一种建立通用的汽油机燃烧室几何模型的新方法—随机点法

本文运用概率统计的原理，用随机点法建立了一个适用于各种汽油机燃烧室的几何计算模型，可以方便而精确地计算球面火焰在燃烧室的传播过程。从圆筒形燃烧室中火焰传播过程的计算，证实了模型的有效性，运用该计算模型计算了ＣＡ６１０２汽油机燃烧室内火焰传播过程中火焰前锋面积、已燃区体积随火焰传播距离的变化关系。     

当量比变化对合成气双旋流喷嘴燃烧火焰特征的影响

采用平面激光诱导荧光（PLIF）、高温热电偶及红外气体分析仪,对不同当量比下的合成气在双旋流模型燃烧室内的火焰特征进行了试验研究.结果表明：当量比为0.2时,合成气火焰的反应区呈月牙形,随着当量比的增大,合成气火焰根部逐渐出现M型分布特征,火焰锋面的内、外侧张角均单调减小,火焰推举高度与穿透深度增大,同时,燃烧室中下游出现大量的反应区,火焰根部受到压缩,燃烧室排气温度升高,CO排放量迅速降低.     

火花点火天然气发动机燃烧过程CFD研究

为了研究点燃式天然气发动机燃烧系统的燃烧过程和缸内气体运动规律．应用CFD软件对一台点燃式天然气发动机的燃烧过程进行了多维模拟计算。通过计算得到了发动机缸内气体的流场、温度场及火焰传播等计算信息,并分析研究了压缩及燃烧过程中缸内气体的流动规律及温度分布规律以及湍动能对火焰传播的影响．为燃烧室的设计及燃烧过程性能优化提供了理论性指导。     

利用球面三角建立通用的汽油机燃烧室几何模型

本文利用球面三角学的基本原理,建立了一个适用于各种汽油机燃烧室的几何计算模型,可以精确地计算球面火焰在缸盖凹坑中的传播过程.从立方体燃烧室中火焰传播过程的计算,证实了模型的有效性,并利用该计算模型计算了C A6102汽油机燃烧室内火焰传播过程中火焰面积、已燃区容积随火焰传播距离的变化关系.     

微通道壁面加热对甲烷空气预混火焰传播特性的影响

对于甲烷和空气预混合气在矩形微燃烧室内的燃烧过程,采用加热片加热,对比分析了在外部加热时,有无隔板对燃烧稳定性的影响,并分析了不同加热温度下隔板式燃烧室内火焰传播特性。实验结果表示,随着加热温度的提升,隔板型燃烧室稳定燃烧区域不断增大；加热温度高于600K,隔板型燃烧室的火焰吹熄极限有明显改善；高温加热利于提高隔板型燃烧室在较大流量情况下燃烧的稳定性。相较于单通道燃烧室,外部加热对隔板型燃烧室燃烧稳定性的改善更加明显。     

喷嘴与安装孔之间的缝隙对微型燃气轮机燃烧室影响的数值分析

为了探究喷嘴与燃烧室壁面安装孔间的缝隙对微型燃气轮机燃烧室流动及燃烧特性的影响,运用三维数值计算软件,对30 kW微型燃气轮机燃烧室在不同面积缝隙下的燃烧过程进行了数值计算,得到了燃烧室内的流场及温度场,并对比分析了燃烧室各处的气体流量分配、燃烧室内部温度分布以及污染物排放量。计算结果表明:缝隙面积的变化对燃烧室内气量分配的影响是全局性的,随着缝隙面积的增大,缝隙内的气体流量增加,燃烧室其它各处的流量则相应减小。在贫燃的条件下,这一过程使得燃烧室内部的整体温度逐渐减低,随之C0的排放量小幅增大。此外,一定范围内的缝隙能够在降低燃烧室整体温度的同时维持火焰形态,有效降低NOx的排放量。     

随机堆积床内过滤燃烧特性的实验研究

本文提出了一种可视化燃烧室,用于对3种尺寸的随机堆积结构开展过滤燃烧实验,该结构分别由直径为5,10,15 mm的氧化铝颗粒堆积而成。通过搭建燃烧平台,研究了不同颗粒直径堆积床中火焰的燃烧波高度、火焰传播速度、火焰温度及排放特性。结果表明：在可燃工况下,颗粒直径5 mm堆积床中火焰最高温度随火焰传播过程减小,火焰传播速度变快;而在颗粒直径10和15 mm堆积床中火焰最高温度随火焰传播过程增大,火焰传播速度变慢。     

轴向射流对旋流管状火焰传热影响的实验研究

为了探究轴向气体流动特征对旋流管状火焰传热性能的影响,在实验中引入轴向喷出的N₂作为稀释剂。研究了不同的轴向流量、喷嘴孔径及喷孔数量下的火焰结构及传热规律,重点分析了不同流动条件下管状燃烧室内火焰径向传热的温度分布特征。分析结果表明：旋流管状火焰能将一定量的气体工质快速升温至1 000℃以上;随着轴向稀释气体流量的增加,火焰根部被吹离切向入口,火焰锋面向燃烧室下游移动,导致火焰根部温度显著降低,而且最高温度区域也向下游移动,最高温度值也有所降低;随着喷嘴孔径的增大,火焰锋面位置无明显变化,而火焰根部向喷嘴侧移动,且相同轴向位置的径向温度更高,即喷嘴孔径的增加有助于对轴向气流的快速加热;在当前实验条件下由于受到空间限制,喷孔数量的变化对火焰位置与温度分布无明显影响。     

涡轮导叶对环形燃烧室点火的影响

在TurboCombo实验平台上实验研究了涡轮导叶对环形燃烧室点火过程的影响.采用高速相机观察记录火焰周向传播过程以及火焰与涡轮导叶的耦合作用.分析对比了不同当量比、热功率及主流速度条件下带涡轮导叶的环形燃烧室与独立环形燃烧室点火过程的异同与周向点火时间.实验结果表明,两种构型下的周向点火过程基本相似,但相同条件下带涡轮导叶的环形燃烧室相较于独立的环形燃烧室周向点火时间更短.考虑了湍流褶皱及燃后气体膨胀效应后,预估了周向火焰传播速度并与实验结果在较大雷诺数下吻合得较好.     

某100,kW微燃机燃烧室结构优化及数值模拟

为解决某微型燃气轮机燃烧室的燃料由燃油改为燃气时出现的火焰偏长、出口温度均匀性差的问题,对此燃烧室的头部和掺混孔的结构进行了优化设计,并利用计算流体力学方法研究了燃烧室头部结构和各区段空气量分配比例对燃烧室内燃烧过程的影响.研究结果表明,采用带有旋流器的多孔喷头能够促进燃烧室内燃气与空气的混合,有效解决燃烧室内火焰偏长的问题.采用多孔、多段的掺混孔能够避免掺混空气在燃烧室出口集中送入,更利于燃烧室出口温度的均匀分布.     

Characterization of flame front propagation during early and late combustion for methane-hydrogen fueling of an optically accessible SI engine

In recent years, hybrid and fully electric vehicles have received significant consideration since they represent an alternative sustainable transport to the conventional fossil-fuel powered vehicles. However, a worldwide implementation of this alternative propulsion can induce large and undesirable peak demands in distributed power systems. In this context, natural gas spark ignition engines are a promising form of technology to supply part of the energy demand. The main limitations related to low laminar flame propagation speed and poor lean-burn capabilities of natural gas can be overcome by using hydrogen as additional fuel. In this paper, a comparison was carried out between methane and different CH₄/H₂ mixtures. Specifically, low levels of hydrogen addition were used (5%, 10%, 20% volumetric basis) in stoichiometric and lean burn conditions. The measurements were carried out in an optically accessible single-cylinder port fuel injection spark ignition engine. Optical measurements were performed to analyze the combustion process with high spatial and temporal resolution. In particular, optical techniques based on 2D-digital imaging with two different combustion chamber views were used. Macroscopic (global) and microscopic (local) post-processing tools were implemented to provide a detailed analysis of the flame front propagation process. Moreover, an in-depth analysis was performed to study the flame penetration in the piston top-land crevice. Exhaust gas emissions were also characterized and linked with thermodynamic and optical data. In order to evaluate the combustion process in similar fluid-dynamic conditions, all measurements were performed under steady-state conditions at fixed engine speed, load and spark advance. All the results highlight fast combustion promotion due to the hydrogen addition. In addition, hydrogen reduces the preferential propagation of the flame in a certain direction and increases the flame front wrinkling. Flame propagation in the top-land crevice region was measured for methane and its blends with hydrogen, which represents an original contribution to the literature. An inverse trend was seen between flame penetration in the crevice and unburned hydrocarbon emissions. Lastly, tests in lean conditions demonstrate the potential to decrease nitrogen oxides emissions when methane and methane-hydrogen blends are used.     

压燃式天然气发动机着火和敲缸的试验研究

提出了一种压燃式天然气发动机燃烧系统。该燃烧系统采用了低散热的分隔式燃烧室和复合供气系统,即利用分别安装于进气管和气缸盖上的高、低压天然气喷射阀在一个工作循环中的分时供气,以在副燃烧室内形成较浓的混合气,在主燃烧室内形成稀混合气。在接近压缩终点处,副室内的混合气首先着火,其火焰喷入主燃烧室点燃其中的稀混合气。在单缸试验机上研究了这一燃烧系统的着火起动特性和敲缸现象。试验结果说明：仅采用进气道低压喷射天然气的供气方式在发动机气缸内形成天然气／空气的均质混合气,可很容易地实现压缩着火和起动发动机;电热塞温度、进气温度及副室与主室之间通道尺寸对发动机的着火和起动性有显著的影响,可以实现仅利用电热塞辅助加热即可在常温进气条件下起动发动机。在主、副燃烧室内实现混合气浓度的时间-空间控制,以实现混合气浓度分层,有助于避免敲缸现象。     

多孔介质中预混式燃烧的数值研究

本文考虑向燃烧室中插入高孔隙率的多孔介质的燃烧过程,根据气固两相局部非热平衡假设,建立了混合气体在惰性多孔介质中预混燃烧的一维数学模型,模拟了不同条件下甲烷-空气的预混合气在多孔介质中燃烧时的温度分布及气体流速、当量比和吸收系数对燃烧室气体温度峰值的影响.结果表明,多孔介质的存在明显改善了燃烧室的换热性能,强化了对新鲜混合气的预热,加速了燃烧反应的进行,燃烧室利用率提高.     

Development and test of combustion chamber for Stirling engine heated by natural gas

The combustion chamber is an important component for the Stifling engine heated by natural gas. In the paper, we develop a combustion chamber for the Stifling engine which aims to generate 3-5 kWe electric power. The combustion chamber includes three main components： combustion module, heat exchange cavity and thermal head. Its feature is that the structure can divide ＂combustion＂ process and ＂heat transfer＂ process into two appar- ent individual steps and make them happen one by one. Since natural gas can mix with air fully before burning, the combustion process can be easily completed without the second wind. The flame can avoid contacting the thermal head of Stifling engine, and the temperature fields can be easily controlled. The designed combustion chamber is manufactured and its performance is tested by an experiment which includes two steps. The experi- mental result of the first step proves that the mixture of air and natural gas can be easily ignited and the flame burns stably. In the second step of experiment, the combustion heat flux can reach 20 kW, and the energy utiliza- tion efficiency of thermal head has exceeded 0.5. These test results show that the thermal performance of com- bustion chamber has reached the design goal, The designed combustion chamber can be applied to a real Stifling engine heated by natural gas which is to generate 3-5 kWe electric power.     

掺氢比对低排放燃烧室性能影响研究

为了探究传统天然气燃气轮机对氢气燃料的适应性,基于现役某型工业低排放燃气轮机结构和性能,用数值模拟方法分析了燃料中氢气比例对低排放燃烧室性能的影响,确定了燃烧室燃用甲烷和氢气燃料的换用性能。研究表明：在1.0额定工况,掺氢比小于等于30%时,燃烧室不发生回火,喷嘴内部和火焰筒肩部回流区的温度以及燃烧室的总压损失随掺氢比的升高而升高,NOx排放体积分数小幅升高,CO排放体积分数减少;当掺氢比大于30%时,燃烧室发生回火,喷嘴和火焰筒肩部回流区温度、总压损失、NOx排放体积分数大幅升高,CO排放基本为零。在其他工况下,负荷变化对燃烧室边界条件影响较为复杂,对喷嘴回火边界影响无单调性变化规律。     

燃烧室压力对燃油喷雾和燃烧的影响研究

采用CHAMKIN模拟分析燃烧过程,基于自行设计的可视化定压燃烧系统试验研究燃烧室压力对燃油喷雾和燃烧的影响。结果表明:随着压力的升高雾化效果逐渐变差;进气旋流可以改善雾化效果;如果进气旋流是高温气体,则改善情况更明显。压力的增加仅加快了反应速率,缩短了着火延迟时间,并没有引起着火过程中温度的很大变化。随着燃烧压力的增加,火焰逐步向燃油喷嘴处移动,可通过提高烟气卷吸率增强气旋效果,使火焰更长,燃烧更均匀,避免烧坏油头及燃烧室内部分温度过高等不良后果。     

天然气燃料轴向分级预混燃烧特性研究

低NOx排放是燃气轮机燃烧室的重要性能指标,面对燃烧室出口温度不断增加的趋势,新型燃烧技术探索应用成为必然。燃料轴向分级(Axial Fuel Staging,AFS)燃烧作为一项可行技术方案已在各燃机厂商的最先进燃气轮机燃烧室上获得应用,其主要通过降低高温烟气有效停留时间和低氧浓度燃烧来实现低NOx排放。基于Chemkin平台建立轴向分级预混燃烧室化学网络模型,针对1 973 K燃烧室,研究二级负荷比例、当量比和停留时间对NOx/CO排放的影响规律,对比分析主燃区高温烟气与二级未燃预混气掺混特征的影响,获得AFS燃烧的污染物排放特性和关键影响因素。同时,在贫预混燃烧器上,设计二级喷射段,实验研究二级火焰结构、污染物排放等燃烧特性。结果表明,相比于常规贫预混燃烧,AFS燃烧在高温区体现出很好的低NOx优势,且能拓宽低NOx工况范围,其中主燃区温度、二级当量比和停留时间匹配特征、主燃区高温烟气与二级预混气掺混性能等是关键。     

某航改型燃气轮机特点及燃烧调整实践

本文以LM6000PD航改型燃气轮机为研究对象,详细介绍了干式低排放DLE(Dry Low Emission)燃烧室的结构特点及燃烧模式。以ABC燃烧模式为例,详细阐述了该模式下燃烧调整的基本过程,找出了该模式下平均火焰温度以及外、内环火焰温度的控制区间和运行曲线,确定了机组安全、稳定运行边界。并对调整试验期间NO_x、CO排放浓度以及动态压力波动P_(x36)的变化规律进行了分析。     

甲烷/空气典型混合模式在约束空间内的燃烧特性研究

燃料质量浓度分布在一定程度上影响混合气体的燃烧效率,能使燃气充分混合的同轴射流、旋片同轴、轴切结合、切向旋流等典型混合模式在航空发动机、燃气轮机及火箭发动机等先进燃烧技术应用中较为常见。因此,设计了甲烷/空气部分预混的燃烧实验装置,较为系统地实验研究了旋流数和轴向流速对混合气体在约束空间燃烧室内燃烧特性的影响。结果表明：对于有中心射流的混合结构,燃气轴向流速较低时产生黄色火焰,增大轴向流速,黄色火焰转为蓝色湍流火焰,且温度分布趋于均匀;纯切向旋流燃烧器的掺混效果较好,受燃气轴向流速的影响小,火焰结构稳定,均为蓝色火焰,温度轴/径向分布均匀且趋势一致,同当量比下燃烧产物中的污染物体积分数最小。     

燃气轮机双燃料燃烧室温度场优化研究

为了优化双燃料燃烧室温度场分布,针对某型逆流环管双燃料燃烧室,设计了3种不同的火焰筒配气结构。利用ANSYS FLUENT软件,选用Realizable k-epsilon湍流模型及Finate Rate Chemistry and Eddy-disspation燃烧模型对燃烧室额定工况下的温度场及速度场进行了数值模拟。研究表明:对比液体燃料,由于气体燃料扩散较快,燃烧室在使用气体燃料时高温区分布周向收缩并沿火焰筒轴向后移。对于本型燃烧室,适当增大主燃孔孔径并在火焰筒轴向方向偏后布置,可以有效解决双燃料燃烧室使用气体燃料时高温区后移的问题,对气/液两种燃料条件下的温度场组织更为有利。