封闭空间内压力突变-湍流燃烧相互作用机理

Nowadays, the highly-intensified technology of SI engines is one of the most promising energy saving and emissions reduction method. However, abnormal combustion phenomena including knock and super knock caused by the increasing of thermal load, have become the limit of engine efficiency promotion. The present proposal on "Pressure Mutation - Turbulent Combustion Interaction in enclosed space" is carried out to explore the common scientific issues of abnormal engine combustion phenomena. Based on LES-LEM method, an enclosed space multi-scale Turbulent Combustion-Auto-ignition Prediction Model is developed by combining the optimized LEM (adopting the corrected low Reynolds number energy spectrum of turbulence) with WSR (Well Stirred Reactor). The mechanism of pressure mutation - turbulent combustion interaction is further established through integrate high precision numerical simulation with the advanced optical technology, and then is adopted to analyze the key parameters’ influence on knock and super knock. The purpose of the proposal is to illustrate low Reynolds number multi-scale turbulent combustion characteristic in enclosed space and reveal the mechanisms of in-cylinder pressure oscillation intense during the abnormal combustion process. The results would help to develop the turbulent combustion theory of IC-engines and provide the basic theory to effectively suppress the abnormal combustion phenomena.

高强化技术是SI发动机目前最有前途的节能减排措施之一。然而，随着发动机热负荷的增加而产生的爆震和超级爆震等非正常燃烧现象已经成为限制其热效率进一步提升的突出瓶颈因素。本项目针对高强化SI发动机爆震和超级爆震等非正常燃烧现象的共性科学问题“封闭空间压力突变-湍流燃烧相互作用”开展研究。拟基于LES-LEM方法，通过修正低雷诺数下的能谱图，耦合全混搅拌器WSR方法构建封闭空间多尺度的湍流燃烧-自燃预测模型；通过高精度的数值模拟和先进的光学测试技术相结合，完善封闭空间内压力突变-湍流燃烧相互作用机理；基于压力突变-湍流燃烧相互作用机理建立关键参数对爆震和超级爆震的影响规律。通过本项目的实施，以期能够阐明封闭空间内低雷诺数多尺度湍流燃烧特性，从机理上揭示非正常燃烧过程中缸内剧烈压力振荡产生机理。研究成果将发展发动机工况下的湍流燃烧理论，可为有效抑制爆震和超级爆炸等非正常燃烧现象提供理论依据。

小型强化被认为是目前最有前途的发动机节能减排技术，然而，随着发动机热负荷的增加而产生的爆震和超级爆震限制了发动机热效率的进一步提升。在缸内燃烧工况下，自燃瞬间难以产生剧烈的压力振荡，因此压力振荡的产生过程必然伴随着压力突变与湍流燃烧之间的耦合作用，但该过程的具体机理目前尚不清楚，且开展压力突变-湍流燃烧作用研究的数值模拟手段也尚不完善。..本项目拟采用实验和数值模拟方法并结合理论分析开展研究，提出普适、精确的数值研究方法，加深对封闭空间内低雷诺数多尺度湍流燃烧特性的认知；同时，发展湍流燃烧实验手段，进一步完善基于压力突变-湍流燃烧相互作用机理，以期较为全面地阐述非正常燃烧过程中缸内剧烈压力振荡形成机制，为有效抑制爆震和超级爆震等非正常燃烧现象提供理论依据。..重要研究成果：.（1）基于LES-LEM模型采用高阶MUSCL差分格式建立了高精度湍流燃烧-爆震数值模拟计算平台，并对其计算精度进行了验证；.（2）提出了动态自适应多区（DAMZ）加速算法，基于此建立了自燃预测模型，并开展了自燃形成过程和火焰面传播模式的研究；.（3）建立了基于压力间断面的高精度仿真模型，再现了压力波结构的形成与演变过程，揭示了末端混合气自燃、多热点相互作用以及爆轰波的形成机理，提出了火焰传播速度与末端自燃模式的理论模型；.（4）发明了压力波-火焰作用强度可调的可视化爆震发生器，捕捉到火焰加速过程中压力波产生并叠加生成激波的全过程，分析了压力波突变特性；捕捉到火焰-压力波相互作用导致末端自燃及爆轰的全过程，揭示了火焰-压力波相互作用对末端自燃及爆轰的作用规律；.（5）搭建了基于LES耦合G方程的实际发动机湍流燃烧仿真模型，包括点火时刻火焰速度，湍流强度，温度分层和燃油分层水平对自燃倾向和爆震强度的影响，分析了量化了爆震燃烧过程缸内变量场的变化；.（6）提出了早燃识别的统计方法，实现了润滑油诱发早燃的燃烧过程可视化研究，提出了乙醇掺烧、多次喷射、米勒循环等爆震和早燃的控制策略；