湍流火焰与壁面油膜相互作用机理研究

The turbulence-spray-combustion interaction in partially premixed combustion ignition (PPCI) is so complicated that it has not been fully understood today due to the coupling relationship of turbulence with spray, combustion and the formation of soot. This project investigates the impact of turbulence on the interaction between fuel droplets evaporation, reaction and premixed combustion in a diesel engine using advanced measurement techniques, such as optical engine, constant volume chamber and Horizontal spiral groove tube burner. Based on flow field visualization test, the turbulent diffusion of the particles and droplets will be simulated by the application of computational fluid dynamics (CFD), and the kinetic energy of particles and droplets will be worked out. The pyrolytic substances will be identified to analyze pyrolysis reactions of fuel droplets on the soot surfaces. A new reaction mechanism will be developed based on the theory of quantum chemistry. The reactions and the parameters sensitive to turbulent fluctuations will be determined, and a closure method for turbulent reaction rate equations will be established. The project will be directed toward the influence of turbulence-chemistry interactions on the droplet evaporation and developing a new model for emissions control technologies of diesel engine.

部分预混燃烧过程十分复杂，湍流、喷雾、燃烧及排放物生成交织在一起，迄今仍无完善理论对此准确描述。申请项目拟利用光学发动机、定容燃烧弹以及水平螺旋槽管燃烧器等，结合先进测试仪器，着重研究柴油机缸内混合气及燃油湿壁形成、预混燃烧，油膜蒸发、裂解等过程，以及湍流对这些过程的影响，探索湍流燃烧火焰对壁面油膜蒸发及化学反应动力学过程的影响规律。基于流场测量，采用计算流体力学方法研究湍流火焰、油滴的微观湍流扩散机理，分析湍流火焰、蒸发油雾动能的变化规律。测量粘附油滴裂解残留物成分，分析粘附油滴在碳烟表面可能发生的各种反应，运用量子化学计算方法，构建反应动力学模型。分析受湍流脉动控制的主要反应以及主要参数，确定湍流反应速率方程的封闭方法，建立部分预混燃烧柴油机缸内湍流燃烧-壁面油膜复杂化学反应相互作用的理论模型，提出燃烧排放控制方法。

部分预混燃烧过程十分复杂，湍流、喷雾、燃烧及排放物生成交织在一起，本项目利用定容燃烧弹，结合先进测试仪器，着重研究射流火焰与壁面油膜相互作用及相互作用过程中化学反应动力学的影响规律。经过系统研究，发现：.1、瞬态射流火焰与壁面相互作用过程中火焰伸展半径会随壁面高度增加而降低，油膜的存在会减缓火焰伸展过程。随着壁面高度升高，火焰与壁面相互作用过程中OH发光高亮度区域面积先增加后降低，OH自由基峰值向靠近壁面方向移动；湿壁条件下，火焰OH发光亮度会随油膜厚度增加明显下降。.2、封闭空间内，狭缝结构的存在增加了近壁面区域内火焰结构的不稳定性，同时在狭缝内的火焰虽然有初始加速阶段，但随着热损失的增大，火焰传播速度会迅速下降。增大初始压力后，受壁面传热的影响，火焰在靠近壁面附近后，燃烧不稳定性增大，火焰出现了较多的晶胞结构。.3、壁面条件、不同壁面温度、缸内预混温度和压力以及当量比都会对火焰的淬熄产生影响，随着预混合气初始温度的增加，火焰的淬熄距离越大，随着初始压力的升高，淬熄距离越小。初始温度和压力对火焰淬熄的影响存在一定的竞争关系。其次，随着壁面温度的增加，更有利于附着在其表面的油膜蒸发产生较浓的混合区，使火焰的淬熄距离较大。.4、在油膜存在时，会促进火焰熄灭并产生更多的排放。产生的碳烟数量更多，并且在反应后期，碳烟的数量会有一个明显的增长趋势。并且在同一反应时刻，从碳烟的空间分布来看，有油膜存在时，产生碳烟产生的最大位置要更靠近壁面。NOx的量相较于干壁面要产生的更少。.5、构建的多组分替代燃料化学反应动力学机理表明烷烃类组分可以采用质量分数比较大的正二十烷、正二十一烷、正十六烷以及正十四烷代替，芳香烃化合物的选择以甲苯、萘(A2)以及菲(A3)为主。.通过上述研究工作，揭示了壁面油膜对湍流燃烧火焰的影响机理，建立了可用于发动机燃烧模拟的多组分代用燃料模型，为进一步分析湍流边界层内复杂的物理化学过程奠定了基础。