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。     

内燃机燃烧压力振荡对燃烧过程影响的模拟研究

结合可视化发动机、高速摄影和激光剪切干涉测量设备拍摄的燃烧过程照片和获得的燃烧二维温度场,建立了燃烧室空腔模型,并将空腔声学模型划分为未燃区和已燃区,通过空腔声模态和瞬态响应研究,获得了燃烧室空腔在多点激励下的声场变化情况,结果表明,燃烧室空腔在多点激励下在未燃区产生局部压力集中现象,燃烧压力振荡可能是引起燃烧过程未燃区出现局部自燃现象的根本原因。     

贫预混预蒸发燃烧室振荡燃烧特性的实验研究

针对燃用航空煤油的贫预混预蒸发模型燃烧室的振荡燃烧特性开展了实验研究。实验表明:在相同的燃烧室入口空气燃料混合物流速下,随着当量比的增加,燃烧室振荡燃烧的振荡主频从132 Hz增加到144 Hz,但燃烧室的均方根脉动压力幅值却从1 464 Pa下降到342 Pa。在当量比不变情况下,入流空气燃料混合物流速较低时,容易引发振荡燃烧现象,而当入流空气燃料混合物流速较高时,则燃烧会变得稳定。分析了整个燃烧实验装置的前4阶轴向声学模态频率,发现实验中所激励出的振荡燃烧主频和第二阶轴向声学模态频率吻合的很好。     

燃烧室内自激励振荡燃烧的数值研究

采用数值方法研究了Langhorne型燃烧室内自激励燃烧驱动振荡的不稳定现象．应用非稳态雷诺平均法、雷诺应力紊流模型和涡团耗散燃烧模型,捕获了该类型燃烧室内两种当量比条件下的不稳定燃烧特性．数值模拟结果给出振荡燃烧发生时燃烧室内的压力振荡频率和幅值,并同实验结果进行了比较．证明了在两种当量比下分别存在着“强振荡”和“弱振荡”,并给出了两种当量比条件下不稳定燃烧时火焰的周期影像,详细分析了振荡发生时燃烧室内的火焰发展情况．     

直喷式柴油机瞬态工况燃烧噪声机理

通过测量瞬态工况与稳态工况燃烧噪声的各种影响参数,研究气体动力载荷及燃烧压力高频振荡对燃烧噪声的影响机理．瞬态工况的壁面温度、喷油压力、针阀升程最大值和针阀开启持续时间均高于同负荷、同转速的稳态工况,导致瞬态工况滞燃期、燃烧始点和喷油量与稳态工况相比产生差异,引起燃烧压力、庄力升高率及高频压力振荡频率和幅值发生变化．结果表明,瞬态工况与同负荷、同转速的稳态工况相比,着火延迟期缩短,但每循环喷油量增大,燃烧噪声增大．     

压力振荡环境下偏二甲肼液滴的燃烧特性

设计了压力振荡环境液滴燃烧实验系统,开展了压力振荡环境下液滴燃烧过程实验研究,分析了压力振荡环境下液滴燃烧火焰结构的形态特点,建立了压力振荡环境下液滴燃烧模型,并基于该模型考察了振荡频率、振荡幅值、燃烧室平均压力及温度对燃烧特性的影响规律.结果表明,压力振荡环境显著影响了燃烧火焰的稳定性,使得火焰形态发生了多种形变和偏移;压力振荡环境下液滴燃烧火焰位置不断出现"偏移——恢复"的反复过程,且这种反复状态贯穿液滴燃烧过程的始终.增加振荡频率和振荡幅值加剧了液滴燃烧速率的振荡,但并没有改变其平均值,因而不同频率与振幅下液滴直径变化趋势并无明显区别;增加燃烧室平均压力对燃烧过程具有明显的促进作用,大幅提高了燃烧速率;增加燃烧室温度能够显著促进液滴燃烧,使得液滴燃烧速率和表面燃烧流率迅速增加,且不会加剧压力振荡与燃烧速率的耦合.     

燃烧噪声一级影响模型的多元回归分析

研究了直喷式柴油机燃烧噪声与一级影响因素的关系。通过多元统计分析法,建立了动力载荷、压力高频振荡与燃烧噪声的一级影响模型,并对回归的方程进行了检验。通过求取燃烧噪声传递函数,对燃烧噪声一级影响模型进行的研究表明：该模型与燃烧压力最大值无关,与压力升高率最大值和高频压力振荡最大值及发动机结构因素有关;模型方程有一定的适用价值;压力升高率和压力高频振荡频率是影响燃烧噪声的重要因素。     

瞬态工况对内燃机燃烧噪声的影响研究

研究了内燃机瞬态工况对燃烧噪声影响机理,开展了内燃机瞬态工况测试技术和测试方法研究,通过对瞬态与稳态过程的缸内压力、缸内压力最大值、压力升高率、压力升高率最大值、压力高频振荡以及气缸压力级等参数在不同频率范围的差异的研究分析,从气体动力载荷和高频压力振荡两方面分析研究瞬态噪声与稳态噪声产生差异的机理.瞬态与稳态工况压力升高率变化趋势与两种工况下燃烧噪声变化趋势基本相似,但在一些工况上存在差异,这是由于受到了缸内压力高频振荡对燃烧噪声影响的结果.结果表明：瞬态与稳态工况燃烧噪声的差异是由压力动力载荷与压力高频振荡共同影响的结果.     

燃料热值对燃气轮机燃烧特性的仿真分析

针对燃气轮机运行过程中出现的燃烧不稳定和NO_x排放高的问题,开展了不同负荷下燃料热值对燃气轮机燃烧特性(燃烧稳定性和NO_x排放影响规律)的仿真研究。以某燃气轮机分管型燃烧室为研究对象,在不同负荷下,保持燃料流量、空气流量、大气温度等参数不变,仅改变燃料热值,采用数值仿真方法对燃气轮机设计压力监测点的压力、燃烧室出口温度及NO_x排放数据进行分析。结果表明：负荷区间相同,热值增加,高频段所对应的压力脉动幅值减小,热释放率脉动的高频频率增加,NO_x排放增加;热值相同,负荷增加,高频段所对应的压力脉动频率增加,高频段压力脉动幅值减小,热释放率脉动频率增加,NO_x排放增加。     

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.     

内燃机缸内压力与燃烧噪声

利用小波包分析提取缸内压力和测量噪声的时频信息，结合频谱分析技术，对缸内压力和测量噪声特性进行了研究．结合缸内压力和测量噪声的传递函数及相干分析，讨论了测量噪声各频带活塞拍击噪声和燃烧噪声的情况，并对缸内压力和燃烧噪声各频带所占能量进行了计算和研究．结果表明，通过缸内压力和噪声的时频及频谱分析，能获取更加详细的燃烧噪声和活塞拍击噪声信息，为燃烧噪声的分离以及机理研究提供了技术支撑．     

柴油机燃烧室气体振荡的模拟与试验研究

基于燃烧数学模型中的流场模型,对柴油机燃烧过程中的气体高频声波振荡问题建立声学模型并给出了求解方法。用该方法对燃烧室内的声学变化特性进行计算,并将不同转速和不同负荷工况下的实测缸压振荡结果和声学计算结果进行对比。研究结果表明:该方法能正确计算柴油机燃烧过程中的压力振荡。对于试验用柴油机,燃烧室气体第一阶主振荡频率均在5kHz以上,振荡规律与具体的工况有关。直接影响燃烧振荡性质的两个因素为放热速率和燃气温度,燃气温度越高,则发生振荡时的振荡频率越高;放热规律曲线峰值越大则振荡幅值越大。以8×10-5 s为间隔绘制了声场分布图,结果表明:燃烧室中的声场分布是不均匀的,且随时间变化十分迅速。     

直喷式柴油机瞬态工况燃烧噪声的试验研究与分析

研究直喷式柴油机瞬态工况对燃烧噪声影响机理。开展内燃机瞬态工况测试技术和测试方法研究,找出瞬态工况下燃烧噪声相对于同转速、同负荷的稳态工况燃烧噪声差异的规律,并从瞬念与稳态工况下燃烧过程的差异对试验结果进行分析。瞬态工况擘面温度、喷油爪力、针阀升程最大值和针阀外启持续时问均高于同负荷同转速的稳态工况,导致瞬态工况滞燃期、燃烧始点和喷油最与稳态工况相比产生差异。结果表明,瞬态工况下动力负荷和压力高频振荡相对于同负荷同转速的稳态工况发生改变是引起燃烧噪声产生差异的根本原因。     

直喷式柴油机瞬态工况燃烧噪声二级影响机理研究

研究直喷式柴油机瞬态工况燃烧噪声二级影响机理。设计瞬态与稳态工况燃烧噪声试验,测量燃烧噪声二级影响因素,分析瞬态工况下壁面温度、油管压力和针阀升程等间接因素影响动力负荷与压力高频振荡,从而影响燃烧噪声的二级影响机理,并对不同供油提前角瞬态工况燃烧噪声二级影响机理进行了研究。结果表明,瞬态工况壁面温度、油管压力、针阀升程及针阀开启时间均高于同负荷同转速的稳态工况,影响到瞬态工况滞燃期以及滞燃期的喷油量,进而影响动力负荷和压力高频振荡,使得瞬态与稳态工况燃烧噪声产生差异。     

模型燃烧室燃烧自激振荡与音频特征的实验研究

以甲烷为燃料,在以GE燃机6B喷嘴为基础的1/3模型燃烧室中,研究了燃烧室空气流量和当量比的变化对燃烧自激振荡的压力波动的影响,以及燃烧发出的音频信号的特征。实验结果显示：在3组不同的入口空气流量工况下,随着当量比的增加,燃烧室的稳定——自激振荡——稳定工作的变化趋势保持一致;在不同的流量下,当量比=0.61的工况产生了最强烈的自激振荡,同时振荡的压力波动幅值和频率随燃烧室入口空气流量的增加而增大;通过FFT（快速傅里叶变换）计算发现,在有明显自激振荡的工况中,动态压力与音频信号的幅值均大幅超过稳定燃烧的工况,同时音频信号的一个特征频率与动态压力信号的特征频率重合。     

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.