可变湍流下气体燃料高压直喷部分预混燃烧基础研究

The fundamental study on partially premixed combustion of high-pressure injection under variable turbulence will be conducted by using a combination of modelling, numerical simulation and experimental study. Based on high pressure and temperature constant volume bomb, sustainable turbulence generator and combustion visualization measurement system, jet characteristics and partially premixed combustion are studied when methane and low-calorie gaseous fuels (CH4+CO2、CH4+N2) are injected into background turbulent field. Numerical models of high-pressure gaseous injection and partially premixed combustion will be established. It will be revealed how injection parameters, initial conditions and ignition parameters affect high-pressure jet characteristics and combustion process. The mechanism of act that injection parameters and initial conditions affect turbulent flame pattern, equivalent radius and turbulent combustion speed will be clarified. In addition, the effect of hydrogen addition on partially premixed combustion will be conducted. The study is of great academic significance for enrich and deepen jet theory and partially premixed combustion theory of gaseous fuels, and also has a high engineering value to promote the breakthrough of key technology of high-efficiency gaseous fuel engines.

项目拟采用理论分析、数值模拟和实验研究等方法，开展可变湍流下气体燃料高压直喷部分预混燃烧的基础研究。项目基于高温高压定容燃烧弹、持续型湍流发生器和燃烧可视化测试系统等试验平台，重点分析甲烷和低热值气体燃料（CH4+CO2、CH4+N2）等高压喷入湍流场后的射流特性和部分预混燃烧过程。并建立气体燃料高压直喷和部分预混燃烧数值模型，通过模拟分析揭示喷射参数、初始条件和点火参数等对气体燃料高压直喷射流特性和燃烧过程的影响规律，阐明喷射参数和初始条件对湍流火焰结构、等效半径和湍流燃烧速度等参数的作用机理。同时开展掺氢对部分预混火焰传播特性的影响研究。本项目对丰富和深化气体燃料的射流理论和部分预混燃烧理论研究具有重要的学术意义，对推动高效率气体燃料发动机的关键技术突破具有重要工程应用价值。

项目采用理论分析、数值模拟和实验研究等方法，开展可变湍流下气体燃料高压直喷部分预混燃烧的基础研究。对预混湍流燃烧定容燃烧弹试验平台的设计思路、部件组成及选型、工作原理等方面进行开发和论证。设计了一种新型湍流营造系统。完成了湍流燃烧试验平台的总体设计。开发了定容燃烧弹内湍流测量系统，对容弹中心湍流强度测量结果进行分析，论证了定容燃烧弹内湍流环境的各向均匀对称特性以及可调控性。开展了气体燃料层流火焰燃烧过程离子电流特性的实验研究和火焰电离机理以及离子电流计算模型的构建和数值模拟研究。阐明了初始条件对火焰传播特性和燃烧过程离子电流特性的影响，揭示了火焰发展演变的过程以及占主导地位的火焰电离机理之间的内在联系，揭示了火焰燃烧过程的离子电流的波形特征，探讨了离子电流特性与已燃质量分数、燃烧压力和燃烧放热率之间的相关性。通过建立气体燃料高压射流和燃烧仿真模型并进行数值模拟。得到了不同喷射时刻下气体燃料浓度场、速度场、温度场以及湍动能的分布情况。分析了不同喷射压力、喷孔直径、背压以及初始湍流对气体燃料射流特性、浓度分布及射流燃烧特性的影响；射流燃烧过程中反应物、生成物浓度分布以及温度分布情况。建立了定容燃烧弹内气体燃料湍流流动仿真模型，完成了湍流环境下气体燃料在定容燃烧弹内流场的动态变化研究；研究了湍流环境下定容燃烧弹内甲烷-空气混合气的密度场及温度场随燃烧时间的变化，分析了湍流预混燃烧发展的动态特性。开展了甲烷高压喷射射流特性和预混湍流燃烧的试验研究，研究了喷射压力、湍流强度、环境背压等参数对甲烷高压喷射射流特性的影响。研究了湍流强度、当量比等参数对甲烷-空气预混湍流燃烧的火焰传播特性以及燃烧过程的影响。基于可变湍流的定容燃烧弹，搭建了湍流环境下的离子电流模拟模型。分析主要粒子浓度及电离率的影响因素及变化规律，研究主要粒子浓度和电离率与燃烧温度和压力等参数的影响规律。