Abstract ：

为满足现代燃气轮机大功率、高效率、长寿命和低NOx排放的设计要求，燃气透平进口温度不断提高并趋于均匀化设计，导致透平第一级导向叶栅端壁承受着极大的热负荷。叶栅近端壁区域存在三维复杂二次流，对叶栅气动性能和端壁热负荷分布具有显著影响。为减小叶栅通道二次流损失，现代燃气透平第一级导向叶栅端壁多采用轴对称或非轴对称端壁造型设计。受启停机热瞬变、装配误差累积，热胀冷缩及金属腐蚀的共同作用，实际燃气轮机燃烧室出口和透平第一级导向叶栅进口间的端壁不重合问题日益突出，直接影响着端壁二次流结构和端壁热负荷分布。因此，开展来流条件、端壁造型和进口端壁不重合对燃气透平叶栅端壁流动和传热特性的影响研究，对透平叶栅运行寿命评估、端壁高效冷却方案设计具有重要的学术意义和工程价值。 首先，基于三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes（RANS）方程稳态数值求解方法和“两类热边界条件”模型，建立了叶栅端壁传热特性数值预测方法，并对数值方法的准确性进行了实验验证。以Virginia Tech大学的跨音速透平叶栅试验件为研究对象，采用商用CFD软件ANSYS FLUENT 15.0计算评估了4种湍流模型（Reynolds Stress Model, Standard k - ω, Transition SST, Realizable k- ε ）对跨音速叶栅端壁二次流结构、端壁压力和热负荷分布的预测精度。研究表明：基于ANSYS FLUENT 15.0中Reynolds Stress Model （RSM）湍流模型，所提出数值方法能够准确预测跨音速叶栅的端壁二次流结构和端壁热负荷分布。 其次，为评估来流条件对跨音速叶栅端壁流动和传热特性的影响，以平板端壁跨音速叶栅试验件为研究对象，计算分析了六种进口湍流度（Tuin = 1%、5%、10%、13%、16%、20%）、六种进口湍流尺度（Λ = 1mm、3mm、6mm、10mm、20mm、30mm）和三种出口马赫数（Maex = 0.6、0.85、1）下，跨音速叶栅近端壁二次流结构、端壁热负荷分布和叶栅总压损失系数。结果表明：进口湍流强度和出口马赫数变化对叶栅端壁传热特性具有显著影响，湍流尺度影响较小；随着进口湍流度的增大，叶栅通道马蹄涡分离线上游区域端壁热负荷增大，下游区域端壁热负荷减小；随着出口马赫数的增大，端壁传热系数显著增大，尤其在喉部下游；低进口湍流度下，出口马赫数对端壁传热系数影响更为显著。 再次，为评估燃气轮机燃烧室出口与透平第一级导向叶栅端壁不重合对叶栅端壁热负荷分布和运行寿命的影响，以平板端壁跨音速叶栅试验件为研究对象，计算分析了四种进口台阶高度（ΔH/P = 0、0.018、0.036、0.06、0.082、0.12）和三种台阶轴向位置（Δa/C = 0.34、0.48、0.61）下，叶栅端壁热负荷分布、以及后台阶涡系结构、叶栅通道涡系结构发展对叶栅气动性能和端壁传热性能的影响规律。结果表明：叶栅进口台阶结构在叶栅前缘上游区域产生了复杂的后台阶流涡系和显著的局部高热负荷区；随着进口端壁不重合度（台阶高度）增大，叶栅前缘上游高热负荷区逐渐向下游叶栅通道内部迁移，且该高热负荷区的面积和传热系数均显著增大（80% ~ 160%），形状逐渐由节距方向的“条形”演变为“C”字形；随着进口台阶轴向位置向上游偏移，叶栅前缘上游高负荷区逐渐向上游迁移，且压力面侧端壁热负荷逐渐减小；叶栅进口台阶结构使平板端壁叶栅总压损失增大了0.17% ~ 1.5%，且进口台阶结构越靠近叶栅前缘，总压损失越大。 最后，为评估轴对称端壁造型对叶栅端壁流动和传热特性的影响，以某重型燃气轮机透平第一级导叶的叶根和叶顶实际轴对称收敛型造型端壁，以及平板端壁为研究对象，计算分析了九种进口端壁不重合度（ΔH/P = -0.036、-0.06、-0.096、0、0.018、0.036、0.06、0.082、0.12）下，端壁热负荷分布、二次流结构、前向台阶和后向台阶空腔涡系发展和叶栅流动损失。结果表明：相比于平板端壁，轴对称端壁造型显著改变了叶栅通道内部和上游近端壁区域的二次流及复杂涡系的结构和强度，导致叶栅端壁高热负荷区的位置和形状均发生了显著变化；对于轴对称造型端壁叶栅而言，进口后向台阶结构使端壁高传热区的面积和传热系数均显著增大（最大增量达到140%，尤其在围绕叶栅前缘的拱形高热负荷区域），而进口前向台阶结构使高热负荷区域面积和传热系数均减小（10% ~ 40%，尤其在叶栅前缘的近吸力面侧区域）；进口前向台阶结构使轴对称造型端壁叶栅总压损失增大（0.3% ~ 1.3%），后向台阶结构对叶栅总压损失影响较小（< 0.3%）。 本文针对高温燃气透平第一级跨音速导向叶栅端壁流动和传热特性开展了深入的数值研究，揭示了来流条件、进口端壁不重合度和轴对称端壁造型对跨音速叶栅气动性能和端壁流动传热性能的影响规律，为燃气透平跨音速叶栅运行寿命评估、端壁高效冷却方案设计提供理论参考和技术支撑。

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端壁不重合 端壁传热 进口湍流度 跨音速叶栅 轴对称端壁造型

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Abstract ：

预混湍流燃烧是发动机燃烧室中的基础现象，其本质是流动和化学反应之间的相互作用，对湍流燃烧的研究和理解是指导、组织稳定高效燃烧的重要基础。OH-PLIF激光诊断技术能够得到代表瞬时火焰前锋面的OH自由基分布，对湍流-燃烧相互作用规律进行定量的分析，图像处理是从中提取定量参数的关键，直接影响到结果的可靠性，但目前的图像处理方法不完善，无法满足高压强湍流等条件的前锋面提取。另外，近年来天然气发动机在乘用车和公共交通运输中得到了广泛应用，在天然气中掺混氢气能改善燃烧热效率和稳定性、提高经济性、降低排放。但传统燃料的实验或经验数据仍指导着内燃机及其他实际燃机燃烧室的设计标准，高掺氢比的实验研究匮乏，掺氢对燃料特性、化学反应过程、火焰结构及火焰不稳定性的影响尚缺乏系统深刻的认识。 为此，本文系统开展了针对OH-PLIF图像处理方法的优化及高掺氢比甲烷/氢气的预混湍流火焰研究。首先，本文开发了一种自适应阈值二值化方法，通过不同工况处理结果的直观对比和分析不同处理方法对计算得到各统计参数的影响，分析评价了不同方法及其适用性，阐明了本文图像处理方法在高压、高湍流强度等极端条件下的优势。此外，为了研究甲烷掺氢的湍流燃烧特性和化学反应机理及高掺氢比对预混湍流火焰的影响，本文利用OH-PLIF激光诱导荧光诊断系统，得到了宽广掺氢比范围（0%~80%）内共48种工况下的甲烷/氢气/空气预混湍流火焰面结构，计算得到湍流燃烧速度、火焰特性（层流火焰厚度、路易斯数等）及火焰前锋面统计结构（平均火焰体积、火焰刷厚度、火焰面密度、当地火焰曲率等）参数，阐述了掺氢比和湍流强度对这些参数的影响机制，分析了湍流和火焰的相互作用。 全文得到的主要结论如下： 1. 在强湍流和高压等OH-PLIF图像信噪比较低的条件下，传统的全局二值化和canny算法会给火焰前锋面的提取结果引进大量噪点，改进的自适应阈值二值化方法可以提取出清晰连续的火焰前锋面。 2. 对于火焰刷厚度、火焰高度等宏观火焰结构参数，自适应阈值二值法得到的结构略小于另外两种方法。对于火焰面密度、局部曲率半径等参数，高压时自适应阈值二值法可以得到更合理的预混湍流火焰面参数，证实了该处理方法的可靠性。 3. 掺氢比的增加会使火焰厚度减小，有效路易斯数减小，主要由于掺氢使火焰传播速度加快从而减小了火焰厚度，且造成了混合气火焰的热扩散不稳定性增强。高掺氢比火焰前锋面更容易起皱，具有更加精细的结构，湍流强度较大的火焰也具有更多、更细小的褶皱，掺氢比和湍流强度对火焰形态的影响类似，都会通过增强火焰对扰动的响应来改变火焰前锋面结构。 4. 用层流燃烧速度归一化的湍流燃烧速度ST/SL随湍流强度u’/SL明显增大，并且这种趋势随着掺氢比的增大而急剧变陡。这是因为湍流强度的增加使流动对火焰的扰动增强，引起火焰前锋面面积的增加从而使湍流燃烧速度增大；掺氢使火焰的热扩散不稳定性增强，引起湍流和火焰的相互作用增强，火焰对湍流的响应更加明显，因而湍流燃烧速度增加。 5. 掺氢比对火焰体积和火焰刷厚度的影响类似，掺氢比的增加使火焰高度降低，并通过减少火焰前锋面大尺度结构，引起火焰前锋面在中心线上的分布变窄，从而引起火焰体积和火焰刷厚度的减小。掺氢比的增加还通过增加火焰前锋面上的小尺度结构，使当地曲率PDF分布形状变得“矮胖”，还导致火焰面密度增大，且大于40%时火焰面密度的增加趋势更加显著。

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火焰前锋面结构 湍流尺度 湍流强度 湍流燃烧速度 预混湍流燃烧

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Abstract ：

为了研究单一湍流场参数对预混湍流火焰结构的影响,以及拓宽湍流场的强度和尺度范围,发展了一套可变结构的预混湍流燃烧器.采用恒温型热线风速仪标定流场,得到了一系列湍流参数.流场标定结果表明:该燃烧器能显著拓宽湍流强度和尺度范围,并能利用不同几何结构产生多种可控流场,实现研究单一湍流参数对湍流燃烧速度和火焰结构影响的目的.选用有代表性的15种湍流孔板组合结构,利用OH-PLIF燃烧激光诊断技术,开展了湍流燃烧实验,结果表明:湍流强度的增大(1＜u'/SL.0＜10)使得湍流火焰分区扩展到了薄层反应区,火焰面破碎程度明显增强,孤岛结构明显增多.高宏观雷诺数下,积分尺度的增长对湍流燃烧速度起抑制作用,可能存在临界宏观雷诺数Rec,能够表现流体惯性力占主导地位的程度,决定积分尺度对湍流燃烧速度的影响效果.积分尺度能量大,扰动能力强,故积分尺度越大,火焰体积越大;但过高的湍流强度会使火焰面褶皱更加剧烈,小尺度叠加在大尺度上的程度增强,最终也使火焰体积显著增大,掩盖了积分尺度对火焰体积的影响,说明积分尺度(表征大尺度)不如湍流强度(表征叠加小尺度的程度)对火焰放热率影响大.

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火焰体积 湍流尺度 湍流强度 湍流燃烧速度 预混湍流燃烧

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Abstract ：

湍流燃烧是发动机燃烧室和工业燃烧的主要过程，对我国发动机自主研发至关重要，其中湍流和火焰相互作用机理是关键，能在一定程度上帮助理解和实现可控、稳定和高效的燃烧。但由于湍流参数相互影响，难以控制变量，且湍流燃烧对燃烧器有强烈的“几何依赖”性，故可控的湍流强度和尺度对湍流燃烧速度及火焰前锋面结构影响的实验研究目前十分匮乏，并且结果不一致，无法支持评估各类湍流燃烧模型。为了研究宽广湍流强度和尺度范围内单一湍流参数对预混火焰的影响，本文设计了一种变结构的新型预混湍流本生灯，采用4种圆孔形孔板和5种狭缝形孔板作为湍流产生结构，利用多层的、可变间距的位置放置单层或多层孔板，可构造多种湍流本生灯结构，产生多种满足不同需要的湍流场。利用恒温型热线风速仪测量不同孔板类型的单、双层孔板结构的本生灯出口湍流流场，阐明了湍流孔板的几何结构对于湍流生成的本质影响，以及湍流通过多层孔板的破碎机理。利用自主开发的湍流实验数据处理软件，计算了湍流强度、湍动能、积分尺度、泰勒尺度、柯尔莫哥洛夫尺度，得到了湍流能谱。利用湍流场数据处理结果，优化设计了10种孔板组合结构的15种工况，在OH-PLIF激光诊断平台上获得了当量比为0.7的甲烷/空气稀燃预混湍流火焰面结构，计算得到了湍流燃烧速度、火焰面密度、火焰面曲率半径分布等火焰结构参数。本文利用变结构本生灯，区分了若干种湍流参数，排除了部分参数的互相影响，综合研究了湍流强度和积分尺度等单一湍流参数对湍流火焰的影响，分析了各类参数的相对影响程度的强弱，修正了以往研究不统一的实验结论。全文得到的主要结论如下： 1. 该可控湍流尺度预混湍流本生灯可产生准各向同性、多尺度的均匀湍流场，湍流强度范围为5%-40%，同时可在一定程度上实现湍流场的变量控制，进而研究单独变化的湍流参数对预混火焰的影响。 2. 圆形和狭缝的湍流孔板产生的初始涡的结构和尺度不同造成产生的湍流有本质区别。开孔比作为单层孔板的整体几何参数，能够有代表性地控制孔板产生的湍流强度和积分尺度。多层孔板使流体多次破碎，产生包含宽广频率下多尺度涡的准各向同性湍流；但只有当后一层孔板放置上层孔板后的能量峰值处，且遵循“上游大开孔比，下游小开孔比”的原则设计孔板的放置顺序，才能使得连续破碎效果最好，并且产生尽可能强的湍流。 3. 环境压力增大对湍流强度和积分尺度的影响程度较小，可以忽略；但对柯氏尺度影响较大，压力的增大使得柯氏尺度减小。 4. 在相同湍流强度下，高来流速度下积分尺度的增加会使得湍流燃烧速度减小，低来流速度下积分尺度的增加对于湍流燃烧速度无显著影响，主要是由于流体的惯性力比粘性力更强，从而更占主导地位，且来流速度影响火焰发展的快慢，导致火焰的“记忆效应”不同。 5. 积分尺度的增加能够增大火焰体积，但该现象在低流速、高湍流强度下表现得不明显，表明湍流强度（代表小尺度在大尺度上的叠加程度）对火焰体积的影响，比积分尺度（代表大尺度涡）对火焰体积的影响更加显著；在高流速下，火焰高度增大，一定程度上补偿了积分尺度和湍流强度对火焰体积影响的差异性。湍流强度增大时，火焰体积增大幅度大于火焰面褶皱增强幅度，导致火焰面密度随着湍流强度增大而减小；小积分尺度使火焰前锋面更加弯曲且长度更长，火焰前锋面更密集，使得火焰面密度增大。强湍流和小积分尺度均使得火焰面曲率半径减小，小尺度褶皱结构变多，但湍流强度比积分尺度对火焰面曲率半径的影响更显著。

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火焰前锋面结构 湍流尺度 湍流强度 湍流燃烧速度 预混湍流燃烧

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预混稀薄燃烧，由于其清洁高效的特点，被认为是富有应用前景的燃烧技术。但在 实际燃烧装置中，湍流稀燃预混火焰存在着易发生吹熄、燃烧震荡等缺点。为解决此问题，发展湍流预混火焰传播的基础理论十分重要，而研究湍流预混火焰的关键在于理解宽广尺度下流动与燃烧的相互作用。 根据湍流尺度与火焰尺度的相对大小，预混湍流火焰主要分为薄火焰面区、薄反 应区和破碎区，不同的区域内湍流燃烧机制有所不同。当前汽油机、燃气轮机燃烧室中的燃烧主要发生在薄火焰面区内，火焰的传播和结构特征既受湍流控制，又可能会受到自身不稳定性的影响。因此关于火焰自身不稳定性及其对湍流预混火焰的影响的研究不可或缺。另一方面，当进一步增大湍流强度和采用稀燃预混技术时，火焰向薄反应区和破碎区移动，如火箭、航空发动机的燃烧室。此时，燃烧由湍流主导，火焰可能会因为高强度湍流导致局部淬熄甚至整体吹熄。但由于此条件对实验要求更为苛刻，针对性的研究很少，其中湍流与化学反应的相互作用机理尚未探明。 针对以上问题，本人在国家自然科学基金资助下①，开展了一系列基于激光诊断技 术（OH/CH PLIF、LDV），对甲烷/氢气稀燃预混火焰的高频高分辨率的多场测量，系统地研究了层流火焰中自身不稳定性的发生机制和细胞状火焰的尺度特性，低湍流强度下自身不稳定性对湍流火焰的影响以及高湍流强度下高速射流火焰的稳定性问题。通过自主编写的自适应阈值边界提取程序，以及运用本征正交分解和分水岭算法的后处理程序，对实验数据进行了深入挖掘，剖析了不同尺度范围下流动与火焰的相互作用机制，获得主要成果有： 1）采用平面激光诱导荧光技术（PLIF）对在 McKenna 平面火焰炉上产生的细胞 状火焰进行了定量测量和分析，总结了 CH4/H2/Air 平面火焰炉上的火焰稳定性分布区间，并发现了传统线性稳定性模型对非绝热条件下火焰自身不稳定性的发生预测失效。通过线性稳定性理论分析， 发现由于热-扩散不稳定性的作用，火焰易出现细胞状结构。同时，低强度的热损失能够增强热-扩散不稳定性，但是当热损失超过一定值时，则能够抑制热扩散不稳定性的发生。此外，对于长波扰动，浮力对细胞状不稳定的抑制作用也不容忽视。并据此在考虑了浮力和热损失影响的基础上，提出了修正模型，能够更准确地预测火焰自身不稳定性的发生。 2）通过 OH-PLIF 图片定量提取了细胞状火焰前锋面的尺度参数，发现细胞状火焰 的横向尺度和纵向尺度呈正相关关系，均可作为细胞状火焰结构特征尺度。并发现其主要受平均悬浮距离控制，表明热损失是影响细胞状火焰前锋面尺度的主导因素。 3）在自身不稳定性的作用下火焰出现细胞状结构后，进一步增加热损失可以促使细胞状火焰出现非稳态行为。通过创新性地使用本征正交分解方法，提取了细胞火焰 前锋面结构的多尺度特征，并给出了不同尺度对整体褶皱的贡献率，可为建模中网格尺寸的选择提供指导。 4）研究了火焰自身不稳定性对湍流火焰的影响规律，运用本征正交分解法对湍流 火焰前锋面进行多尺度分析，发现了增加燃烧强度的最小褶皱尺度，揭示了富氢燃料因质热扩散不均匀性导致的不稳定效应，即火焰前锋面小尺度褶皱增加，波动幅度增大，湍流火焰速度增加。 5）运用了高速 CH-OH-PLIF 技术实现了天然气稀燃火焰从增厚火焰区到破碎区的 火焰内部结构可视化，提供了在高湍流强度下稀燃预混火焰的重要数据。发现了湍流通过增加反应面积增强了燃烧强度，从而增加了射流火焰的稳定性；但当湍流强度超过一定值，火焰进入破碎区，由于有限化学反应速率的影响，火焰将出现淬熄现象。开发了基于分水岭算法的处理程序，成功提取了反应区厚度，并发现了本实验工况下反应区厚度不随湍流强度改变。根据火焰的整体吹熄和反应区厚度的变化，提出了以 Da= 0.2 作为增厚反应区和破碎区的边界，对湍流预混火焰分区图进行了修正。

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PLIF 本征正交分解 火焰淬熄 火焰自身不稳定性 湍流燃烧

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湍流火焰结构是表征湍流与火焰相互作用的组分、速度、温度等标量场信息,理解湍流与火焰相互作用规律,验证和发展湍流燃烧模型的实验基础.针对传统曲率PDF分布反映湍流火焰面褶皱结构失准问题,利用网络拓扑结构方法可以标记系统关键节点和特征结构,构建湍流火焰面的拓扑结构.本文标记了湍流火焰面上的关键褶皱结构,分析了湍流与火焰的作用规律,结果表明:低湍流强度下,湍流火焰面的关键褶皱结构由火焰自身不稳定性引起;当湍流强度增大,湍流火焰面的关键褶皱结构由湍流尺度决定.在本生灯湍流火焰中,火焰自身不稳定性引起的火焰褶皱与火焰发展距离有关.在本生灯火焰底部,火焰自身不稳定性不引起火焰面褶皱,随着火焰向下游发展,其对火焰面影响逐渐增大,火焰褶皱程度增加.

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火焰不稳定 曲率PDF分布 网络拓扑分析 预混湍流火焰 褶皱结构

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随着人口的增长和人类生活水平的提高，世界各国对能源的需求日益增加，从而导致了严重的能源安全和空气污染问题。能源与环境的严峻形势促进了对替代能源的研究。燃烧基础研究是实现高效、低污染燃烧的关键措施之一。对于新兴的可替代能源，这方面的研究工作开展得还不够深入，特别是对于混合燃料和多组分非单质燃料的一些重要基础数据（例如层流燃烧速度）以及影响其燃烧的各种因素（包括燃料特性、温度、压力以及湍流特性等）的认识还不完备。基于以上考虑，本文提出在定容燃烧弹内开展内燃机替代燃料预混燃烧基础研究。本文利用纹影高速摄像技术，试验测试了火花点火发动机气体替代燃料（包括国产天然气（陕北）、液化石油气（兰州））与空气以及稀释气体组成的混合气体层流火焰传播特性。根据Markstein理论，从纹影火核图像中提取了不同初始温度和压力条件下的火焰传播速度、燃烧气体Markstein长度以及无拉伸层流燃烧速度。试验发现，混合气燃空当量比对这两种燃料-空气混合气拉伸火焰传播速度的影响趋势明显不同。对于天然气-空气火焰，其Markstein长度Lb随当量比的增加而增加，而对于液化石油气-空气火焰，Lb的变化趋势恰好相反，其值随混合气当量比增加而逐渐减小。研究了温度、压力、混合气当量比以及稀释气体对无拉伸层流燃烧速度的影响，将混合气体的层流燃烧速度拟合为压力、温度、当量比以及稀释气稀释率的函数，首次获得了适用于我国陕北天然气以及兰州液化石油气的层流燃烧速度经验公式，以满足未来燃烧模拟研究所需。文中还定义并试验获取了拉伸层流火焰的燃烧速度以及质量燃烧速度。通过比较拉伸火焰层流燃烧速度 和拉伸层流质量燃烧速度 ，发现在火焰拉伸的作用下，无论对于天然气还是液化石油气，它们与空气组成混合气体的拉伸火焰层流燃烧速度都大于拉伸火焰层流质量燃烧速度，而且这种趋势在小火核（大拉伸）时越发明显，其验证了大拉伸易于促进火焰不完全燃烧的理论。对于天然气-空气火焰和液化石油气-空气火焰，它们的 和 相应于火焰曲面拉伸和流场应变拉伸Markstein数随初始温度、压力以及未燃气体当量比的变化规律与它们各自的燃气Markstein数Lb的变化相一致。本文在定容弹内测试了天然气-空气和液化石油气-空气的着火特性，并提出着火极限处存有临界燃烧速度的假设，对废气稀释后的燃料-空气的着火特性进行了估算。计算结果表明选用5cm/s的临界燃烧速度比较合理，计算结果与试验值之间的偏差可以控制在 以内。文中还提出利用压力修正的临界燃烧速度，计算了更高压力和温度条件下燃料-空气-稀释气体的着火特性，计算结果和Huang等人以火焰质量燃烧率为火核稳定特征控制参数的计算结果趋势相一致。本文还对温度在358K～400K范围内醇类、汽油以及它们的混合燃料的燃烧和排放特性在容弹内进行了同等燃烧始点温度下的比较研究。研究指出：汽油中添加醇类燃料明显对火核的形成和发展具有重要影响。尽管所研究的混合燃料中醇类容积分数还不很高，但混合燃料的质量燃烧率曲线和着火落后期已经较为显著地相似于醇类燃料。在同样的燃烧初始温度条件下，添加适当的醇类燃料可以优化燃料的着火性能，随着醇类燃料含量的逐渐增加，混合燃料的着火落后期略有减少，而且其相应于最短着火落后期的最佳燃空当量比在数值上也有降低，表明了混合燃料冷起动燃烧可以不再需要象汽油那样供给更多的燃油（按燃空当量比计）。在稀的燃料-空气条件下，混合燃料的HC排放略微低于汽油，而随着喷入容弹内的燃油量增加，混合燃料的HC排放由于醇类燃料的蒸发而急剧上升，显著超过汽油燃烧的HC排放。但从最优冷态着火当量比的角度考虑，混合燃料的HC排放还是比纯汽油有一定的降低。预混湍流燃烧研究是内燃机燃烧研究的核心。本文还研究了定容燃烧弹内的湍流特性以及湍流特性参数对预混湍流燃烧的影响。文中分析并比较了湍流的循环分辨分析方法和集平均方法处理容弹内流动信号的差别。研究结果证明：对于容弹内湍流流动信号，集平均分析方法无法将真实的湍流和循环变动区分开来，从而会错误地高估湍流强度。文中还特别引入小波变换，提出了基于小波（包）分析的湍流时频谱分析方法。分析了不同湍流生成条件下的湍流强度、湍流积分时间尺度以及湍流时频谱结构。研究指出：要在发动机气缸内生成持久的湍流，可以借助滚流。为分析不同频带湍流成分对燃烧的促进作用，文中还提出了多重截止频率时间平均滤波方法，并将其与小波包分析方法一同运用于湍流特征频带信号分析中。结果证明：湍流积分时间是湍流频率和频率组分比重的函数，湍流组分的积分时间尺度可以被看作介于该频带的湍流信号的特征时间。湍流燃烧试验结果表明，预混火焰成长过程中，湍流燃烧速度可以用湍流强度、层流燃烧速度近似表示为 ，其中线性系数C表示湍流对湍流燃烧的促进作用。试验发现湍流对湍流燃烧的促进作用随湍流火核尺寸的增加而增强，随湍流尺度增大而减弱，于是进一步提出规范化火核尺寸（ ）来简单表示湍流尺度和湍流火核尺寸对火焰燃烧速度的促进作用。研究结果表明，湍流对湍流燃烧的促进作用系数（线性系数C）与规范化火核尺寸之间存有近似线性关系，可粗略拟合为 ，并得出系数 。利用小波包的带通滤波功能和多重截止频率时间平均滤波方法，对湍流频带进行细致划分。采用数学相关分析的方法研究了不同频带湍流组分对燃烧的促进作用。研究结果指出：4.5kHz～7.5kHz的湍流组分对湍流燃烧促进作用最明显，相应的湍流尺度为0.8～1.5mm，接近于层流火焰厚度。并且试验证明这种促进关系不随混合气特性（燃料种类、当量比）的改变而有明显改变。主题词：内燃机；替代燃料；预混燃烧；定容燃烧弹；层流燃烧；着火极限；湍流；湍流燃烧

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层流燃烧 定容燃烧弹 内燃机 替代燃料 湍流 湍流燃烧 预混燃烧 着火极限

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在定容燃烧弹内,利用孔板平动法生成湍流,用热线风速仪测量容弹内的速度.用小波分析技术将湍流分解为具有不同频带的组分,方便地获得了湍流强度、湍流尺度、湍流能谱等湍流特征参数.对具有不同频带的湍流积分时间尺度进行详细研究,结果表明,整个湍流的积分时间尺度代表所有湍流涡的平均寿命,与湍流频率和湍流能量分布有关.

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尺度 能谱 湍流 小波分析

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为了达到内燃机高效、清洁燃烧的要求，本文进行了在定容燃烧弹内生成不同频带湍流特性的方法研究，其目的是为明确预混火焰的传播速度和不同频带湍流特性关系的研究提供实验基础。定容燃烧弹内不同的湍流的频谱特性可以通过改变孔板结构和运动参数来实现。本研究使用热线风速仪测量了定容燃烧弹内不同孔板和不同工况下的气流速度，然后进行湍流强度、自相关系数、湍流尺度及能谱密度的计算。实验结果表明定容燃烧弹内的湍流是剧烈脉动的高度非定常流动，其中包含的能量主要集中在200Hz以下的低频区域，大尺度湍流在低频区域的能量比小尺度湍流的

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定容燃烧弹 能谱密度 频谱分析 湍流

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