基于空气辅助喷射的小型点燃式重油活塞发动机混合气形成、点火及火焰传播特性的基础性研究

According to the need of the light-weight ignition heavy-oil piston aeroengine development, the characteristics of mixture formation, spark ignition and flame propagation of light-weight ignition heavy-oil piston aeroengine will be investigated. In this project, the method of combined Level Set-VOF used in the tracking of the phase interface and the coupled solution method of phase interface tracking with gas-liquid two-phase flows will be researched. The coexistent form of fuel and air in the air chamber of the injector, the behavior of two-phase flow of fuel-air bubble-cavity bubble, and the effect of boundary conditions on the two-phase inside the nozzle will be researched by using the method of numerical simulation, the characteristics of flow coefficient of the nozzle will be researched by using the method of experiment. The development of fuel spray atomization, the change course of the spray characteristic parameters, and the development course of the spray boundary layer will be researched by using the methods of numerical simulation and experiment. The characteristics of spark ignition and flame propagation in the heavy-oil mixture will be researched by using the method of numerical simulation and experiment. The investigation of this project can provide important theoretical and experimental bases for the study of the techniques of mixture formation, spark ignition and combustion control for the development of the light-weight ignition heavy-oil piston aeroengine.

根据我国小型航空二冲程点燃式重油（在航空发动机领域，"重油"主要指轻质柴油或航空煤油）活塞发动机的研发需要，开展小型点燃式重油活塞发动机混合气形成、点火以及火焰传播特性的研究。对追踪气液两相流动相界面的复合Level Set-VOF方法、相界面追踪与气液两相流动耦合求解方法进行研究；利用模拟方法对空气辅助喷射下喷油器空气腔内的燃油与空气共存形态、喷孔内的燃油-空气泡-空穴气泡两相流动行为以及边界条件对喷孔内两相流动的影响进行研究，并辅以喷孔流量系数的实验研究；通过实验和模拟方法对空气辅助喷射下燃油射流破损雾化的发展及宏观喷雾参数的变化历程进行研究，对空气辅助喷射下燃油射流表面波及其发展历程进行研究；通过实验和模拟方法对重油混合气火花点火及火焰传播特性进行研究。通过研究，为我国小型航空二冲程点燃式重油活塞发动机的混合气形成技术、点火技术以及燃烧控制技术的研究奠定重要的理论与实验基础。

基于对燃油存储性、安全性以及经济性等方面的考虑，小型航空点燃式重油（在航空领域中，指轻质柴油或航空煤油）活塞发动机是我国无人机用发动机的一个重要发展方向。根据我国确定的小型航空点燃式重油活塞发动机的研发方案，开展了基于空气辅助喷射的小型航空点燃式重油活塞发动机混合气形成、点火及火焰传播特性的研究。项目开展的研究工作和取得的主要研究成果：(1) 开展了气液两相流动数值求解方法的研究；通过研究，提出了追踪气液两相流动相界面的复合Level Set-VOF方法以及基于复合Level Set-VOF方法的气液两相流动数值求解方法；(2) 开展了圆环旋转粘性液体射流稳定性和同轴旋转可压缩气体中含气泡液体射流稳定性的理论及实验研究；通过研究，揭示了射流及周围气体旋转、射流含气泡、温度扰动等对射流稳定性以及射流分裂雾化的作用机理；(3) 开展了气泡雾化喷嘴内气液两相流型和流动行为以及气泡雾化喷射声波信号时频特性及不稳定射流的实验和仿真研究；通过研究，揭示了气泡雾化喷嘴内气液两相流型结构和含气率时空分布的特性以及气泡雾化喷嘴内气液两相流场的结构特征，提出了气泡雾化喷嘴射流不稳定程度的定量评估方法，获得了气泡雾化射流不稳定程度的影响因素和作用规律；(4) 开展了点燃式重油活塞发动机点火与爆燃协同控制的研究；通过研究，获得了均质和非均质混合气发动机的点火和爆燃特性以及点火和爆燃的协同控制规律，确定了发动机的失火边界和爆燃边界以及最佳喷油和点火策略。项目的研究工作深化了对点燃式重油活塞发动机基于空气辅助喷射的重油混合气形成、点火及火焰传播特性的理解；研究成果为我国小型航空点燃式重油活塞发动机混合气形成技术、点火技术以及燃烧控制技术的研究奠定了重要的理论与实验研究基础。