低热值气体燃料发动机燃烧过程及火焰稳定性研究

【摘要】近年来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。由于燃用低热值气体时发动机容易发生燃烧过程不稳定现象,因此如何提高低热值气体发动机的燃烧稳定性成为研究代用燃料发动机领域的热点问题。为了进一步深化气体燃料发动机缸内湍流燃烧的理论研究,推进缸内混合气组织与燃烧过程控制的技术发展,本文以低热值气体发动机缸内着火与燃烧过程中火焰面结构的微观演化过程为研究重点,开展了缸内预混燃烧的湍流涡团与火焰面的相互作用过程以及火焰内在不稳定性效应等的多维数值模拟的基础研究。研究工作阐明了低热值气体发动机缸内燃烧过程中火焰面形态与结构的演化机理,为清洁高效气体发动机燃烧系统的优化和设计提供了理论支持,具有较高的学术意义和工程应用价值。本文研究了湍流扰动下平面火焰传播过程中Darrieus-Landau不稳定性(D-L不稳定性)的发展过程,求解了湍流场作用下的Michelson-Sivashinsky方程(T-M-S方程),在此基础上得出了平面火焰传播速度增量的修正公式；在湍流燃烧三维模型中采用桥函数的方法将D-L不稳定性的函数表达式引入组分方程的化学反应源项中,建立了包含D-L不稳定性效应的PaSR-LES燃烧模型,并研究了发动机缸内流场的湍流分形维数、涡团周转时间与粘性截止尺度等特征参数的内在联系,提出了湍流微混合时间尺度和湍流分形维数的函数表达式；基于电弧与火核跟踪-欧拉(AKTIM-Euler)方法,建立了适用于大涡模拟的火花点火模型,描述了以燃烧反应进程变量为权重的点火能量分配方式；搭建了低热值气体燃料发动机缸内燃烧的三维数值模拟仿真平台,提出了多面体顶点运动和分裂重构的动网格耦合算法,此方法解决了网格单元结构出现的偏斜度较大与负体积等问题；开展了燃用低热值气体燃料的定容弹湍流燃烧试验和发动机缸压测定试验研究,分别验证了本文的湍流燃烧模型和发动机缸内燃烧的数值模拟仿真平台。本文分析了湍流强度和无量纲马克斯坦长度特征参数对平面火焰锋面的位置和形态随时间变化的影响规律；通过低热值气体发动机工作过程的模拟计算,研究了进气与压缩过程中各阶段缸内大尺度拟序结构的演变规律,比较了不同发动机转速下缸内拟序结构的生成、发展以及耗散等过程；研究了从点火到初始火核形成的过程中火核半径等参数的变化历程和各发动机转速下涡对与火核相互作用的特征区域范围；分析了缸内涡团运动对各火焰面结构形态的作用；研究了D-L不稳定性效应作用下湍流火焰面结构的演化历程,分析了斜压扭矩对增加火焰面皱褶的作用等。由计算结果的分析可知：1.高强度涡团容易出现在远离燃烧室壁面的火焰自由发展区域,火焰锋面处的涡团有助于增大火焰面皱褶度,提高湍流火焰传播速率；涡对运动会对火焰面产生卷吸与拉伸的作用,从而促使火焰面上皱褶的产生。2.当低热值气体中惰性气体组分体积比增大时,火焰面皱褶度减小；低热值气体中掺混一定量氢气将有利于提高火焰传播速率,促进涡团运动对火焰面的作用,增大火焰面皱褶程度。3.D-L不稳定性会导致火焰锋面处产生斜压扭矩,此斜压扭矩将会增加火焰面皱褶程度；火焰面穿过湍流涡对,应变率随之被D-L不稳定性效应影响,其正负符号与曲率相同,火焰锋面的焰后已燃区逐渐出现与焰前未燃区中方向相反的涡团。图140幅,表14个,参考文献184篇。
【作者】许健；
【导师】张欣；
【作者基本信息】北京交通大学，载运工具运用工程，2014，博士
【关键词】低热值气体；发动机；湍流燃烧；火焰不稳定性；涡团；火焰面；

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