液雾自燃中低温着火和冷焰传播特性及其对主着火影响机理的研究

As a key process in diesel engine, spray autoignition is directly related to engine’s thermal efficiency and polluting emission. Influenced by low temperature chemistry of diesel fuel, low temperature ignition could have significant effect on subsequent main combustion, while the characteristics and effects of low temperature ignition are still far from being well understood. In the present project, high fidelity numerical simulations and experimental measurements are conducted to investigate low temperature chemistry affected spray autoignition. The influences of initial temperature, equivalence ratio, droplet diameter and spacing on timescales of the chemistry, evaporation and gas mixing will be studied, and the evolutions of the mixture fraction and scalar dissipation rate will be revealed. Furtherly, the characteristics of low temperature ignition, low temperature combustion regime, and the propagation of cool flame in spray configuration, as well as its impacts on the main ignition, will be clarified. The present project can hence provide a theoretical guidance for combustion control and low pollution combustion techniques.

液雾自燃是压燃内燃机中的重要燃烧过程，与内燃机热效率和污染排放直接相关。受柴油燃料低温氧化过程的影响，低温着火是液雾自燃中的重要环节，而目前液雾流场中的低温着火机理尚不明晰。本项目针对低温氧化过程影响下的液雾自燃问题，采用高精度数值模拟和实验测量，研究典型压力下初始温度、当量比、液滴粒径及液滴间距等参数对化学反应时间尺度、蒸发时间尺度和混合时间尺度的影响，探究不同尺度液雾流场中混合物分数和标量耗散率的演化规律，揭示不同尺度下液雾流场中的低温着火规律和低温燃烧机制，阐释冷焰在不同尺度液雾流场中的传播特性，阐明不同低温燃烧机制对主着火的影响机理。研究成果可对加强内燃机燃烧过程控制、降低污染排放提供理论指导。

为加强对液雾燃烧过程控制，精确匹配物理混合、自燃延迟时间与火焰传播以避免粗暴燃烧，需对高碳燃料的液雾自燃过程有更深入的认识。本项目采用数值模拟、实验测量与理论分析相结合的手段，针对液雾自燃中的低温着火和火焰传播相关问题开展研究。结合DNS、LES、RANS以及VLES等数值方法，从多个层次开展了不同参数下液雾自燃和火焰传播过程的模拟分析，同时搭建了可产生湍流和高温环境的液滴蒸发与燃烧可视化平台，实验分析高碳燃料自燃过程的宏观特征并对数值模拟结果进行验证。研究结果阐释了液雾流场中混合物分数和标量耗散率的分布及演化规律，明确了低温反应强度与标量耗散率的负相关关系，揭示了冷焰传播速度的“U”形变化特征；指出冷焰的传播会大大降低流场中的燃料分层和温度分层，导致与第一阶段着火核相比第二阶段着火核的范围更大，与冷焰相比热焰以自点火模式进行传播的比例也更高；揭示了液雾自燃中冷焰和热焰、预混火焰和扩散火焰、贫燃火焰和富燃火焰、单液滴火焰和液滴群火焰、缓燃波和自点火等多种燃烧机制的存在和变化特征，并发现在不同热力学条件下的液雾自点火存在两种不同类型的着火过程。基于机器学习算法，筛选和构造了低碳燃料的更为精确的新型放热率预测模型，并将其进一步推广至高碳燃料。采用自适应湍流模化方法，根据当地网格尺度和流场参数设定分辨率函数，耦合液雾的蒸发和燃烧模型，建立了高压喷雾射流和燃烧的计算模型并开展了数值分析。在对液雾多阶段自燃过程进行深入研究的基础上，系统研究了掺水对高碳燃料着火和火焰传播的影响机制，给出设计调控方案的指导原则。本项目研究成果加深了对液雾多阶段自燃和燃烧过程的机理认识，为加强对液雾燃烧过程的预测和控制提供了理论指导。