火花辅助压缩点火发动机燃烧机理的三维直接数值模拟和实验研究

This research uses the combination of numerical，theoretical and experimental methods to study flame/ignition interactions on the effect of combustion characteristics under SACI (Spark Assisted Compression Ignition) engine conditions. Three dimensional (3D), two dimensional (2D) and one dimensional (1D) DNS (Direct Numerical Simulation) will be employed to reveal turbulence/chemistry interactions; the effect of three time scales: ignition delay time, flame propagation time and turbulence eddy turn over time on flame front structures, flame propagation speeds and the auto-ignition kernels, and also, the effect of heat and mass transfer on the formation of auto-ignition kernels and the ensuing combustion mode. Different boundary conditions with respect to deflagration flame front and ignition front will be identified. Furthermore, laser diagnostic technology PLIF (Planer Laser Induced Fluorescence) will be used in an optical engine to show composition distribution. A hybrid SACI combustion model will be proposed based on DNS and experimental data and can be added in OpenFOAM. In a nutshell, this study plays an important role on the understanding of SACI combustion and has the potential to extend low load and medium-high load operation ranges.

本项目采用计算、理论和实验相结合的方法研究火焰和自燃着火的相互作用对火花辅助压缩自燃着火（SACI）发动机燃烧过程的影响。主要使用三维DNS以及相应的二维和一维计算揭示湍流和化学动力学相互作用机理；探索三个时间尺度：混合物的点火延迟时间、火焰传播时间和湍流时间的耦合效应对反应前锋的结构、火焰传播速度和未燃区域火核形成的影响；揭示三维火焰锋面传播引起的传热传质规律对自燃着火火核形成以及引发的燃烧模式的影响；确定不同边界条件对爆燃波和爆震波的形成机理。在一台光学发动机上应用激光诊断技术PLIF再现发动机内浓度分布，并结合DNS数据建立SACI混合燃烧模型并把新的燃烧模型扩展在OpenFOAM开源平台上。这一研究对于揭示SACI混合燃烧机理有重要的理论意义，并对拓展HCCI发动机在低负荷和中高负荷下的工作范围有重要的工程指导价值。

直接数值模拟（DNS）发动机条件下的湍流燃烧过程，是揭示内燃机燃烧中基础的物理化学现象最精确也是最困难的方法。J.H. Chen指出湍流燃烧直接数值模拟的超级计算使我们具备了在实验室尺度下研究研究湍流/化学相互作用的能力。特别是在中等雷诺数和复杂化学条件下，三维DNS提供了前所未有的详细的湍流、混合和反应之间的关系，为评估模型假设提供了基准数据。. 国内外对湍流燃烧的直接数值模拟非常少，特别是针对内燃机条件下的三维直接数值模拟。为了能够全面认识火花辅助压缩自燃着火等先进的发动机燃烧模式，我们开发了两套直接数值模拟程序，并基于这两个DNS程序开展了湍流燃烧数值模拟研究。. 本项目研究过程中，首先改进了in-house直接数值模拟程序，采用三维DNS以及相应的二维和一维计算研究了火焰和自燃着火的相互作用对火花辅助压缩自燃着火（SACI）发动机燃烧过程的影响，揭示湍流和化学动力学相互作用机理，即火焰锋面/自燃着火锋面之间的传热传质规律；确定不同边界条件对末端自燃以及火焰不稳定性的影响机理。开发了DNS数据与Cantera相结合的并行后处理程序。. 其次，基于OpenFOAM平台建立了低马赫数直接数值模拟求解器，验证了精度，进一步揭示了球形火焰传播过程中水力学不稳定和热质扩散不稳定性对火焰面胞状结构的影响。最后，在光学发动机上应用激光诊断技术PLIF再现发动机内浓度分布，通过数值模拟的方法研究了燃料的低温和高温化学反应对放热以及污染物生成的影响。这一研究对于揭示发动机中混合燃烧机理有重要的理论意义，并对拓展HCCI发动机在低负荷和中高负荷下的工作范围有重要的工程指导价值。. 这两个直接数值模拟程序的建立、后处理程序的开发以及对于发动机条件下低温燃烧模式的模拟研究，为燃烧特别是湍流燃烧的研究，提供了新的手段，扩展了DNS研究的内容，可以为CFD计算供更多的验证数据。. 本项目已发表SCI论文6篇，EI论文3篇，培养硕士研究生2名，完成了任务书的既定目标。