复杂热流场中多元燃料液滴燃烧机理研究

The core of liquid fuel IC engine combustion is the droplet combustion under the coupling effects of heterogeneous turbulence and combustion physics and combustion chemistry. However, previous research focused on the macroscopic phenomenon in physical and chemical process of bulk fuel combustion, little attention was paid on effect of the turbulent flow and the combustion process of single droplet. .This study focuses on the combustion behaviors of single fuel droplet in the complex environment of IC engine chamber. A rapid compression machine is utilized to simulate the environment. The coupling effects of multi-physical field parameters (including temperature, pressure, concentration, etc.) on the physical and chemical behaviors (evaporation, ignition, flame propagation, flame distinction, and so on) of fuel droplet combustion will be explored with Schlieren-high speed camera recording technique. The fuels include alcohol fuels, hydrocarbon fuels and their mixtures.The boundary conditions of droplet stable combustion, the inhibition mechanism of alcohol fuel on soot formation, and the generating condition of micro-explosion phenomenon, will all be experimentally studied..Numerical model of droplet evaporation and combustion will be established, and simulation studies will be processed to theoretically investigate the effects of flow field parameters on droplet combustion behaviors. Finally, the impacting mechanism of multi-physical parameters on multifuels, multi-diameter droplets combustion will finally be illuminated. .This study not only provides basic data for establishing numeric model of turbulence combustion, affords theoretical guidance for the efficient and clean utilization of liquid fuel, but also offers fundamental basis and technical guidance to elevate IC engine core technological level, and for energy diversification and construction of clean and efficient society.

液体燃料内燃机燃烧的核心是各向异性湍流和燃烧物理、燃烧化学耦合作用下的液滴燃烧，以往研究侧重于大宗燃料的宏观物理化学过程，而对湍流的影响及单个液滴燃烧过程的研究不够深入。本申请利用快速压缩装置模拟发动机燃烧室环境，结合纹影高速摄影技术，研究燃烧室复杂流场内多物理参数对单质小分子醇类燃料、大分子碳氢燃料及其多元混合燃料的单个液滴的蒸发、着火、火焰传播、熄火等燃烧物理和燃烧化学过程耦合作用下的影响规律。探索液滴稳定燃烧的边界条件，研究多元燃料液滴“微爆”现象产生的条件和醇类燃料对大分子碳氢燃料颗粒物生成的抑制作用机理，并通过对液滴燃烧过程数值模拟研究微纳米液滴蒸发燃烧过程以及环境参数的影响，最终阐明多物理参数对多元燃料液滴的燃烧影响机制。研究不但为建立湍流燃烧模型提供基础数据，为液体燃料的清洁高效利用提供理论指导，也为提高我国内燃机技术水平、实现能源多样化及建设清洁高效型社会奠定理论基础。

针对缸内直喷发动机的喷雾、燃烧及湍流相互作用下的复杂流场内的液滴燃烧过程，本项目通过对以甲醇、PODE（聚甲氧基二甲醚）和正庚烷为代表的含氧燃料和大分子碳氢燃料的喷射、雾化机理以及液滴在湍流场中的蒸发和燃烧特性开展研究，探索了液滴在湍流中的燃烧机理。. 本项目首先基于两相流空化模型，针对PODE燃料、喷嘴内部几何参数（喷孔直径、进口圆角半径）、针阀升程动态过程、边界压力条件（喷射压力、背压）对高压共轨喷嘴内部流动特性的影响进行了数值计算研究和分析。并进一步针对喷雾初级破碎过程，提出了一种新型多类型3D耦合的喷雾模拟方法，针对性地对不同入结构参数的孔径喷嘴进行了喷雾数值模拟。进而在定容燃烧弹上对PODE/柴油掺混燃料的喷雾微观特性进行了试验验证。从而系统地研究了液态燃料由喷油器进入燃烧室这段微空间内发生的物理过程。. 其次，对燃油喷雾在强涡流场中的扩散特性展开了研究，明确了气流运动对喷雾运动与燃料扩散的作用机制；. 再次，针对液雾在高温、高速流动空气中的物理化学过程，在单个液滴微观破碎与蒸发方面进行了深入研究，具体研究了液滴在室温、高速对流场中的破碎规律，并展开了液滴在火焰焰后高速气流中的破碎与蒸发特性研究，初步明确了流动火焰对单个燃料液滴的破碎、蒸发及燃烧的影响。. 最后，在利用超声悬浮液滴制备静置自由液滴时，我们偶然发现超声悬浮液滴在火焰的作用下会突然失稳并赤道面产生边缘喷射，并在数毫秒内将液滴完全雾化。针对该现象我们进行了深入研究，发现液滴表面蒸发可以将其表面由声绝缘体转化为声导体，从而利用声压将液滴压碎，研究将对航空发动机燃烧不稳定机理研究提供有益借鉴。. 本项目通过以上系统研究，揭示了流场、温度和压力等场量参数对多元燃料液滴破碎、蒸发及燃烧等耦合作用的机理为促进我国发动机基础燃烧研究水平提高和在发动机领域进行科技创新提供基础理论支撑。