指示效率可达47.8%。围绕氩气动力循环发动机基础问题，项目开展了喷射/协同喷射特性与燃烧特性研究。设计加工了高温高背压定容燃烧弹，最高耐压可达30MPa。研究了小分子量气体在高密度环境下的喷射：喷入Ar环境时，O2射流贯穿距相比H2射流贯穿距仅略微低约0~6%，前者卷吸率是后者的2.4~3.0倍；H2射流在空气中的贯穿距比在Ar/O2混合气中的贯穿距增大11%，而锥角相对减小3%；设计了协同喷射方案并开展了试验研究，发现内H2外O2的喷射特性与内O2外H2射流接近；与单一气体射流相比，协同射流的贯穿距离增大，但相应的Ar卷吸量降低。研究表明射流气体分子量大小，以及环境气体密度大小对射流的影响可以忽略，为氢气缸内直接喷射的应用提供了支撑。基于定容燃烧弹研究了H2层流预混火焰的点火与燃烧特性。与空气环境相比，O2/Ar混合气中H2最小点火能量和火焰发展期显著减小；且随着Ar比例的提高，最小点火能量显著提高，火焰发展期延长；随着混合气的过量氧气系数的提高，火焰发展期延长；随着混合气中Ar比例从70%提升至79%，层流火焰速度降低72.6%；可通过控制过量氧气系数实现氩气循环发动机燃烧优化和爆震的控制。基于活化热氛围燃烧器，研究了H2射流在热Ar/O2氛围中的燃烧特性。相比于N2/O2氛围，Ar/O2氛围促进了H2射流的燃烧，火焰起升高度降低，火焰长度延长，火焰更明亮，且出现部分黄色火焰；随着Ar比例的提高，火焰起升高度升高，且此现象在低温区域更加显著。内H2外O2射流火焰的高温燃烧区位于火焰中心，而外H2内O2射流火焰在H2/O2裹挟接触面外侧形成高温燃烧区，外H2内O2的火焰起升高度更低。内H2外O2射流火焰长度整体上小于外H2内O2，前者在过量氧气系数为1时取得最大值，而后者在过量氧气系数为2时达到峰值。研究结果丰富了基础研究数据，为氩气循环发动机样机开发提供技术和策略支撑。

在活塞式发动机中采用封闭式循环，将氢气直喷至10％氧含量的高压氩气氛围中燃烧，利用氩气作为工作介质，可实现最高的热效率和零排放。废气中的氩气将重新循环至发动机的进气，循环中产生的水由冷凝器除去。氢可能来源于化石燃料，也可使用可再生电力如风电或从天然气发电的剩余电力进行电解水制氢（效率> 75％）。H2作为可再生能源的存储源，并能在任何时间利用以氩气作为工质的燃烧循环高效地转换回电能。基于对大缸径直喷氢气发动机的研究，本项目旨在提升对氢气（低密度，高扩散性）喷入热的氩氛围的预测能力，从而优化氩气发动机的直喷策略。基于高温高背压定容燃烧弹和活化热氛围燃烧器，结合高速摄影，研究氢气喷射策略、氢氩喷入氩氧氛围及氧气喷入氩氢氛围的混合及燃烧特性，揭示反应及非反应状态下氢氧氩协同喷射射流特征及影响因素，获得关于氩气氛围下氢气湍流射流的新理论，为未来氩气发动机研发与可持续发展提供优化的燃料喷射策略。

运用弱可压缩流体理论，提出了“脉冲液体活塞效应”新概念，建立了脉冲液体射流泵装置的设计理论，及非定常射流泵装置性能计算理论。对脉冲射流泵进行了试验研究。研制了新型高效率脉冲液体射流泵，其传能效率平均提高了约45%。在机理上突破了液体射流泵装置传能效率低，这一国内外难题。脉冲液体射流泵装置的研制成果，打破了西方发达国家在敏感的核燃料处理输送方面的技术龚断，具有重要的应用价值。本课题研究成果具有重要的学术意义，并在动力、航空、化工、采油等工业领域具有广泛的应用前景。

针对多年来航空航天和舰船射流控制基础理论欠缺的问题，以偏转板伺服阀和射流管伺服阀作为突破口，通过热力学、动力学、振荡流体力学和计算流体力学的深入分析，理论与实践紧密结合，研究射流负压现象、卡门涡街现象和零偏零漂的产生机理与条件，以及冲蚀磨损、三维离心环境和宽温域下的分析方法和理论等基础科学问题。项目主要成果包括：（1）揭示了射流负压现象（即流体在高速射流出口处或某几处出现环状负压区域的现象）和卡门涡街现象（即射流流体受到偏转板阻碍时，下方会出现不稳定的边界层分离而产生两排非对称交错漩涡的现象，一侧顺时针方向而另一侧反时针方向）的机理和产生的特定条件，建立考虑射流能量交换过程的射流伺服阀数学模型，得到了复杂零件微米级几何参数、制造工艺和服役性能之间的映射关系，从试验和理论的两方面，取得了射流伺服阀的设计准则和关键技术。为打破国外技术封锁和限制，研制高可靠性与高适应性的航空航天及舰船射流伺服阀提供了基础理论和关键技术。（2）建立了三维离心环境下基于牵连运动学的电液伺服阀数学模型。建立了射流伺服阀的冲蚀磨损理论与数值模拟方法。建立了宽温域下考虑残余应力的精密偶件轴向/径向尺寸链计算模型。阐释了射流前置级和整阀的零偏零漂产生机理，得到了包含七类24种要素的零偏零漂值综合计算模型，并提出了耐极端环境的零偏零漂的抑制方法与措施、减振制振措施，解决了多年来困扰高端液压元件的零偏零漂、特性不规则与不重复现象的难题，直接为国家型号研制提供了基础保障。（3）在《机械工程学报》《航空学报》《WEAR》等发表期刊论文27篇（其中，SCI2篇、EI16篇），发表会议论文14篇，获得国际会议最优秀论文奖2篇。获得授权发明专利3项，申报发明专利9项。出版专著2部137万字，参与制定行业标准1项。（4）形成了一支精通射流伺服控制的青年学者队伍，指导毕业硕士生9名。正在培养博士生5名，正在培养硕士生2名。