定容燃烧弹内压力振荡机理研究

本文基于一种具有较好发展前景的醚类汽油添加剂异丙醚(DIPE),在定容燃烧弹内研究了该燃料在不同初始压力下随当量比变化的压力振荡特性。实验结果表明,压力振荡强度随当量比增加呈先增大后减小的趋势,且在当量比1.4附近达到最大值;随初始压力增大,压力振荡的强度也增强。本文通过利用He和CO₂以不同掺混比替代N₂作为稀释气体,验证了定容燃烧弹内的压力振荡主要由压力波与火焰相互影响引起,火焰自加速和混合气能量密度对压力振荡有至关重要的作用。     

定容燃烧弹内压力振荡特性研究

本文在定容燃烧弹上研究了正庚烷与异辛烷在不同掺混比下的压力振荡特性,并分析了燃烧过程中的声压信号和火焰图片的亮度与压力振荡特性的联系。研究表明,随着正庚烷掺混比的增加,压力振荡的强度逐渐增强;同一掺混比下,压力振荡强度随当量比的增加,先增大后减小。实验中声压和火焰亮度的变化趋势与压力相同。最后,利用Ar/He/CO_2三种惰性气体替代N_2进行实验,证明容弹内的压力振荡是火焰自加速引起的。     

高比例氢气对受限空间旋流钝体火焰结构的影响

氢是非常有潜力的清洁能源载体,富氢燃料燃烧是降低碳排放的可行方式.燃料掺氢会使火焰结构发生明显改变,进而会影响燃烧过程的排放特性与稳定性.然而,氢气掺混对旋流钝体火焰结构影响机理还不甚明确,高掺氢比下火焰结构特征的研究尚且不足.本文基于预混CH4/H2旋流钝体火焰,对宽广掺氢比范围内(0％～80％)的火焰多场信息进行了...     

柴油机PPCI燃烧模式下预喷策略对缸内高频压力振荡的影响机理研究

柴油机燃烧噪声产生的原因为气动载荷和高频压力振荡,其中高频压力振荡对燃烧噪声有重要影响。为研究柴油机PPCI燃烧模式下预喷对缸内压力高频振荡产生的影响机理,在一台直喷单缸柴油机进行预主喷燃烧试验。利用小波时频分析的方法,将试验测定的缸压曲线进行处理从而得到缸内高频压力振荡的时频图,并重点对其进行分析。分析结果表明,在预主喷试验条件下,压力高频振荡的影响无法通过放热率定性地反映出来。此外主喷燃烧对高频振荡的影响小于预喷燃烧,而且大预喷量结合较早的预喷时刻的喷油策略产生的高频压力振荡最小。预主喷产生高频压力振荡主要分布在-4～16°CA,压力振荡的频段主要集中于4000～5000 Hz和6000～8000 Hz,其中预喷燃烧产生的高频压力振荡的频率范围比主喷燃烧大。     

稀释剂对H2/CH4预混火焰熄灭特性影响

掺氢天然气在稀释气体作用下的熄灭特性研究对实际燃烧设备的设计和优化具有重要的指导意义。本文利用对冲火焰法测量了掺氢天然气层流火焰在N₂和CO₂作用下的熄灭拉伸率,并采用数值模拟耦合详细化学反应机理对N₂,CO₂和He的稀释剂效应展开研究。结果表明,Li、GRI Mech 3.0和FFCM-1机理均能定性反映燃料熄灭拉伸率随当量比的变化规律,且FFCM-1机理综合预测精度最高。实验和模拟发现,不同稀释剂气体对掺氢天然气熄灭拉伸率降低幅度满足:He22。进一步研究发现,CO₂由于热容大,在反应体系中会降低火焰温度,同时增强了链终止反应强度,通过热效应和化学效应两方面对火焰熄灭特性起作用。He则能显著改变燃料混合物的平均摩尔质量,从而改变体系中重要反应物和自由基的扩散特性,从扩散效应方面影响火焰的熄灭特性。     

CH4/空气简化动力学机理数值验证

选择绕圆柱预混燃烧算例，验证CH₄/空气三种简化动力学机理（16s41r、15s19r和53s325r）.考虑均匀来流，忽略湍流和湍流与燃烧相互作用以及燃料扩散效应，假设层流有限反应速率，采用保自由流5阶WENO格式求解多组分Euler方程组，得到CH₄/空气预混燃烧流场温度等值线、沿驻点线压力和温度及其CH₄、CO和CO₂质量百分数分布.结果表明：三种简化动力学机理给出的流场均出现弓形激波和火焰面，弓形激波和火焰驻点距离及其形状、诱导区宽度和简化动力学机理相关.当圆柱直径增大，弓形激波和火焰向圆柱上游移动，对应的驻点距离均增大，诱导区宽度变短，点火延时变小，但火焰和弓形激波位置次序未变化.53s325r模型要比16s41r模型和15s19r模型精度要高，点火延时覆盖的压力和温度范围也较宽，所有简化机理均未完全反应，在较大圆柱直径下游达到化学平衡.     

超声速进气道起动与不起动的流动特征结构的机理分析

基于Wagner等实验的超声速进气道模型,采用RANS-SST计算方法分析超声速进气道起动和不起动流场特性。通过拓宽计算域和采用来流边界层自由发展方法,准确预测了典型的进气道不起动过程中可能出现的周期性振荡流现象,包括进气道内部高压的产生和降低、下壁面大尺度分离泡的膨胀收缩和迁移,并伴随不起动激波的传播。进气道完全起动状态(末端活门挡板角度β=0°)时得到的波系结构、壁面压强和流向速度分布计算结果与实验测量值相吻合;不起动状态(β=28°)时流场的振荡周期和振幅与实验结果一致。对进气道不起动的非定常流场进行动态模态分解,发现了3个特征频率：主频f₁=69.8 Hz的流场模态揭示了进气道出口的压强振荡最强,而入口及上壁面的速度振荡最强;二倍频f₂=139.7 Hz和三倍频f₃=209.5 Hz捕捉到的流场模态主要是离散的小尺度高能结构。在不起动状态的振荡过程中,进气道入口外部流场产生了较大的速度和压力脉动,所以对进气道内外流场相互作用的准确描述是预测不起动状态振荡流动的重要因素。     

旋转爆震燃烧室与涡轮导向器组合实验研究

旋转爆震涡轮发动机正获得广泛的关注,但旋转爆震燃烧室出口存在着高频的压力波动,压力波动会降低涡轮的工作效率并减小涡轮的工作寿命.基于旋转爆震波的传播特点,开展了旋转爆震燃烧室与涡轮导向器组合结构的实验研究.燃料为H₂,由位于燃烧室前端的120个小孔喷入燃烧室;氧化剂为空气,由径向环缝喷入燃烧室.在燃烧室内起爆旋转爆震波后,爆震产物直接流入导向器内.研究结果表明,随当量比的增加,燃烧室内爆震波的传播速度呈先增大后减小的趋势.在导向器出口仍存在与燃烧室内旋转爆震波同主频的振荡压力,但相对于导向器前的振荡压力,出口压力振幅减小了约64%.旋转爆震波传播速度的相对偏差先减小后增大,并且爆震波传播越稳定,其速度损失越小.      

NH3/H2预混旋流火焰稳定性及燃烧极限实验研究

采用叶轮型旋流燃烧器,选取氢气作为燃料添加剂,研究了掺氢比对氨气旋流火焰稳定性的影响,分析了不同旋流数、叶片数、当量比以及预混气总流量条件下,旋流火焰形态变化。测定并分析了不同参数对旋流火焰燃烧极限范围的影响。结果表明,随掺氢比的增大,火焰逐渐由“V”型转化为稳定的“M”型,燃烧反应愈发充分;高旋流数(1.27)或低叶片数(6片)相比低旋流数(0.42)或高叶片数(8片)更有利于旋流火焰的稳定和燃烧的充分进行;相比富燃,贫燃有利于形成稳定的旋流火焰;预混气总流量较大时,火焰高度较高.对于燃烧极限,掺氢比越高,极限范围越大;总流量的变化对贫燃极限影响较小,对富燃极限影响较大;高旋流数(1.27)条件下,燃烧极限范围较大。     

镁颗粒-空气混合物一维非稳态爆震波特性数值模拟研究

镁颗粒因其能量密度高、点火特性和燃烧效率好的优势,作为燃料或添加剂应用于爆震燃烧动力系统具有广阔的应用前景.本文建立了镁颗粒-空气混合物的一维非稳态爆震波模型,数值模拟爆震波传播过程及其内部流场分布.研究结果表明,爆震波传播过程中爆震波压力峰值和空间分布均存在小幅度波动.考虑燃烧产物氧化镁在颗粒表面的沉积过程,镁颗粒的反应速率和爆震波的稳定传播速度增大.在考虑爆震管壁面损失的前提下,随管径减小,爆震波稳定速度和厚度均减小,同时爆震波内未能反应的镁颗粒比例增大.考虑壁面损失条件下,爆震波稳定传播速度以及厚度均随颗粒初始粒径的增大而减小,且镁颗粒初始为双粒径分布时对应的爆震波速度和厚度明显低于镁颗粒初始为统一单粒径的工况;稳定传播速度随颗粒初始当量比的增大而先增后减,厚度随初始当量比的增加单调递减. MgO熔化发生在CJ平面附近时, MgO熔化过程对爆震波传播稳定性无明显影响,而爆震波厚度显著增大.选取适当的点火区参数,能够使爆震波达到稳定传播状态所经历的距离明显缩短.     

介观尺度下活性炭微粒的光镊捕捉、点火和扩散燃烧特性研究

为探索介观尺度下固体燃料微粒的燃烧现象,本文提出采用光镊工具对活性炭微粒进行捕捉、悬浮、定位,再通过激光点燃,研究其着火及扩散燃烧特性.介观尺度燃烧室中,光镊捕捉7.0μm活性炭微粒的最低捕捉功率为3.2 mW,捕捉速率范围为103.7—70.0μm/s;活性炭微粒在静止气流中的最低点火功率为3.2 mW,颗粒的等效粒径、周长、面积和圆形度对最低点火功率影响甚微,点火延迟时间约48 ms,提高点火功率,点火延迟时间缩短,最小点火延迟时间小于6 ms;活性炭在着火后先发生无焰燃烧,紧接着发生有焰燃烧,无焰燃烧的扩散燃烧速率满足粒径平方直线规律,其燃烧速率范围为15.0—8.0μm/s;有焰燃烧的火焰面积和强度随燃烧时间发生闪烁,其闪烁频率约29.1 Hz.对于粒径为3.0μm的活性炭微粒,从加热到完全燃烧殆尽所需时间约0.648 s.结果表明:对于聚焦后的高能激光束点燃活性炭微粒的着火属于联合着火模式,在挥发份析出之前,活性炭非均相着火而发生无焰燃烧,挥发份析出后被点燃发生均相着火,火焰面始终保持圆形.     

H_2/Air旋转爆震发动机起爆实验研究

为揭示旋转爆震发动机的点火特性,采用普通火花塞和高能火花塞作为发动机点火装置,对以氢气/空气为反应物的旋转爆震发动机进行了实验研究,结合高频压力测量与高速摄影结果分析了旋转爆震波的建立过程,并通过一系列点火实验得到了发动机的稳定工作范围。研究结果表明,两种点火方式均能成功起爆发动机,点火产生的燃烧波通过火焰加速与DDT过程形成旋转爆震波,增大点火能量能够大幅缩短旋转爆震波建立时间。发动机共有三种工作模式,稳定工作范围随燃料质量流量的增加而扩大,且不同工作模式会随反应物当量比的变化而相互转换。     

甲醇-空气和甲醇-空气-稀释气预混层流燃烧特性

本文利用定容燃烧弹研究了不同初始压力、初始温度、气体稀释度和燃空当量比下甲醇-空气-稀释气预混层流燃烧特性.结果表明:对于给定初始压力和温度,甲醇-空气预混合气的质量燃烧率、燃烧压力和温度的最大值均出现在当量比1.左右,而火焰发展期和燃烧期在此当量比下最短.火焰发展期、燃烧期和燃烧压力峰值随初始温度的增加而减小,最高燃烧温度随初始温度的增加而增加,燃烧压力峰值和最高燃烧温度随初始压力的增加而增加.火焰发展期和燃烧期随稀释度的增加而增加,而燃烧压力峰值和最高燃烧温度随稀释度的增加而降低.     

相对论效应对大振幅电子等离子体振荡破裂影响的数值模拟

通过数值求解符拉索夫方程和泊松方程，研究了相对论效应和温度效应对等离子体振荡破裂的影响. 不考虑相对论效应情况下，初始扰动幅度较小时，不会发生等离子体振荡破裂，系统具有时间周期性. 此时电子温度的增加，会使得等离子体振荡最大幅度减小. 考虑相对论效应时，即使初始的等离子体电子密度扰动幅度不大，随着时间演化，相对论效应也能导致等离子体振荡破裂，而且初始电子密度扰动越小，产生等离子体振荡破裂所需时间越长. 在初始电子密度扰动较大时，无论考虑和不考虑相对论效应都会出现波破裂，但两者的结果有很大不同. 此外温度效应会降低能发生等离子体波破裂的阈值；等离子体波的相速度越大，能产生的波破裂现象也越明显. 关键词： 等离子体振荡 相对论效应 振荡破裂     

预混多喷嘴火焰自激振荡燃烧的实验研究

针对甲烷/空气预混多喷嘴火焰的自激振荡燃烧进行了激光可视化实验研究。采用动态压力传感器记录压力脉动,利用激光诱导荧光技术对多喷嘴火焰结构进行相同步测量。实验结果表明,多喷嘴燃烧室的压力脉动频率为41 Hz,幅值为1370 Pa。火焰沿着轴向发生周期性跳动,在0°~60°相位时,喷嘴发生回火。中心火焰的推举高度比外侧火焰高,但燃烧反应强度低于外侧火焰。在相邻火焰干涉区发生局部熄火与重新点燃,相邻火焰干涉区和火焰根部区的不稳定热释放和压力脉动的耦合是引起预混多喷嘴火焰自激振荡燃烧的主要原因。     

较高当量比氢气空气预混合气的燃烧特性研究

利用纹影法,在定容燃烧弹中研究了较高当量比和不同初始压力下氢气空气预混合气的燃烧特性,分析了两参数对其燃烧特性的影响。试验结果表明,本实验条件下的氢气空气预混合物燃烧过程中,主火焰两侧出现挤流火焰,且挤流火焰的传播明显快于主火焰;根据出现挤流火焰与否、两侧挤流火焰相遇与否、实验时的热力参数、燃料浓度等条件,燃烧过程可分为四个阶段;在本文的实验条件下随着当量比增加,挤流火焰燃烧速度加快,其倾向于自燃时的多点燃烧;随着初始压力降低,挤流火焰逐渐出现在主火焰层流燃烧阶段。     

横荡条件下不稳定射流压力振荡主频实验研究

蒸汽浸没射流具有高效的传热传质特性,在核反应堆等相关系统中有重要应用,但其凝结过程会产生压力振荡,危及相关设备的安全稳定运行。本研究对横荡条件下不稳定射流的压力振荡主频进行了实验研究,获得了不同横荡参数对压力振荡主频的影响规律。研究结果表明,横荡条件下不稳定射流的压力振荡主频高于静止条件下,在横荡周期为2 s,横荡幅值为70 mm时,压力振荡主频最大增幅达到102.7%,并且压力振荡主频随着横荡周期和过冷水温度的增加而减小,随着横荡幅值的增加而增加。     

燃料空气供给条件对热声不稳定燃烧影响的研究

对Solar低排放预混燃烧系统的燃烧稳定性进行了数值研究.应用非定常N-S方程、雷诺应力紊流模型及涡团耗散燃烧模型,数值模拟了该类型燃烧器在不同的燃料空气供给条件下的气流流动特性和压力振荡特性,并给出了不稳定发生时压力和速度振荡的幅值和频率.根据供给条件的不同,燃烧可以是稳定的或是不稳定的,取决于燃料到火焰前沿的迟滞时间.采用CFD方法,可精确地获得燃料到火焰前沿的迟滞时间,证实了所采用的模型能够精确预测不稳定燃烧的出现及振荡特性.通过调整燃料与空气的供给条件,可使振荡激励或阻尼.     

基于高光谱技术的甲烷层流预混火焰自由基特性研究

高光谱技术提供了空间和光谱维度的信息,同时基于传统黑体模型的实验技术和计算方法不适用于甲烷火焰的辐射特性,而火焰中自由基的高光谱信息反映了火焰结构、组分浓度分布等燃烧的多方面特征,能够为燃烧模型的完善提供依据。利用高光谱技术在不同当量比和不同流量下研究了甲烷预混火焰中自由基的空间和光谱特性。对不同当量比的研究表明,随着当量比的增加,火焰中心处的CH^*和C^*₂自由基的辐射强度先增加后降低,而燃烧区域内二者的平均辐射强度一直增加,火焰中心处的点可以表征局部的燃烧状态,而燃烧区域内辐射均值表征热释率等整体燃烧状态,定量给出了两种方法的不同趋势。火焰中心处的CH^*自由基辐射强度在当量比为1.01时达到峰值,而C^*₂自由基辐射强度在当量比为1.12时达到峰值,两种自由基的辐射峰值可以分别作为燃烧中反应强度和稳定性的判据。当量比可以由C^*₂和CH^*辐射强度之比来表征,修正了C^*     

HCCI工况下氨氢混合物燃烧的直接数值模拟

本文利用直接数值模拟方法对均质压燃(HCCI, Homogeneous Charge Compression Ignition)工况下氨氢混合物的着火和燃烧特性进行了研究。结果表明,着火首先从局部孤立区域处发生,随后发展到整个计算区域;最高燃烧温度和热释率随着掺氢比的增加而增加;通过与零维计算结果对比,发现湍流和热分层使得氨氢混合物着火提前。利用直接数值模拟数据计算了反应锋面的位移速度,并据此分析了自着火和火焰传播这两种燃烧模式。发现在低掺氢比的情况下,燃烧模式以自着火为主;而在高掺氢比的情况下,燃烧模式以火焰传播为主。