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湍流火焰结构表征及高掺氢比甲烷/氢气预混湍流火焰研究 学位论文库
学位论文 | 2019 | Mentor:王金华
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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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GB/T 7714 常敏 . 湍流火焰结构表征及高掺氢比甲烷/氢气预混湍流火焰研究 [D]. , .
MLA 常敏 . "湍流火焰结构表征及高掺氢比甲烷/氢气预混湍流火焰研究" . , .
APA 常敏 . 湍流火焰结构表征及高掺氢比甲烷/氢气预混湍流火焰研究 . , .
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可控流场尺度器及其火焰结构分析 CSCD PKU
期刊论文 | 2018 , (2) , 10-17 | 实验流体力学
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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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GB/T 7714 余芊芊 , 王金华 , 张玮杰 et al. 可控流场尺度器及其火焰结构分析 [J]. | 实验流体力学 , 2018 , (2) : 10-17 .
MLA 余芊芊 et al. "可控流场尺度器及其火焰结构分析" . | 实验流体力学 2 (2018) : 10-17 .
APA 余芊芊 , 王金华 , 张玮杰 , 张猛 , 黄佐华 . 可控流场尺度器及其火焰结构分析 . | 实验流体力学 , 2018 , (2) , 10-17 .
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可控湍流尺度预混湍流本生灯开发及火焰结构研究 学位论文库
学位论文 | 2018 | Mentor:王金华
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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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GB/T 7714 余芊芊 . 可控湍流尺度预混湍流本生灯开发及火焰结构研究 [D]. , .
MLA 余芊芊 . "可控湍流尺度预混湍流本生灯开发及火焰结构研究" . , .
APA 余芊芊 . 可控湍流尺度预混湍流本生灯开发及火焰结构研究 . , .
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甲烷掺氢及合成气预混湍流火焰结构及火焰动力学研究 学位论文库
学位论文 | 2016 | Mentor:黄佐华
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Abstract :

预混湍流燃烧问题不仅是我国先进发动机技术发展及相关工业应用的关键问题和瓶颈之一,也是国际上的前沿科学问题。基础的湍流燃烧实验工作可以揭示流动与化学反应相互作用现象和基本规律,构建湍流燃烧模型,为燃烧数值模拟提供验证实验数据库,供燃烧器设计和优化使用。湍流燃烧数值计算可以从微观上理解火焰面与湍流涡的相互作用规律和机理,修正和完善预混湍流燃烧理论。另一方面,随着能源和环保形势日益严峻,新能源如天然气、合成气等利用越来越广泛。甲烷掺氢以及合成气中高比例氢气会对火焰自身不稳定性和化学反应过程产生非线性影响,从而影响流动与化学反应耦合作用。作为燃料时,燃烧器内湍流燃烧和热释放过程和传统燃料差异明显,因此开展甲烷掺氢以及合成气等替代燃料的基础湍流燃烧研究工作十分必要。 本文在国家自然科学基金以及教育部博士点基金的资助下 ,利用大型激光探测设备(OH-PLIF)系统开展了甲烷掺氢、合成气预混湍流本生灯火焰结构的探测。利用热线风速仪测量了本生灯出口湍流流场及其尺度,自主开发了实验图片处理软件,得到了系统描述预混湍流火焰前锋面结构的参数。另一方面,本文利用Hybrid Navier-Stokes/Level-set数值计算模型定性计算了湍流本生灯火焰。全文得到的主要结论如下: (1) 利用热线风速仪测量了湍流产生板在本生灯出口产生的湍流特性。测量结果表明湍流强度u’和出口流速U呈线性关系。通入空气时,流场积分尺度、泰勒尺度及Kolmogorov尺度先随湍流强度增加迅速减小,并最终趋于一个稳定的值。而通入55:45的CO2:air混合气时湍流各尺度几乎保持不变。两种情况下的湍流雷诺数都随湍流强度线性增加。 (2) 利用OH-PLIF探测技术研究了不同掺氢比下甲烷/氢气湍流火焰前锋面结构。探测结果表明湍流火焰面呈现不同尺度的凹凸状褶皱结构,并且为小尺度褶皱叠加在大尺度褶皱上的结构。火焰前锋面褶皱强度随湍流强度的增大而增强,掺氢可以增强火焰前锋面褶皱程度。湍流燃烧速度ST/SL随湍流强度的增加明显增大,且呈现非线性关系,掺氢引起ST/SL增大,并且在掺氢比较低时增加明显。火焰面密度?随湍流火焰平均进展变量<c>呈现对称分布,分布值在<c> = 0.5处最大。?随掺氢比增加而增大,5%掺氢可以明显增大火焰面密度。湍流强度增大时,平均火焰体积明显增大导致?略微降低,而掺氢对平均火焰体积几乎没有影响。 (3) 根据火焰面密度的定义分析了二维与三维火焰面密度的不同,推导了法向量法火焰面密度二维到三维的估计模型,结合文献中模型进行对比(分别用M1~M5表示)。积分三维火焰面密度得到本生灯系统整体燃料消耗率W,并通过分形方法得到拉伸因子I0。W可以用来评估模型。五种模型得到的3D结果误差都在57%以内。M1表明0.69系数可以用来估计3D的值并且误差在40%以内。M2在大部分湍流强度下都过高地估计了3D的值大约40%,主要由于M2采用火焰面空间上和测量平面上方向角(?和?)平均余弦值近似相等假设本身的不足,即<cos?>s ≈ <cos?>s?存在误差。M3采用相似的?和?分布假设,可以得到相对M1和M2误差较小的燃料消耗率估计。M4和M5假设火焰前锋面的波动在三个方向上相似,通过估计火焰面当地的波动信息来估计当地3D值,估计结果误差最小。湍流火焰的拉伸因子I0,可以修正本生灯系统的燃料消耗率得到误差更小的值。 (4) 对比了CO2稀释富氧燃烧合成气CO/H2/O2/CO2(CHO)和CO/H2/O2/N2(CHA)与CH4/air(CH4)湍流火焰前锋面特性及其统计参数。三种湍流火焰都呈现典型的褶皱前锋面结构。相同湍流强度下CHO火焰面比CHA和CH4火焰更加褶皱,CHO火焰湍流-火焰相互作用明显强于CHA和CH4火焰,火焰对湍流的响应更为积极。CHO火焰湍流燃烧速度明显大于其他两种火焰。CHO火焰面密度明显大于CH4火焰面密度,在湍流强度较低时CHA火焰面密度与CHO差异较明显,湍流强度较高时,差异较小。CHO火焰前锋面曲率半径PDF分布峰值概率最大,而且相应的曲率半径最小,前锋面最小尺度和平均当地曲率半径都随湍流强度减小。CHO平均火焰体积和火焰刷厚度小于CHA和CH4火焰,并且CHA和CHO的差异随湍流强度的增加而减小。 (5) 通过不可压缩Navier-Stokes solver发展一个二维初始场可以得到二维各向同性湍流流场,且湍流满足给定的湍流强度及积分尺度。Hybrid Navier-Stokes/Level-set数值模型可以预测本生灯湍流火焰前锋面的褶皱结构,而且计算结果可以用来分析火焰面在湍流涡作用下相互作用。根据DL不稳定性是否影响火焰传播可以将火焰分为亚临界和超临界区。湍流强度较小时DL不稳定性对火焰面的影响明显,表现为亚临界区火焰面褶皱尺度较大曲率较小,超临界区火焰面上出现伸向已燃气的尖点结构,褶皱尺度较小曲率较大。湍流强度增大时,湍流对火焰的作用逐渐增强,火焰面波动进一步增加,曲率分布峰值和分布范围差异减小。湍流足够强时,DL不稳定性作用完全被湍流扰动掩盖,两种火焰面互相很难分辨,而且曲率分布差异进一步减小。本模型能够定性地预测在相同湍流参数以及无量纲马克斯坦长度下的C3H8/air火焰结构和CH4/air火焰的曲率及当地曲率半径分布规律。

Keyword :

Level-set OH-PLIF 火焰前锋面结构 甲烷掺氢/合成气 预混湍流火焰

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GB/T 7714 张猛 . 甲烷掺氢及合成气预混湍流火焰结构及火焰动力学研究 [D]. , .
MLA 张猛 . "甲烷掺氢及合成气预混湍流火焰结构及火焰动力学研究" . , .
APA 张猛 . 甲烷掺氢及合成气预混湍流火焰结构及火焰动力学研究 . , .
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异辛烷/正丁醇二元燃料层流预混燃烧研究 学位论文库
学位论文 | 2015 | Mentor:黄佐华
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Abstract :

石油是不可再生能源,2012年,我国汽车保有量约1亿辆,共消耗能量约2亿吨油当量,约占全年总石油消耗量的40%。在未来20年,我国的汽车保有量仍将呈快速发展趋势,因此,寻找内燃机清洁替代燃料,减少运输业对石油的依赖,对我国的能源安全具有重要意义。生物乙醇是目前使用最为广泛的内燃机清洁替代燃料之一,与乙醇相比,正丁醇热值更高、亲水性弱、与汽油互溶性好,是比乙醇更理想的内燃机替代燃料。近年来,制取生物丁醇的传统ABE发酵法得到了极大改进,提高了生物丁醇的转化效率,原料也由粮食作物拓展到玉米秸秆等不可食用木质纤维素原料,生产成本大大降低,从而提高了生物丁醇作为内燃机清洁替代燃料的可能性。火花点火发动机气缸内实际燃烧过程是预混湍流燃烧,认识湍流燃烧需要基于对层流燃烧有更深入的理解,层流预混燃烧研究也是发展湍流燃烧理论和相关数值计算的基础。考虑到在未来相当长一段时间内,清洁替代燃料都将以掺混的形式添加到汽油中,因此,本文的研究工作将围绕异辛烷/正丁醇二元燃料层流预混燃烧特性而展开,主要内容包括采用定容燃烧弹装置测量层流火焰速率,获得马克斯坦长度等表征火焰基本特性的参数;研究混合气火焰前锋面不稳定特性;发展二元燃料高温化学反应学机理;结合压力数据研究混合气爆炸特性。本文层流预混燃烧研究的实验部分是在西安交通大学定容燃烧弹装置上完成的,由国家自然科学基金资助。本文主要创新性结论如下: (1) 实验结果表明,随着正丁醇掺混比的增加,层流火焰速率增加。基于一步总反应假设推导出的层流火焰速率与燃料热物性参数之间的关系式表明,层流火焰速率主要由燃料输运参数、绝热火焰温度和总体反应活化能决定,研究发现,掺混正丁醇使得层流火焰速率增加是由总体反应活化能降低造成的。 (2) 马克斯坦数表征拉伸率对火焰传播速率的影响程度,基于一步总反应假设和渐进分析方法发展的火焰传播理论表明,马克斯坦数由热膨胀系数、有效路易斯数和一步总反应活化能决定。实验结果表明,存在临界当量比,?,当?????时,随着正丁醇掺混比增加,马克斯坦数减小,当????时,随着正丁醇掺混比增加,马克斯坦数增大,研究发现,这种非单调的变化趋势是由路易斯数和总反应活化能共同决定的。 (3) 基于已有的正丁醇和异辛烷高温化学反应机理,发展了异辛烷/正丁醇二元燃料的高温化学反应机理,该机理较好地预测了已有的JSR零维均质反应器测得的中间物种摩尔分数和基于一维层流预混火焰测得的层流火焰速率数据。基于该机理分别对异辛烷和正丁醇燃料分子的消耗过程进行了整体反应路径分析,发现异辛烷的强链分支结构使得火焰中存在大量iC4H8、C3H6和CH3等不活跃的中间产物和自由基,它们参与的反应对层流火焰速率起主要抑制作用,随着正丁醇掺混比的增加,这些不活跃的中间产物和自由基的浓度下降,而C2H4、C2H3等对火焰速率起重要促进作用的中间物种和中间基浓度上升。另外,研究还发现,掺混对异辛烷和正丁醇各自的总体反应路径影响很小,相互影响仅存在于小分子中间基和自由基参与的反应。 (4) 实验表明,随着正丁醇掺混比增加,浓混合气的火焰前锋面不稳定性减弱。基于火焰不稳定性理论,从理论上预测了掺混正丁醇对火焰前锋面不稳定性的影响规律。理论计算表明,在火焰面内热质扩散不平衡性和火焰总体反应活性的共同作用下,掺混正丁醇后稀混合气火焰前锋面不稳定增强,而浓混合气火焰前锋面不稳定性减弱。 (5) 基于火焰传播过程中测得的定容燃烧弹压力数据,分析了异辛烷/正丁醇二元燃料爆炸特性。实验结果表明,掺混正丁醇对爆炸压力基本无影响,爆炸时间缩短,最大压力升高率和爆炸强度增加;高压浓混合压力曲线在最高压力值附近发生振荡,压力振荡使得爆炸时间大大缩短,最大压力升高率急剧上升,随着正丁醇掺混比增加,压力振荡现象减弱,最大压力升高率降低,爆炸强度减弱。

Keyword :

层流预混燃烧 掺混 高温化学反应动力学 基础燃烧 正丁醇

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GB/T 7714 章心怡 . 异辛烷/正丁醇二元燃料层流预混燃烧研究 [D]. , .
MLA 章心怡 . "异辛烷/正丁醇二元燃料层流预混燃烧研究" . , .
APA 章心怡 . 异辛烷/正丁醇二元燃料层流预混燃烧研究 . , .
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内燃机替代燃料预混燃烧基础研究 学位论文库
学位论文 | 2005 | Mentor:蒋德明
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Abstract :

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

Keyword :

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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GB/T 7714 廖世勇 . 内燃机替代燃料预混燃烧基础研究 [D]. , .
MLA 廖世勇 . "内燃机替代燃料预混燃烧基础研究" . , .
APA 廖世勇 . 内燃机替代燃料预混燃烧基础研究 . , .
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一种可变湍流参数的定容燃烧弹试验装置 CSCD PKU
期刊论文 | 2001 , (1) , 69-72 | 内燃机学报
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设计了一种可变湍流 参数定容燃烧弹试验装置,用于预混湍流燃烧的基础研究。该试验装置利用带有通孔的板在 容弹内的快速平动来产生可控的湍流,它能方便地改变容弹内充量的湍流参数(包括湍流强 度和湍流标尺)、热力参数(包括燃空比、残余废气系数和压力)以及点火参数(火花塞位置、 电极间隙与点火能量)。介绍了该试验装置的定容燃烧弹、湍流发生系统、混合气配制 系统、点火系统、燃烧压力测量系统、纹影与高速摄影系统以及时序控制系统等子系统的设 计原理、结构及其特点。

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定容燃烧弹 试验装置 预混湍流燃烧

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GB/T 7714 马凡华 , 蒋德明 . 一种可变湍流参数的定容燃烧弹试验装置 [J]. | 内燃机学报 , 2001 , (1) : 69-72 .
MLA 马凡华 et al. "一种可变湍流参数的定容燃烧弹试验装置" . | 内燃机学报 1 (2001) : 69-72 .
APA 马凡华 , 蒋德明 . 一种可变湍流参数的定容燃烧弹试验装置 . | 内燃机学报 , 2001 , (1) , 69-72 .
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的实验研究 CSCD PKU
期刊论文 | 1999 , (1) , 1-4,10 | 内燃机工程
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发动机 燃烧 燃烧弹 湍流

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GB/T 7714 蒋德明 , 马凡华 , 阎小俊 . 的实验研究 [J]. | 内燃机工程 , 1999 , (1) : 1-4,10 .
MLA 蒋德明 et al. "的实验研究" . | 内燃机工程 1 (1999) : 1-4,10 .
APA 蒋德明 , 马凡华 , 阎小俊 . 的实验研究 . | 内燃机工程 , 1999 , (1) , 1-4,10 .
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定容燃烧弹中预混流燃烧的数值模拟 CSCD PKU
期刊论文 | 1999 , (1) , 10-14,38 | 西安交通大学学报
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定容燃烧弹 燃烧 数值模拟 预混湍流燃烧

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GB/T 7714 蒋德明 , 刘亮 . 定容燃烧弹中预混流燃烧的数值模拟 [J]. | 西安交通大学学报 , 1999 , (1) : 10-14,38 .
MLA 蒋德明 et al. "定容燃烧弹中预混流燃烧的数值模拟" . | 西安交通大学学报 1 (1999) : 10-14,38 .
APA 蒋德明 , 刘亮 . 定容燃烧弹中预混流燃烧的数值模拟 . | 西安交通大学学报 , 1999 , (1) , 10-14,38 .
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基础研究的现状和动向 CSCD
期刊论文 | 1999 , (2) , 4-11 | 燃烧科学与技术
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燃烧 湍流 预混

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GB/T 7714 马凡华 , 陈士尧 , 蒋德明 . 基础研究的现状和动向 [J]. | 燃烧科学与技术 , 1999 , (2) : 4-11 .
MLA 马凡华 et al. "基础研究的现状和动向" . | 燃烧科学与技术 2 (1999) : 4-11 .
APA 马凡华 , 陈士尧 , 蒋德明 . 基础研究的现状和动向 . | 燃烧科学与技术 , 1999 , (2) , 4-11 .
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