涡流室柴油机燃烧放热率的计算及其分析与应用

本文提供了涡流室柴油机燃烧放热率的计算方法。运用零维热力学——完全燃烧模型,辅之以工质在主喷口中的流动方程,计算了6105Q型柴油机主、副燃烧室中工质的热力状态及其放热规律,并结合放热率的计算结果对柴油机的变工况燃烧特性进行了分析。     

内燃机燃烧过程中高频压力振荡的热声耦合机理

内燃机运转过程中,燃烧室的容积不断地发生变化,燃烧室内的燃烧源分布也随之变化,因而燃烧过程中缸内压力的高频振荡是很复杂的过程.KIVA软件结合SYSNOISE声学软件,建立燃烧室内热声耦合引起的压力场变化模型,定量分析了缸内压力的高频振荡过程.模拟计算多点燃烧激励状态下的燃烧室内压力波的传播过程,模拟结果与试验结果较吻合.模拟计算较好地体现燃烧室内某个位置的压力振荡过程,以及分析造成压力振荡的主要声源特性.结果表明:燃烧放热与燃烧室声场存在相互影响,压力波传播必须考虑声学的迟滞效应.     

声音信号在贫油预混预蒸发振荡燃烧分析中的应用

为研究声音信号在贫油预混预蒸发(LPP)燃烧室热声耦合振荡分析中的应用,设计并搭建了LPP燃烧室振荡燃烧试验台,完成了燃烧室振荡燃烧下的声-热参数对比试验,并对燃烧装置进行声学模态分析.结果表明:在主频附近,燃烧室与预混室内的声场具有相互耦合作用;在相同入口空气流速下,燃烧室的主频与燃油质量流量成正比,在相同燃油质量流量下,燃烧室的振荡主频不变;在过渡状态下,声音信号可反映出在点火、稳定到振荡燃烧、振荡到稳定燃烧和熄火工况下,燃烧室内燃烧状态的变化;试验中测得的声音信号主频为2阶轴向振荡模态.     

运用韦伯函数分析涡流室式柴油机的放热特性和性能

运用双韦伯函数分析了涡流室式柴油机不同工况下的主副燃烧室燃烧放热特性，建立了燃烧放热特性的经验模型。深入研究了燃烧放热特性对发动机性能的影响规律。并据此提出了几个提高涡流室式柴油机性能的途径和措施。     

运用波动方程计算内燃机爆震燃烧时的热声耦合性质

分析热声耦合领域和内燃机爆震的研究现状,给出根据KIVA燃烧模型推导出的三维波动方程,将之与KIVA相耦合,对一台内燃机爆震燃烧时的声波进行计算.结果显示,燃烧室内声学波动频率很高,且爆震时其幅值可达数个兆帕.对比实测爆震气缸压力高频信号可知,该波动方程可正确计算爆震时燃烧室内声波.对比高速摄影实验结果.声场计算结果和气体获得声功的分布图可知,声场的振荡比火焰传播更快、更复杂;内燃机燃烧的热声振荡没有特定部位稳定声功的输出或输入.最后,总结了常规热声机和内燃机热声耦合性质的异同.     

内燃机燃烧过程的热声振荡现象研究

以经过改装的火花点火式发动机作为研究对象,首先进行不考虑燃烧室声场影响的内燃机燃烧三维模型燃烧模拟,并将模拟结果同燃烧过程高速摄影结果比较分析;然后进行燃烧室声激励下的压力场研究和考虑燃烧室声场影响的准维模型的燃烧模拟计算。不考虑燃烧室声学影响的燃烧模拟结果与实际的燃烧试验结果存在较大的差异;闭式燃烧室内考虑声学影响时,由于燃烧激励使得燃烧室的压力场存在着波动。结果表明,燃烧室的声学特性对燃烧过程中压力的变化存在显著的影响。     

二冲程微摆发动机的三维数值模拟

介绍了二冲程微型摆动式发动机的主要结构和工作原理,运用CFD软件对发动机燃烧室进行三维建模,耦合既定的正弦摆动规律对燃烧室的流场进行计算。分析了工作过程各个阶段的流场特征,并对不同摆动频率下燃烧室的平均压力和燃烧效率进行对比。结果表明,相同进气温度下,摆臂频率越低,燃烧效率越高且平均压力的峰值越大。     

由喷油规律预测直喷式柴油机整机性能的研究

从直式柴油机喷油规律出发对其整机性能进行了预测研究,首先建立了一个包括燃烧空混合,油滴蒸发、着火延迟、燃烧放热和传热子模型的直喷式柴油机准维燃烧模型,由此从喷油规律计算出放热规律,该模型通过建立宏观等效系统确定了各区之间的热交换系数,提高了模型精度;燃后对放热规律进行双韦伯拟事并将所建立的放热规律多工况预算方法与工作过程数值计算结合,完成了从喷油规律预测直喷式柴油机整机性能的研究。     

高速直喷式柴油机燃烧放热规律的优化

燃烧放热规律决定气气缸内气体压力与温度的变化，从而对柴油机的经济性、动力性、燃烧噪声和排放均有重要影响。在本文中，作者讨论了４１０２型柴油机燃烧放热规律的优化。     

用等效热力系统法求解涡流室柴油机燃烧放热率的计算模型

就涡流室式柴油机燃烧放热率理论模型及其算法问题，提出了严谨的等效热力系统物理模型及其等效原则，以及完整的燃烧放热率计算模型，解决了主、副燃烧室间连接通道处流量系数瞬态值的计算问题。通过对Ｓ１９５涡流室式柴油机燃烧放热率的计算，揭示出瞬态流量系数随曲轴转角的变化规律及其回归关系，以及主、副燃烧室各自的燃烧形态和燃烧放热率。该种模型可进一步提高涡流室式柴油机燃烧放热率的计算精度。     

基于KIVA和SYSNOISE的柴油机燃烧振荡数值模拟计算

为研究内燃机燃烧噪声产生的机理,建立了能描述燃烧室结构特征的声模态计算模型。利用FORTRAN语言进行编程,将KIVA源程序与声-振软件SYSNOISE相结合,开展多点激励下的燃烧室燃烧压力振荡的计算。初步研究了燃烧室空腔模态及压力场的特性和变化规律。研究结果表明,燃烧室空腔模态随着发动机工作过程气体温度的急剧上升而增大,燃烧压力振荡开始于燃烧初期的预混合燃烧并随喷油提前角的增加而增大。     

燃气轮机燃烧室预混燃烧不稳定性的数值研究

针对燃气轮机燃烧室内预混燃烧不稳定现象,应用湍流燃烧CFD的方法进行了数值研究,并着重对发生自激振荡时的火焰动态特性和燃烧室内的速度、压力和温度的振荡特性进行了分析.计算表明:非稳态雷诺平均Navier Stokes(URANS)方法和基于重整化群的RNG k-ε湍流模型以及有限速率/涡漩耗散(FR/EDM)燃烧模型对于燃烧不稳定性的研究是适用的.将预测结果与实验结果进行比较可以看出,数值计算精确地捕捉到了自激振荡燃烧过程中火焰的动态行为,还给出了燃烧室内速度、压力和温度值波动的幅值和频率.结果表明:燃烧室内低频压力振动主要是轴向的振动,热释放的波动与压力波动的频率是一致的,燃烧室内火焰的频率与燃烧室内压力和温度的波动频率也是一致的.     

Combustion instabilities in sudden expansion oxy-fuel flames

An experimental study on combustion instability is presented with focus on oxy-fuel type combustion. Oxidants composed of CO₂/O₂ and methane are the reactants flowing through a premixer-combustor system. The reaction starts downstream a symmetric sudden expansion and is at the origin of different instability patterns depending on oxygen concentration and Reynolds number. The analysis has been conducted through measurement of pressure, CH^∗ chemiluminescence, and velocity. As far as stability is concerned, oxy-fuel combustion with oxygen concentration similar to that found in air combustion cannot be sustained, but requires at least 30% oxygen to perform in a comparable manner. Under these conditions and for the sudden expansion configuration used in this study, the instability is at low frequency and low amplitude, controlled by the flame length inside the combustion chamber. Above a threshold concentration in oxygen dependent on equivalence ratio, the flame becomes organized and concentrated in the near field. Strong thermoacoustic instability is then triggered at characteristic acoustic modes of the system. Different modes can be triggered depending on the ratio of flame speed to inlet velocity, but for all types of instability encountered, the heat release and pressure fluctuations are linked by a variation in mass-flow rate. An acoustic model of the system coupled with a time-lag-based flame model made it possible to elucidate the acoustic mode selection in the system as a function of laminar flame speed and Reynolds number. The overall work brings elements of reflection concerning the potential risk of strong pressure oscillations in future gas turbine combustors for oxy-fuel gas cycles.     

缸内直喷天然气低速船机压力振荡抑制方法数值研究

基于计算流体力学(CFD)软件CONVERGE建立了大型低速2冲程柴油引燃缸内直喷天然气船用发动机燃烧仿真模型。首先通过试验结果对模型进行了验证,进而开展了天然气高压喷射模式(high pressure direct injection,HPDI)下米勒循环和天然气两次喷射策略对发动机压力振荡的抑制效果研究。结果表明,推迟排气门关闭时刻,整体燃烧压力降低,燃烧相位推迟,发生剧烈压力振荡的时刻也推迟。排气门关闭时刻推迟较小时压力振荡强度降低,但过度推迟反而提高缸内压力振荡的强度,这主要是缸内热力学状态变化和燃料自燃特性相互作用的结果。通过调整预喷射量,可以降低燃烧前形成的可燃混合气量,从而影响燃烧过程中预混合燃烧比例,可以有效抑制压力振荡.但会导致输出功率降低及能耗增大。相比预喷射量,喷射间隔对缸内压力振荡的影响较小,但过大喷射间隔会影响燃烧相位,导致功率损失严重。合理的喷射策略可以在抑制压力振荡的同时保证功率输出。     

用声响应法测量直喷式柴油机燃烧压力振荡共振频率的研究

本文根据声波动理论推导出声压波动方程，证明了在密闭空间中声压波动具有与柴油机燃烧室内气体压力振荡相类似的规律性。实验还表明，通过声响应法测量的声压波动共振频率与燃烧压力振荡共振频率是基本相等的。     

直喷式柴油机燃烧压力高频振荡与燃烧噪声的关系

应用声响应法和Sysnoise声学软件进行模态实验和模态分析,研究燃烧噪声高频激励机理．通过有限元方法计算燃烧室空腔在点声源激励下的声压响应,确定了燃烧室空腔在激励力作用下产生较强烈的压力振荡的频率．通过测量发动机缸内压力和噪声,研究燃烧压力高频振荡频率和幅值与时间窗获取的燃烧噪声的关系．燃烧压力高频振荡频率与燃烧噪声高频成分具有很好的对应关系,较高的振荡幅值对应的燃烧噪声值较高．研究结果表明,燃烧压力振荡频率和幅值是影响燃烧噪声高频成分的主要因素．     

Investigation of the gas injection rate shape on combustion,knock and emissions behavior of a rotary engine with hydrogen direct-injection enrichment

The application of hydrogen direct-injection enrichment improves the performance of gasoline Wankel rotary engine, and the hydrogen injection strategy has a significant impact on combustion, knock, and emissions. The Z160F Wankel rotary engine was used as the investigated compact engine, and the simulation model was developed using CONVERGE software. The combustion, knock and emissions characteristics of the engine were studied with the different mass flow of hydrogen injection, i.e., the trapezoid, wedge, slope, triangle and rectangle type of gas injection rate shape. In the numerical simulations, the in-cylinder pressure oscillations were monitored using monitoring points, and the knock index (KI) was used as an evaluation indicator. The study revealed that the gas injection rate shape significantly affected the mixture of hydrogen and air, thus impacting combustion, knock and emissions. When the injection rate shape was rectangle, the flame speed was faster, the peak pressure in the cylinder was higher, and the corresponding crank angle was earlier, which led to higher pressure oscillations in the cylinder and larger KI. Based on the rectangle injection rate shape, the KI decreased by 75.81%, 33.47%, 26.46% and 76.58% for trapezoid, wedge, slope, and triangle, respectively, and the indicated mean effective pressure increased by 15.68%, 5.07%, 0.56% and 14.98%, respectively. Due to the small difference in maximum temperature, which resulted in very little variation in nitrogen oxides for each injection rate shape, the total hydrocarbon emissions of the trapezoid and triangle injection rate shape was high due to the delayed combustion phase. This paper provides a solution for direct hydrogen injection to improve the combustion, knock and emissions behavior of the rotary engine.     

天然气/柴油双燃料转子发动机燃烧过程的数值模拟

针对天然气/柴油双燃料转子发动机的缸内工作过程,基于FLUENT软件建立了耦合正庚烷简化机理的二维计算模型,并利用文献数据进行了验证。在此基础上,研究了纯柴油工况下喷射持续期对燃烧过程的影响,获得了较好的喷射持续期;并在该持续期下对天然气替代率对转子发动机燃烧过程的影响进行了研究。研究结果表明:保持当量比不变,喷射持续期的变化会对燃油浓度分布产生影响,从而影响燃烧过程;采用45℃A喷油持续期可以在保持较高缸内压力的同时减少污染物的生成。天然气替代率的提高会导致初期燃烧速度的减缓和后期燃烧速度的增大;随着天然气替代率的增大,燃烧初期同一偏心轴转角下的缸内压力和温度逐渐降低,燃烧后期则呈相反的趋势。采用50%天然气替代率可以在保持较高缸内压力的同时大大降低CO和Soot生成量,而NO生成量略有升高。     

船用直喷式天然气发动机喷射策略的优化

利用CONVERGE软件基于L23/30DF型船用天然气发动机建立了双天然气喷嘴、双引燃柴油喷嘴的直喷天然气发动机的缸内燃烧过程的CFD计算模型,计算了不同的柴油和天然气喷射时刻和间隔下发动机缸内燃烧和排放过程.结果 表明:引燃柴油的喷射时刻及其与天然气喷射时刻的间隔,对直喷式天然气发动机燃烧和排放性能有重要影响.当喷...     

层燃炉"喘息"燃烧压力波动的研究

针对层燃炉冒正压时的燃烧“喘息”现象,利用微压传感器对炉膛燃烧压力波动进行了测量,采用自相关函数结合功率谱密度的方法分析了频谱特征.研究表明,燃烧“喘息”现象是由燃烧压力周期波动引起的,说明炉膛内存在燃烧振荡.图10表2参8