複雜熱流場中多元燃料液滴燃燒機理研究

《複雜熱流場中多元燃料液滴燃燒機理研究》是依託西安交通大學，由魏衍舉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：複雜熱流場中多元燃料液滴燃燒機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：魏衍舉
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

液體燃料內燃機燃燒的核心是各向異性湍流和燃燒物理、燃燒化學耦合作用下的液滴燃燒，以往研究側重於大宗燃料的巨觀物理化學過程，而對湍流的影響及單個液滴燃燒過程的研究不夠深入。本申請利用快速壓縮裝置模擬發動機燃燒室環境，結合紋影高速攝影技術，研究燃燒室複雜流場內多物理參數對單質小分子醇類燃料、大分子碳氫燃料及其多元混合燃料的單個液滴的蒸發、著火、火焰傳播、熄火等燃燒物理和燃燒化學過程耦合作用下的影響規律。探索液滴穩定燃燒的邊界條件，研究多元燃料液滴“微爆”現象產生的條件和醇類燃料對大分子碳氫燃料顆粒物生成的抑制作用機理，並通過對液滴燃燒過程數值模擬研究微納米液滴蒸發燃燒過程以及環境參數的影響，最終闡明多物理參數對多元燃料液滴的燃燒影響機制。研究不但為建立湍流燃燒模型提供基礎數據，為液體燃料的清潔高效利用提供理論指導，也為提高我國內燃機技術水平、實現能源多樣化及建設清潔高效型社會奠定理論基礎。

結題摘要

針對缸內直噴發動機的噴霧、燃燒及湍流相互作用下的複雜流場內的液滴燃燒過程，本項目通過對以甲醇、PODE（聚甲氧基二甲醚）和正庚烷為代表的含氧燃料和大分子碳氫燃料的噴射、霧化機理以及液滴在湍流場中的蒸發和燃燒特性開展研究，探索了液滴在湍流中的燃燒機理。 本項目首先基於兩相流空化模型，針對PODE燃料、噴嘴內部幾何參數（噴孔直徑、進口圓角半徑）、針閥升程動態過程、邊界壓力條件（噴射壓力、背壓）對高壓共軌噴嘴內部流動特性的影響進行了數值計算研究和分析。並進一步針對噴霧初級破碎過程，提出了一種新型多類型3D耦合的噴霧模擬方法，針對性地對不同入結構參數的孔徑噴嘴進行了噴霧數值模擬。進而在定容燃燒彈上對PODE/柴油摻混燃料的噴霧微觀特性進行了試驗驗證。從而系統地研究了液態燃料由噴油器進入燃燒室這段微空間內發生的物理過程。 其次，對燃油噴霧在強渦流場中的擴散特性展開了研究，明確了氣流運動對噴霧運動與燃料擴散的作用機制； 再次，針對液霧在高溫、高速流動空氣中的物理化學過程，在單個液滴微觀破碎與蒸發方面進行了深入研究，具體研究了液滴在室溫、高速對流場中的破碎規律，並展開了液滴在火焰焰後高速氣流中的破碎與蒸發特性研究，初步明確了流動火焰對單個燃料液滴的破碎、蒸發及燃燒的影響。 最後，在利用超聲懸浮液滴製備靜置自由液滴時，我們偶然發現超聲懸浮液滴在火焰的作用下會突然失穩並赤道面產生邊緣噴射，並在數毫秒內將液滴完全霧化。針對該現象我們進行了深入研究，發現液滴表面蒸發可以將其表面由聲絕緣體轉化為聲導體，從而利用聲壓將液滴壓碎，研究將對航空發動機燃燒不穩定機理研究提供有益借鑑。 本項目通過以上系統研究，揭示了流場、溫度和壓力等場量參數對多元燃料液滴破碎、蒸發及燃燒等耦合作用的機理為促進我國發動機基礎燃燒研究水平提高和在發動機領域進行科技創新提供基礎理論支撐。