不同点火方式下预混火焰胞状不稳定性和自加速性的定量研究

The cellular instability and self-acceleration of premixed flame are of a great interest in understanding combustion behaviors for improving engine efficiency. Previous studies mainly stay on the qualitative description of this process without looking into the development of cellular structure of the flame front which can be influenced by the initial conditions, especially by the laser induced plasma ignition. For different fuels, which can have different trends on cellular instability and self-acceleration varying with equivalence ratio, there is also lack of direct comparison of data under controlled test conditions. In this study, Cell formation effects on the flame front area is investigated for different molecular weighted fuels under different initial conditions including laser ignition compared with spark-ignition. The experiment will be conducted in a constant volume vessel, using a high-speed camera based Schlieren system with micro-photography. Mechanisms and influence factors for the flame cellular instability and self-acceleration will be revealed and investigated, and the law and empirical formula for the main characteristic parameters will be obtained and summarized. This project will contribute to the fundamental database of fuel combustion, for improving the mathematical model of the combustion process for the design and development of high efficiency combustion engines with low emissions.

预混火焰的胞状不稳定性和自加速性是燃料燃烧普遍存在的特性，其产生原因与机理、主导参数之间关系和有效准则是燃烧学理论研究中的重要领域。迄今为止对预混火焰胞状不稳定性和自加速性的研究主要以测量临界火焰半径和拟合自加速指数的结果为依据，而对火焰锋面胞状结构变化及其影响分析缺乏定量的描述和数据支撑。本项目将利用高压燃烧容弹和高速纹影摄像技术，分别应用电极点火和激光点火方式，采用实验测量、数值计算和理论分析相结合的手段，针对甲烷、乙烷和丙烷三种轻重不同的气体燃料，开展不同初始温度、压力、燃空当量比下的预混火焰不稳定性和自加速性的定量研究，着重分析总结火焰胞状结构的演变过程及其特征参数的变化规律，归纳定量判断火焰完全胞状化临界点的方法，并揭示火焰不稳定性及自加速性产生机理，建立计算自加速时燃烧速度的经验模型。本项目的完成对于燃烧科学基础研究和发动机燃烧模型开发均有重要的理论意义和实用价值

预混火焰的胞状不稳定性和自加速性是燃烧研究和提高内燃机效率的热点问题，迄今为止对预混火焰胞状不稳定性和自加速性的研究主要以测量临界火焰半径和拟合自加速指数的结果为依据，而对火焰锋面胞状结构变化及其影响分析缺乏定量的描述和数据支撑。本项目分别应用电极点火和激光点火方式，针对甲烷、已烷和丙烷三种轻重不同的气体燃料，开展了不同初始温度、压力、燃空当量比下的预混火焰不稳定性和自加速性的定量研究。总体来说，本项目设计了高温高压大视窗燃烧弹，开发了火焰图像批处理程序；阐明了三种燃料不稳定胞状锋面结构和形态的发展过程及变化规律，分析了主要影响因素，并分析归纳了胞状不稳定性随点火方式、压力、浓度的变化规律，引用了‘褶皱比’并得出了定量判断火焰完全胞状化临界点的准则；获得了三种燃料火焰自加速性的变化规律，总结了胞状形态参数包括胞的尺寸、胞的数量等在火焰自加速时的变化规律，揭示了自加速性的分形机理及三阶段的典型特征，分析了胞的最小尺寸和数量的变化规律；研究了激光点火时的火核形态及激波特性，得出了三种燃料不同点火方式时层流燃烧速度的变化规律，而且也对比分析了激光点火和电极点火的胞状不稳定性，并得出激光点火对于火焰的胞状不稳定性和自加速性无明显影响；分析归纳了不同初始条件下层流燃烧速度、临界Peclet数等参数的经验公式，得出了自加速指数、分形超量、胞的最小尺寸等参数的极值点，并由此建立了预混火焰自加速时燃烧速度的计算模型。本项目的顺利完成对于燃烧科学基础研究和发动机燃烧模型开发均有重要的理论意义和实用价值。