转子发动机燃料适应性及其缸内流动和燃烧的耦合机理研究

Rotary engine has broad application potentials in the industrial and defense fields, and will demonstrate the superiority with the development of unmanned aerial vehicle and range extender. The combustion process in the cylinder is the core of the work process for rotary engine. Unfortunately, our limited understanding on the combustion process of rotary engine also forms a barrier to further improve the performance of the engine. In particular, the knowledge on the interaction between air motion and chemical reactions is confused. The present project considers coupling mechanism of air motion and chemical reactions as a generic combustion problem and aims to combine theoretical, numerical and experimental approaches to conduct a systematical and comprehensive study. Through the research of this project, basic data on combustion characteristics in rotary engine including the ignition delay times and flame propagation speed will be obtained, the evolution law of flow field in the cylinder will be clarified. The effect of pressure, temperature, equivalence ratio in cylinder and other factors on the ignition and combustion characteristics will be quantitatively investigated, the effects of heat, free radicals and species transport on homogeneous reactions will be discerned. And the interaction of turbulence and combustion will be revealed to a certain extent. A three-dimensional dynamic simulation model based on the detailed chemical reaction kinetics will be developed. Fuel adaptability for multi-fuel rotary engine will be investigated, and the technological and structural parameters of multi-fuel rotary engine will be given. New combustion mode based on fuel design concept will be developed. It is expected that essential theoretical and technical developments of combustion can be achieved by the implementation of this project.

转子发动机在工业和国防等领域具有广阔的应用前景，并将随着无人机和增程器的发展进一步体现优越性。缸内燃烧过程是转子发动机工作过程的核心，但迄今对这一过程的认识还很不足，尤其对内部流动和燃烧的耦合作用感到困惑。本项目将转子发动机缸内流动和燃烧的耦合机理作为基础科学问题，用理论分析、数值模拟与实验测试相结合的方法进行系统深入的研究。通过本项目的研究，将获得面向转子发动机的燃料燃烧基础数据，弄清缸内流场演变的内在规律，剖析初始压力、温度、当量比等因素对缸内着火和燃烧特性的影响规律，揭示缸内燃烧过程中自由基等重要组分的迁移和转变规律，阐明流动和燃烧的耦合作用机制，建立耦合反应动力学机理的三维动态模型，明确多种燃料转子发动机的燃料适应性，给出其技术和结构参数，并力争发展出基于燃料设计的新型燃烧模式。本项目的实施对丰富和完善转子发动机燃烧理论具有重要的意义，并将对转子发动机燃烧技术的发展产生积极的影响。

转子发动机在国防工业和民用商业等领域具有广阔的应用前景，并将随着无人机和增程器的发展进一步体现优越性。缸内燃烧过程是转子发动机工作过程的核心。本项目将转子发动机缸内流动和燃烧的耦合机理作为基础科学问题，结合国内外的相关进展，用理论分析、数值模拟与实验测试相结合的方法进行系统深入的研究。通过本项目的研究，获得了面向转子发动机使用的燃料燃烧基础特性，包括转子发动机工况下柴油、航空煤油、生物柴油等多种燃油的喷雾特性，以及环境因素对燃油着火延迟、火焰浮起长度以及燃烧速率等的影响规律；测试了缸内流场分布，结合模拟结果弄清了缸内流场演变的内在规律；剖析了初始压力、温度、当量比等因素对缸内着火和燃烧特性的影响规律，揭示了缸内燃烧过程中自由基等重要组分的迁移和转变规律；阐明了流动和燃烧的耦合作用机制，并建立了耦合反应动力学机理的三维动态模型；明确转子发动机的燃料适应性，分析燃用不同燃料时转子发动机内油气混合及燃烧过程的变化规律，给出燃烧汽油、柴油和航空煤油时优化的技术和结构参数，包括喷油量、点火提前角、喷射方向、点火时刻和点火位置布置等；并采用实验方法得出了掺混乙醇对汽油转子发动机性能的影响规律；还发展出基于燃料设计的新型燃烧模式，如提出了天然气-氢气双燃料转子发动机的燃烧模式，并对氢气的供给策略进行了详细的优化；还探讨了柴油-天然气组合燃料在转子发动机内的着火和燃烧过程，给出了新型组合燃料燃烧模式的技术参数。本项目的实施对丰富和完善转子发动机燃烧理论具有重要的意义，并将对转子发动机燃烧技术的发展产生积极的影响。项目研究成果包括：发表论文30篇，其中SCI收录17篇，国内核心刊物论文4篇，国际会议论文3篇，国内会议论文6篇；中华人民共和国教育部自然科学二等奖1项；授权国际发明专利（美国）1项，授权国家发明专利6项。