气体燃料缸内预混燃烧火焰稳定性的基础研究

The fundamental study on in-cylinder premixed flame stability of gas fuel will be conducted by using a combination of theoretical analysis, numerical simulation and experimental study. The in-cylinder turbulent premixed flame analysis model of gas fuel will be established so as to analyze the effect of turbulent characteristic parameters in the ignition area on flame stability of formation and evolution during ignition process and study how the distribution of turbulent eddy structure affects flame front during flame propagation. The fundamental study on in-cylinder premixed combustion of the methane and blends mixing with non-hydrocarbons is conducted, and the flame stucture and characteristic parameters of flame stability will be acquired through experimental analysis. The premixed falme intrinsic instability analysis model of gas fuel will be built. The dependency of fame shape and sturcture during initial ignition on intrinsically unstable factors such as thermal expansion, thermal-diffusive instability ,buoyancy et al. and turbulent disturbulence will be revealed by a combination of experiment and numericlal caculation. Thus the effect of hydrogen addition on gas fuel which can change its consitituents is clarified. The study is of great significance for in-depth understanding the in-cylinder combustion properties and rules of flame stability in internal combustion engine.

本项目采用理论分析、数值模拟和实验研究等方法开展气体燃料缸内预混火焰稳定性的基础研究工作。通过建立气体燃料缸内预混湍流火焰分析模型，分析着火过程点火区域附近的湍流特征参数对初期火焰形成与发展的稳定性影响，研究火焰传播过程中缸内湍流的涡团结构分布对火焰面的作用，开展甲烷及掺混非烃气体成分的混合燃气在缸内预混燃烧的基础研究，通过实验分析获得不同初始条件下的火焰稳定性表征参量和火焰面结构，建立气体燃料预混火焰内在不稳定性分析模型，联合实验和数值计算揭示热膨胀、能量优先扩散、浮力等火焰内在不稳定影响因素以及湍流扰动对气体燃料着火初期火焰形态及结构的内在联系。在此基础上阐明氢组分对变组分气体燃料预混燃烧火焰稳定性的影响规律。本研究对深入认识内燃机缸内火焰燃烧特性和稳定性规律具有重要的学术意义。

本项目采用理论分析、数值模拟和实验研究等方法开展气体燃料缸内预混火焰稳定性的基础研究工作。通过建立气体燃料稳定性的理论分析模型，获得了不同Lewis数、活化温度和膨胀比下的色散关系，得到了临界波数和不稳定性波数随不同初始参数的变化规律，提出了描述气体燃料层流预混火焰不稳定性的修正色散关系表达式。耦合详细化学反应机理和无发射边界条件，建立了低热值气体燃料掺氢平面层流火焰的直接数值模拟模型，通过模拟分析获得了不同稳定性作用下火焰的动力学形态变化及产生机理，研究了燃料中非烃组分和氢组分对火焰面演变形态、组分分布的影响，并研究了流体动力学不稳定性和热-质扩散不稳定性作用下火焰的传播速度与位移速度的变化。开发了高温高压定容燃烧弹测试系统，基于该测试系统开展了不同燃空当量比、初始压力和初始温度、非烃气体组分比例和掺氢比下低热值气体燃料掺氢燃烧时层流燃烧速度和火焰稳定性的试验研究，分析了不同初始条件下火焰的传播特性，不稳定性机理占主导作用时胞状火焰的结构特点，并研究了不稳定火焰的自加速特性。建立了低热值气体燃料掺氢发动机缸内湍流预混火焰分析模型，开展了着火阶段点火区域附近的湍流特征参数对初期火焰形成与发展的稳定性影响，获得了不同发动机转速和点火时刻下缸内全局与点火位置局部流场参数的变动规律，研究了缸内初始火核形成过程中火核半径等参数的变化历程，开展了火焰传播过程中缸内湍流的涡团结构分布特性的研究，阐明了低热值气体燃料掺氢发动机缸内湍流-火焰相互作用的主要机理,并研究了低热值气体掺氢混合燃气的组分分配比对火焰面结构的影响。