實際發(fā)動機(jī)燃料的高壓噴射湍流燃燒實驗與機(jī)理研究

本項目以發(fā)動機(jī)燃燒室封閉空間內(nèi)湍流與燃燒的相互作用為研究背景，以發(fā)動機(jī)燃料（甲烷、氫氣、汽油和航空煤油及其替代物）為研究對象，利用西安交通大學(xué)燃燒與著火實驗平臺結(jié)合高速攝像紋影測試技術(shù)開展了以下研究內(nèi)容：（1）通過燃燒彈和激波管測量了實際發(fā)動機(jī)燃料的層流燃燒速率和著火延遲期實驗數(shù)據(jù)，優(yōu)化了其化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型；（2）通過燃燒彈實驗開展了不同初始條件下的實際發(fā)動機(jī)燃料的點火特性，并給出了點火成功率的擬合關(guān)系式，闡明了不同初始條件對燃料點火成功率和最小點火能量的規(guī)律；（3）實驗開展了不同湍流強(qiáng)度下發(fā)動機(jī)燃料的火焰?zhèn)鞑ヌ匦院腿紵匦?，分析了湍流與燃燒的相互作用機(jī)理。本研究完善了實際發(fā)動機(jī)燃料的點火特性、層流/湍流燃燒速率和著火延遲期實驗數(shù)據(jù)，闡明了不同初始參數(shù)對湍流燃燒火焰動力學(xué)的影響機(jī)理，對加深理解湍流與燃燒化學(xué)反應(yīng)的耦合作用和火焰穩(wěn)定性有重要理論價值，對先進(jìn)發(fā)動機(jī)的設(shè)計和研發(fā)具有一定的工程應(yīng)用價值。 項目負(fù)責(zé)人注重國際和國內(nèi)交流，項目執(zhí)行期間多次參加國際和國內(nèi)學(xué)術(shù)會議，研究成果共發(fā)表期刊論文22篇，其中SCI論文20篇，中文核心期刊EI論文2篇，論文發(fā)表在《Proceedings of the Combustion Institute》、《Fuel》、《Energy & Fuels》等國際期刊上。培養(yǎng)博士生3名，碩士生2名。在執(zhí)行項目期間，項目負(fù)責(zé)人胡二江獲得國家自然科學(xué)二等獎一項（內(nèi)燃機(jī)低碳燃料的互補(bǔ)燃燒調(diào)控理論及方法，項目負(fù)責(zé)人胡二江排名第3，2015年）；項目研究成果支撐了項目負(fù)責(zé)人胡二江獲得西安青年科技人才獎（2016年）、陜西省青年科技新星（2017年）和第一屆中國動力工程學(xué)會青年科技獎（2017年）。研究成果對于提升我國在相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的國際影響力起到了一定的促進(jìn)作用，為項目負(fù)責(zé)人的后續(xù)科學(xué)研究打下了堅實的基礎(chǔ)。 2100433B

本項目緊扣“面向發(fā)動機(jī)的湍流燃燒基礎(chǔ)研究”重大研究計劃指南中的第二個科學(xué)問題——受限空間內(nèi)復(fù)雜湍流和燃燒的相互作用，以實際發(fā)動機(jī)燃料（甲烷、氫氣、汽油和航空煤油）為研究對象，利用西安交通大學(xué)層流/湍流燃燒實驗平臺結(jié)合高速攝像紋影測試技術(shù)，通過實驗測量和理論分析，開展先進(jìn)發(fā)動機(jī)研發(fā)過程中所急需的高壓燃燒化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、湍流燃燒實驗數(shù)據(jù)和湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用機(jī)理的研究，構(gòu)建高溫高壓湍流燃燒模型。本研究將填補(bǔ)高壓條件下實際發(fā)動機(jī)燃料的層流/湍流火焰速率實驗數(shù)據(jù)的空白，闡明不同初始參數(shù)對湍流燃燒火焰動力學(xué)的影響機(jī)理，對深層次理解高壓下湍流與燃燒化學(xué)反應(yīng)的耦合作用和高壓火焰穩(wěn)定性有重要理論價值，為先進(jìn)發(fā)動機(jī)的設(shè)計和研發(fā)提供重要理論支撐，具有很強(qiáng)的基礎(chǔ)性和前沿性。研究工作將促進(jìn)我國湍流燃燒和發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)燃燒研究水平的整體提升，支撐國家在內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的科技進(jìn)步與創(chuàng)新。

隨著日益嚴(yán)峻的能源與環(huán)境危機(jī)，低熱值氣體燃料以其清潔性與可持續(xù)性給氣體發(fā)動機(jī)的推廣應(yīng)用帶來了較大的發(fā)展空間?！兜蜔嶂禋怏w燃料發(fā)動機(jī)燃燒過程及火焰穩(wěn)定性》采用多維數(shù)值仿真模擬的方法，對低熱值氣體燃料發(fā)動機(jī)缸內(nèi)預(yù)混燃燒的渦團(tuán)與火焰面相互作用及火焰內(nèi)在D—L不穩(wěn)定性等進(jìn)行了模擬研究，主要內(nèi)容為：氣體燃料湍流預(yù)混火焰T—M—S方程及其數(shù)值算法研究；低熱值氣體燃料發(fā)動機(jī)點火與湍流燃燒的數(shù)學(xué)模型研究；低熱值氣體燃料發(fā)動機(jī)燃燒過程數(shù)值模擬仿真平臺的研究；低熱值氣體燃料發(fā)動機(jī)湍流燃燒過程及火焰的穩(wěn)定性研究。

《低熱值氣體燃料發(fā)動機(jī)燃燒過程及火焰穩(wěn)定性》適合機(jī)電相關(guān)專業(yè)的研究生和科研人員閱讀。

湍流燃燒試驗中需要測試的量一般為:溫度、壓力、燃燒圖像和湍流參數(shù)。其中最為重要的就是要進(jìn)行火焰圖像的測試。目前,隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,非接觸式測量方法得到了廣泛的應(yīng)用。這也為對燃燒過程的深入測試分析提供了重要手段。一般用于記錄燃燒火焰形態(tài)的非接觸式光學(xué)測試方法有:PUF、直接高速攝影。

湍流火焰速率平面激光誘導(dǎo)熒光法

PLIF即平面激光誘導(dǎo)熒光法(Planar-laser Induced Fluorescence)是一種較高靈敏度的濃度測量方法。其原理是當(dāng)激光光子的能量(以波長人來表征)符合分子某兩個能級之間的能量差距時,受該光子照射的分子就會吸收光子的能量而從基態(tài)躍遷到高能態(tài)。而處于高能態(tài)的分子并不穩(wěn)定,因此在一定時間內(nèi)高能態(tài)的分子將會通過輻射和非輻射兩種方式釋放能量而返回到基態(tài),在釋放能量的過程中由分子的自發(fā)輻射而產(chǎn)生的光稱為熒光。熒光可以利用光電倍增管接收,熒光強(qiáng)度與熒光物質(zhì)的濃度成正比例。這一特性是熒光方法運(yùn)用于定量分析的基礎(chǔ)。

激光誘導(dǎo)熒光法的原理是,原子被激光源諧振激勵成為受激態(tài)。這種狀態(tài)不穩(wěn)定,將向較低能級自發(fā)輻射光子而衰減。這種自發(fā)輻射的光子既為熒光,其存在時間為。激光束聚焦到被測場內(nèi),采集光路接受熒光,熒光通過色散器件然后被檢測器轉(zhuǎn)換為電信號。將激光束擴(kuò)展成光屏,可把整個平面成像到陣列檢測器上。其測試原理如圖1所示。PLIF技術(shù)在燃燒場中可以測量某些活化中心如0H組分等也可用于測速,測濃度、測溫等方面。因為PLIF可提供噴霧和燃燒過程詳細(xì)的2D平面信息,測量量級很小的活性組分,故已成為噴霧、燃燒過程組分濃度及火焰結(jié)構(gòu)研究的重要工具。

湍流火焰速率直接高速攝影法

直接高速攝影(攝像)法顧名思義就是利用高速攝影技術(shù)將燃燒過程的火焰形態(tài)變化直接拍攝記錄下來,并在拍攝中使用以燃燒火焰為光源。主要用于火焰顯示,燃料凝相燃燒研究以及粒子尺寸與速度測量等。