不同湍流火焰模式下甲烷掺氢混合燃料预混火焰传播机制的基础研究

The actual methane/hydrogen turbulent premixed flames will fall to both wrinkled flame regime and flamelets in eddies regime in spark-ignited internal combustion engines, and the methane/hydrogen turbulent premixed flames will perform different behaviors to methane flames even at the some flame regime due to the noticeable difference on combustion properties between methane and hydrogen. Therefore, it is necessary to research the propagation mechanism of methane/hydrogen turbulent premixed flames under different flame regimes. In the present project, a constant combustion chamber for the investigation on turbulent premixed combustion has been established which can realize the adjustment on turbulence intensity and turbulence scale. Via the experimental studies on the combustion chamber and the numerical studies by LES, the variation regulations of methane/hydrogen turbulent premixed flames’ structure and propagation characteristics will be systematically researched under different flame regimes. Under wrinkled flame regime with strong turbulence, the effects of turbulence intensity on flames’ structure and propagation process will be studied; under wrinkled flame regime with weak turbulence, the influence weight of self-turbulization and ambient turbulent flow on the propagating flames will be studied; and, under flamelets in eddies regime, the effects of turbulence scale on flames’ propagation will be discussed. The research results will benefit combustion theory and combustion technologies of spark-ignited internal combustion engines.

针对甲烷掺氢混合燃料在点燃式内燃机缸内燃烧时对应多种湍流火焰模式且相同湍流火焰模式的甲烷掺氢预混火焰的传播特点与甲烷存在显著不同的问题，本项目提出研究不同湍流火焰模式下甲烷掺氢湍流预混火焰传播机制。聚焦研究目标，建立湍流强度和湍流尺度分别可控的湍流定容燃烧实验系统，并结合大涡数值模拟计算，系统研究不同湍流火焰模式的甲烷掺氢预混火焰传播过程中火焰结构形态和传播特性的变化规律，深入研究强湍流褶皱层流火焰模式下湍流强度对火焰传播的影响规律，前瞻性地研究弱湍流褶皱层流火焰模式下自湍特性与初始湍流对火焰传播的影响权重，分析并讨论旋涡内小火焰模式下湍流尺度对火焰传播的影响作用。基于研究结果，理论分析甲烷掺氢湍流预混火焰在不同湍流火焰模式下的传播机制，针对甲烷掺氢混合燃料修正并完善相关的火焰传播速度计算模型。研究成果对于完善燃烧理论及点燃式内燃机的燃烧技术具有重要理论意义和实用价值。

本项目针对甲烷/氢气混合燃料在点燃式内燃机缸内燃烧时所对应的不同火焰模式预混火焰的结构特性与传播特性开展了基础研究工作，主要研究了不同湍流火焰模式的营造方法，研究了不同火焰模式下火焰结构特性的影响因素和影响机制，研究了不同火焰模式下火焰传播特性的影响因素和影响机制。通过项目的研究，创新性地提出了“风扇旋流驱动与多孔射流碰撞耦合”的湍流营造方法，可以在球形定容燃烧空间中心大范围区域内形成可控的各向同性湍流流场；设计并开发了可提取湍流预混火焰准确轮廓及精细胞状结构信息的程序，为深入开展湍流火焰结构特性的量化研究提供了新方法；提出了将火焰轮廓通过极坐标系转化为振荡信号，将通信工程领域的波信号处理方法引入火焰结构特性和局部传播特性的研究，为为深入开展湍流火焰特性的量化研究开拓了新思路，这些成果为开展湍流预混燃烧相关研究提供了坚实的技术保障。基于所设计的实验系统，开展了不同火焰模式下甲烷/氢气预混火焰的基础性研究，利用所提出的分析方法，对火焰结构特性和传播特性的影响规律和影响机制进行了分析和讨论，尤其是对内在不稳定性和外部湍流对预混火焰发展过程中的影响权重进行了重点讨论。讨论结果指出对于褶皱层流火焰模式，其火焰特性的影响受固有不稳定性和外部湍流耦合作用的影响，随着火焰持续发展主导影响因素将由两者耦合作用共同控制转为固有不稳定性主要控制；对于漩涡内小火焰模式，其火焰特性受湍流影响的效果要高于固有不稳定性的作用。