亚/超临界环境下燃料的喷雾燃烧特性研究

采用高温高压定容燃烧弹系统对亚/超临界环境下燃料在纯氧中的喷射燃烧现象进行试验研究,通过高速相机和阴影法进行燃烧图像信息的采集,研究在相同的超临界温度下,正己烷和乙醚两种燃料喷射燃烧火焰特性随环境压力和喷油脉宽的改变而呈现的差异性。试验结果表明:在亚临界压力下,两种燃料在不同喷油脉宽下的燃烧时间均随着环境压力的升高而升高,火焰发展后期基本保持较为稳定的形态和亮度,符合传统的喷射燃烧过程。正己烷在临界压力点下火焰长度最短,形态较为规则;超临界压力下,火焰形态有稳定趋势但仍有轻微波动,且火焰长度略短于亚临界;喷油脉宽改变时,燃烧时间在临界压力附近呈现出不同的趋势。乙醚的燃烧时间随压力的升高而增大,在临界压力处达到最大值,后随着压力的继续升高而下降,不同压力条件下火焰形态略有差别。燃烧现象存在差异性主要是由于亚/超临界坏境下燃料的物性参数和破碎蒸发机理不同。     

低气压环境下正庚烷及汽油池火的燃烧特性

为研究低气压环境对可燃物燃烧特性的影响,利用密闭实验箱模拟低气压环境条件,研究了正庚烷及汽油池火在不同环境压力条件下的燃烧特性.实验获取了燃料的质量燃烧速率、火焰形态特征、火焰温度和烟气中的CO体积分数等燃烧特性参数.研究结果表明,随着环境压力的降低,正庚烷和汽油的质量燃烧速率减小,且质量燃烧速率与环境压力呈幂函数关系;火焰高度及火焰面积均随环境压力的减小而增大,对于实验中的正庚烷池火,火焰高度与环境压力呈幂函数关系;环境压力的降低使得火焰的高温区上移,烟气羽流的温度也相应升高;烟气中CO的峰值体积分数也随着环境压力的降低而增大.     

湍流条件下高当量比合成气着火实验研究

为了研究高当量比合成气着火极限条件下初始湍流环境对火焰初始发展阶段的影响规律,在湍流定容燃烧实验装置中开展了常温、常压条件下50%CO/50%H2合成气相关湍流燃烧实验,并研究了火焰等效半径和火焰传播速度变化的规律及影响因素.研究结果表明:在本文实验条件下层流环境中,火焰传播速度呈现先减小后增加的趋势,并且随着当量比的增加而逐渐减小,合成气着火极限当量比为5.8;在高当量比混合气条件下,初始湍流强度的增加可以拓宽可燃混合气的着火极限;在高当量比着火极限条件下,火焰等效半径随着湍流强度增大而增加,火焰传播速度随着湍流强度的增加而增大,同一湍流强度环境中,火焰传播速度总体呈现出先减小后增大的趋势.     

亚/超临界环境下碳氢燃料液滴的蒸发与燃烧特性

采用挂滴法对正常重力下处于亚/超临界压力环境中的不同碳氢燃料液滴蒸发与燃烧现象做了详细的试验研究.采用嵌入液滴内部的热电偶和高速相机分别记录液滴温度变化和液滴发展图像.结果表明:在亚临界压力环境下,液滴燃烧过程具有平衡蒸发阶段,符合准定常假设,但在超临界压力环境下,液滴燃烧过程不再出现平衡蒸发阶段,准定常假设已不成立;液滴燃烧持续时间在亚临界状态下随着压力的增加而迅速减小,此时相平衡控制液滴燃烧速率的大小,但在超临界状态下,液滴与环境气体之间的界面变得模糊不清,燃烧持续时间随着环境压力的增加不再继续减小,而是趋于一稳定值,此时液滴已不存在相变过程,扩散系数开始影响燃烧速率;燃烧持续时间变化趋势在临界压力处的转变反映出临界压力点是判断液滴是否进入超临界燃烧的重要依据,液滴燃烧过程中液滴完全蒸发所占的时间比重在亚临界压力环境下变化不大,而在超临界压力环境下迅速减小,相对更早地完成液滴蒸发.     

内燃机跨临界/超临界燃料喷雾混合过程的机理与模型

高密度低温燃烧等内燃机燃烧新概念的提出,使得跨临界/超临界燃料喷射与喷雾混合成为内燃机研究者面临的一个重要课题.跨临界/超临界下的液体射流与喷雾形成具有与亚临界工况本质不同且极其复杂的机理.首先对跨临界/超临界液体射流喷雾的特征与机理做了简要介绍;然后,对迄今国内外在该领域的研究进展进行了比较系统全面的评述,同时指出了其局限与不足.在全面审视前人关于直喷式内燃机燃料喷雾混合过程的机理与模型研究的基础上,提出一个新的跨临界/超临界环境下液体燃料喷射与混合气形成的数理模型——"混合层回缩"(MLR)模型;并进而建议,采用微观、介观与宏观研究相结合的5步策略,构建直喷式发动机亚临界/跨临界/超临界燃料喷雾混合过程的全工况统一模型.     

亚临界/超临界汽油喷雾特性

基于超临界喷射平台,研究了低亚临界态、亚临界态和超临界态汽油在直喷喷油器上的喷雾特性.结果表明:低亚临界态、亚临界态和超临界态的喷雾形态有明显不同.在单孔喷雾中,在相同喷雾时刻下,随着温度的升高,单孔喷雾的贯穿距先缓慢持平,后大幅下降了25%,左右;喷雾的面积呈持续上升趋势.在6孔喷雾中,在相同喷雾时刻下,随着温度的提高,喷雾贯穿距在低亚临界态区先缓慢增加,进入亚临界区后大幅下降了15%,~20%,,最后在超临界区迅速回升;喷雾面积先增加,在亚临界区出现峰值后迅速下降.超临界态时,6孔液相喷雾由黏稠核区和稀薄气液两相区构成,核区延伸度和比长度R随着温度升高而下降.     

柴油两段喷射中预喷对主喷燃烧特性影响试验研究

采用可视化定容弹搭配高速数码相机研究柴油两段喷射过程中预喷对主喷喷雾在低温下的燃烧特性的影响。通过对单段喷雾燃烧过程的试验研究发现,随喷射压力增大单段喷雾燃烧的着火延迟期与燃烧持续期减小,而火焰浮起长度与液相长度增大。同时,在相同喷射压力与喷射脉宽下对比单段喷雾燃烧过程与两段喷射主喷燃烧过程得到:两段喷雾的主喷着火位置更靠近喷嘴;主喷的着火延迟期大大缩短,但预喷量对其影响较小;两段喷雾的主喷燃烧持续期增大,且随着预喷量的增大而增大;两段喷雾的主喷燃烧火焰浮起长度小于单段喷雾燃烧火焰浮起长度,且随着预喷量的增大略有增大;两段喷雾燃烧的液相长度小于单段喷雾燃烧的液相长度,且随着预喷量的增大而减小。     

油嘴喷射锥角对柴油可控预混压燃燃烧特性的影响

进行了在柴油可控预混压燃燃烧模式下,油嘴喷射锥角对燃烧与排放的影响研究.实验结果表明,采用155°和125°喷射锥角的油嘴,改变多脉冲喷射定时可控制预混燃烧放热幅度,影响NOx与HC和CO排放的折衷关系.在3次和6次多脉冲喷射条件下,采用125°油嘴能获得更低的NOx和HC排放.特别是采用6次脉冲喷射模式,即使在较早的喷射定时(130°CA BTDC)下,仍能保证较低的HC和CO排放.研究表明,通过减小油嘴喷射锥角、增加脉冲喷射次数和大幅度提前喷射定时,能够在获得低NOx排放的可控预混燃烧过程的同时,保证HC和CO排放只有小幅增加.     

微小定容腔内喷射正丁烷/空气着火与燃烧特性

利用微小定容腔着火及燃烧试验平台,开展了喷射进气时正丁烷/空气的热着火与燃烧特性研究.结果表明:火焰在热丝表面形成后向外传播,传播过程中火焰呈现强烈褶皱状,后期表现为多点着火;高热丝温度下,当量比为0.9～1.5时出现"着火—熄火—再着火"的现象.着火时间随热丝温度增加而缩短,缩短程度和当量比有关;低热丝温度下,着火时间随当量比增大而延长,高热丝温度下,着火时间随当量比增大先缩短后延长,这是预混气加热和化学反应影响程度不同所致.在接近贫/富燃极限工况时,热丝温度对燃烧中最大压力差Δpmax的影响不明显,其他条件下,随温度和当量比增大,Δpmax均先增大后减小.     

柴油机进气火焰预热系统着火临界温度的研究

在进气歧管入口处安装进气火焰预热系统是改善柴油机冷起动性能的一种有效方法.基于自行搭建的进气火焰预热系统试验平台,研究了燃油喷射方向和进气流量对着火临界温度和火焰形态的影响.结果表明:着火临界温度随燃油喷射方向和进气管内空气流动方向之间夹角的增大呈先降低后升高的变化,火焰面积呈先减小后增大的变化,在90°时着火临界温度最低,稳定着火时火焰面积最大.在火焰预热系统的预热阶段,进气火焰预热塞裙部温度和进气流量呈负线性关系,进气流量越大则其较早达到稳定.随着进气流量增大,火焰预热系统的着火临界温度呈先降低后升高的变化,火焰面积呈先增大后减小的变化,进气流量为400 kg/h时着火临界温度最低,稳定着火时火焰面积最大.所研究的进气火焰预热系统中进气流量的改变对提高进气温度的能力存在上限.     

CH4/air预混气体双层多孔介质燃烧特性数值模拟研究

基于局部热平衡假设,定义了无量纲参数——火焰宽度比,在过量空气系数为1.2条件下,研究了CH_4/air预混气体在双层多孔介质中浸没燃烧和表面燃烧的燃烧特性。结果表明:表面燃烧具有更高的烟气出口温度以及更高的火焰宽度比。浸没燃烧火焰轮廓类似抛物线,而表面燃烧的火焰宽度比则基本不变;入口速度不同时,距离着火面同一位置浸没燃烧火焰宽度基本保持不变,火焰轮廓仍类似于抛物线;而对于表面燃烧,相同位置的火焰宽度比在很小范围内(约为0.03)呈现先增大后减小的变化规律。同时研究也表明表面燃烧具有更高的NO_x排放,且随着速度的增加两种燃烧方式NO_x排放变化规律一致,均呈现先增大后减小再增加的变化规律。在速度为1.1～1.2μm/s左右时,两种燃烧方式NO_x排放大致相当,这表明在不扩大污染的条件下,可以使用表面燃烧获得更多的对外辐射以节约能源。     

亚临界和超临界压力下燃料液滴的蒸发特性

以实际气体状态方程为基础,建立了适用于高压下的导热系数、扩散系数等物性参数的计算方法,并将高压汽液相平衡、混合物临界点以及蒸发焓的概念引入到液滴表面的传热传质过程中,以此为基础建立了单个燃料液滴的高压蒸发模型.研究了亚临界和超临界压力下壬烷液滴在氮气中的蒸发过程及其物理控制因素,重点探讨了超临界压力下液滴蒸发过程中液滴表面自亚临界状态向超临界状态的迁移过程及迁移条件.结果表明,在亚临界压力下,液滴蒸发始终受相变控制.在超临界压力下,当液滴表面由燃料和环境气体组成的混合物达到其临界点时,液滴表面将发生自亚临界状态向超临界状态的迁移.在液滴表面迁移之后,液滴表面消失,燃料自高浓度的燃料核心向远方场的扩散过程不受相变控制.另外,随着环境温度的升高液滴表面发生迁移所需的最低环境压力逐渐降低.     

液态燃料跨/超临界喷射研究进展

对国内外近年关于液态燃料跨/超临界喷射的实验及数值模拟研究进行综述和分析。分析表明:超临界作为一种不可规避的工况,其喷射具有完全不同于亚临界喷射的特性,气液界面消失,液滴和液丝等结构由高密度流体团代替,成为一个由湍流支配的无相变的扩散过程。现有研究多是对跨/超临界喷射现象的观测与描述,对该现象产生的机理及其对燃烧的影响尚不明确。采用传统喷雾模型进行超临界喷射仿真,得到的结果与实验现象有很大误差;采用真实流体状态方程所进行的仿真可大幅减小这个误差,但结果仍不理想。指出:跨/超临界喷射对燃烧稳定性的影响是航空航天领域的研究方向,而内燃机领域则更关注跨/超临界喷射对短暂雾化过程以及燃烧效率的影响。     

增压中冷稀燃天然气发动机燃烧特性试验研究

以190型天然气发动机为对象,采集了发动机的示功图,分析了点火提前角及负荷对燃烧过程的影响规律。试验结果表明,在BTDC28℃A到BTDC36℃A范围内,最高燃烧压力和最大瞬时放热率以及缸内最高燃烧温度随点火提前角的增大而增大;BTDC33℃A点火提前角下最高燃烧压力和最大瞬时放热率以及缸内最高燃烧温度随负荷的增大而增大;火焰发展期随点火提前角增大而增大,随负荷增加而减小;50%燃烧相位角随点火提前角、负荷的增加而减小,速燃期随点火提前角的增大先增大后减小,随负荷增加呈减小趋势。     

高温高压下掺氢天然气的燃烧特性

在定容燃烧弹内研究了高温(450,K)、高压(0.75,MPa)条件下天然气-氢气-空气混合气的火焰传播过程,获得了不同掺氢比和不同当量比下掺氢天然气的无拉伸层流燃烧速率,并分析了火焰的稳定性。结果表明,高温高压下随着掺氢比的增加,掺氢天然气的燃烧速率增加,且增长速率逐渐加快;马克斯坦长度则随着掺氢比的增加而减小,即火焰的稳定性下降。随着当量比的增加,无拉伸层流燃烧速率呈现先增大后减小的趋势,且最大无拉伸层流燃烧速率所对应当量比的位置随着掺氢比的提高而向浓混合气移动;马克斯坦长度随当量比的增加而增大,即火焰稳定性随当量比的增加而提高。     

电场作用下正癸烷液滴在常温常压下的燃烧特性

通过利用高速摄像机对液滴燃烧时火焰和粒径的实时测量,以及激光诱导白炽光(LII)对碳烟体积分数的测量方法,研究了垂直电场作用下正癸烷液滴在重力场中的燃烧特性,结果表明:当V>0时,随着电压的增加,液滴上半部分的火焰高度不断缩短,下半部分不断被拉长,在电压为5,kV左右时,火焰呈上下对称结构,燃烧速率常数随着电压的增加先减小后增大,碳烟体积分数随着电压的增加先减小后增大再减小;当V<0时,燃烧速率常数随着电压的增加而增大,碳烟体积分数随着电压的增加逐渐减小;燃烧速率常数随电压的变化是由于碳烟颗粒与外加电场的相互作用而造成的,碳烟颗粒向周围环境的辐射换热量的减少是造成燃烧速率常数增大的主要原因.     

喷油对二冲程汽油机混合燃烧模式影响的模拟

利用三维数值模拟,研究了小负荷时两次喷油策略对气门式二冲程直喷汽油机缸内混合气形成和火花点火形成的火焰诱发自燃的混合燃烧(SFI)特性的影响.结果表明:缸内燃油和温度的分层形式是影响混合气自燃特性的重要因素.在固定循环喷油量下,随着第二次喷油比例的增大,火花点火时火花塞周围燃空当量比增大,从气缸中心区到外围区的燃油浓度减小,着火时刻先略有提前然后逐步推迟,同时燃烧持续期先减小后增加,而平均指示压力、最大压力升高率和最大气缸压力均呈先增加后降低的趋势.与单次喷油相比,两次喷油更容易实现SFI燃烧.其中,第二次喷油比例为30%,时,火焰传播速度最快、自燃持续期最短.第二次喷油比例大于70%,时,气缸周围的偏稀混合气在火焰传播过程中难以自燃,缸内以火焰传播为主.     

后喷间隔角对柴油机燃烧过程中颗粒物数密度、粒径分布及质量的影响

基于全气缸取样平台,在一台高压共轨直喷柴油机上,研究了不同后喷间隔角对柴油机燃烧过程中颗粒物的数密度、粒径分布以及质量的影响.结果表明:单次喷射工况,颗粒物数密度随曲轴转角呈单峰分布,峰值出现在11~14°,CA ATDC,排气颗粒物数密度比缸内颗粒物的峰值数密度减少75%,以上;引入后喷,随着后喷间隔角的增大,缸内颗粒物数密度呈先升高后降低的趋势.颗粒物粒径分布在单次喷射工况呈类似对数正态分布,主要分布范围在6.04~339,nm之间,其峰值粒径主要分布在69.8~93.1,nm之间;引入后喷,缸内颗粒物的峰值粒径先减小后增大,并在排气阶段峰值粒径达到最大,且随着后喷间隔角的增大,缸内颗粒物峰值粒径呈增大的趋势.单次喷射工况下缸内颗粒物的质量随着曲轴转角呈单峰分布;引入后喷,缸内颗粒物质量峰值随后喷间隔角的增大呈先增大后减小的趋势.后喷对碳烟质量的影响规律与其对颗粒物质量的影响规律基本相同.     

微型定容燃烧腔内丙烷/空气火焰传播特性

利用高速摄像的方法,在狭缝间距为2,mm的圆盘状微型定容燃烧装置中考察了常温常压、当量比φ为1.0~1.6静止丙烷/空气预混气中心点火后向外传播的火焰传播特性.结果表明:微型定容燃烧腔内形成的火焰面有光滑、褶皱和断裂3种形态;光滑火焰面的火焰传播速度低于常规尺度下的火焰传播速度;火焰传播速度随着当量比的增加先增大后减小;在点火能量影响范围外,火焰传播速度随半径增大而减小;随当量比的增加火焰锋面容易出现褶皱和断裂现象.     

生物质燃油燃烧特性分析

以小桐子油、小桐子生物柴油、地沟油、地沟油生物柴油、0#柴油作为研究对象,对这5种燃油的黏温特性进行了探究分析,同时在自行搭建的雾化燃烧试验平台研究燃油在炉内燃烧火焰体积、长度及火焰温度变化规律,试验结果表明燃烧温度越高,生物质燃油和0#柴油的运动黏度均减小,地沟油减少幅度最大为81.75%;试验条件相同情况下,0#柴油的火焰长度最大为288.209 mm,地沟油火焰长度的最小为207.814 mm,5种燃油燃烧温度在轴线方向先上升后下降,在径向方向波动较大;在不同工况下,随过量空气系数α或雾化压力p的增大,生物质燃油和0#柴油燃烧火焰体积及火焰长度均呈下降趋势;燃油火焰平均温度的变化趋势随过量空气系数α增大先增大后减小,随氧体积分数的增大一直上升,小桐子油增幅最大为25.90%.