可控氛围下湍流射流喷雾自燃及火焰稳定机理研究

Turbulent jet flame is a typical turbulent combustion in internal combustion engine, while the strong interaction between turbulence and chemical reaction dynamics plays an important role in the study of turbulent jet fuel auto-ignition and flame stabilization. This project focuses on the auto-ignition and flame stabilization mechanism of turbulent jet spray flame in controllable atmosphere. Based on advanced equipment, multi-object and multi-parameter simultaneous detection system for jet flame will be established and high pressure active atmosphere burner would be built up. By changing the temperature, oxygen concentration, diluent composition and concentration of the co-flow, fuel properties, jet velocity, co-flow velocity, environmental backpressure and blunt body structure, experimental and simulation study on fuel spray auto-ignition and combustion stabilization in controllable atmosphere would be carried out, and the database of effects of multi physics and parameters on turbulent jet flame could be established. A fuel spray combustion model based on RANS/PDF method will be created to reveal the impact mechanism of turbulent motion and chemical reaction kinetics on lift-off flame and its auto-ignition process. And then the key factors for controlling the flame stabilization could be acquired. Furthermore, the impact of turbulent on combustion, and the suppression / induction mechanism of combustion on turbulence would be uncovered. Research results would have important theoretical reference value on the development and application of new engine combustion technologies.

湍流射流火焰是发动机中常见的一种湍流燃烧形式，而湍流和化学反应动力的强相互作用是研究湍流射流燃料自燃和火焰稳定的难点。本项目围绕可控氛围下湍流射流喷雾自燃与火焰稳定机理开展研究，基于先进测试设备建立对湍流射流自燃过程中的多目标、多参数同场测量系统；建立高背压活化热氛围燃烧器，通过改变热氛围温度、氧浓度、稀释剂成分及浓度、燃料物性、射流速度、协流速度、环境背压以及钝体结构，开展可控氛围下燃料喷雾自燃及燃烧稳定性试验及仿真研究，建立多物理、多参数影响的湍流射流火焰基础数据库；基于RANS/PDF方法建立燃料喷雾燃烧模型，揭示全过程中湍流运动与化学反应动力学对自燃过程及起升火焰稳定的影响机理，获得控制火焰稳定性的关键影响因素，揭示湍流对燃烧的影响机制及燃烧对湍流的抑制/诱导机制。所获研究成果对新型发动机燃烧技术的开发与应用具有重要的理论参考价值。

本项目基于搭建的新型可控热氛围协流燃烧器，获得了宽协流温度范围（300~1200 K）和适当压力（1~1.5 bar）范围内的均匀稳定的氢气和空气预混燃烧协流场。使用纹影成像、高速摄像机、红外热像仪、马尔文粒度仪、PIV和噪声捕捉等设备或方法，研究了协流场中的多种燃料射流喷雾和射流起升火焰的特性，全方位地捕捉了喷雾宏观特征参数、协流温度场、射流速度、喷雾速度场、喷雾粒径分布、透光率分布、体积浓度分布、火焰红外能量分布、自燃边界温度、火焰起升高度和着火延迟期等多组实验数据。使用EDC和PDF方法，对起升火焰进行了模拟，获得了火焰结构、混合分数、速度分布和组分分布等计算结果，将实验数据与部分模拟结果进行了对比，验证和评估了燃烧模型和化学反应机理。通过对实验和模拟结果的分析和解读，揭示了非预混射流起升火焰的最活跃混合分数的决定因素，物理作用和化学作用共同控制的液体燃料自燃机制，火焰基部稳定性与燃料化学着火延迟期敏感性的相互关系以及自燃、火焰传播和湍流淬熄主导的起升火焰稳定机理。热协流氛围中多种不同添加剂的润滑油的自燃着火进行了研究，获得了影响润滑油着火延迟期的因素，实验结果能够指导避免发动机缸内早燃和超级爆震现象。捕捉了汽油柴油混合燃料喷雾在热氛围中的起升火焰图像并定义了同时着火协流温度的概念。结果发现同时着火温度为1117 K，此温度下柴油喷雾和汽油喷雾同时自燃。还获得了同时着火温度与边界条件的关系，其变化规律应当可以推广到实际发动机中。项目研究结果扩充了现有的湍流燃烧实验数据库，评估了现阶段数值模拟燃烧模型，有助于实现实际发动机的自燃控制和稳定燃烧。