内燃机缸内不同空间尺度湍流特性及其对燃烧过程影响的研究

The turbulence-chemistry interactions are mainly embodied by the effects of turbulent eddies with different scales on the distribution of scalars. However, the turbulence in internal combustion (IC) engines is strongly unsteady, compressive, rotational and anisotropic, so that the flow structures and energy transport of in-cylinder turbulent flows are different from those of conventional turbulent flows, and the in-cylinder turbulent flows have not been well understood yet. In the present study, by using the high-speed particle image velocimetry (PIV) technology, in-depth investigation on the flow characteristics and cyclic variations of in-cylinder turbulence with various spatial scales are conducted with the purpose of clarifying the spatial distribution and evolution of turbulent eddies in different scales, especially for the coherent structures, and the energy cascade and dissipation process between different scales. Moreover, the micro PIV is used to investigate the near-wall flow characteristics in order to reveal the exchange of mass, momentum and energy, and further develop the detach eddy simulation (DES) model applicable for the in-cylinder flow. Based on the anisotropy of small scales, the governing equation of sub-grid scale scalar transport is derived in order to improve the existing scalar mixing model. Turbulence and chemistry are decoupled through capturing the sub-grid scale scalar fluctuation. On this basis, the interactions of turbulence, scalar transport and chemistry can be well understood. The present study is of great significance on the deep knowledge of the turbulence characteristics of in-cylinder flow in different spatial scales and their effects on the combustion process, and provides guidance for the control and optimization of the combustion in IC engines.

湍流与燃烧的相互作用体现在不同尺度湍流涡团对标量分布的影响，但内燃机缸内湍流的强非定常，强压缩，强旋转和各向异性使湍流涡团结构和能量传递与一般湍流相比存在明显差异，对缸内湍流尚未形成统一认识。本项目拟采用高速三维粒子图像测速（PIV）技术开展内燃机缸内不同空间尺度湍流特性及循环变动的研究，探明不同尺度涡团（尤其是拟序结构）的空间分布与演化、涡团间能量级联传递与耗散规律；采用微观PIV研究缸内近壁流动特性，探究边界层内外的质量、动量、能量交换过程，构建适于内燃机缸内流动模拟的分离涡模型；基于小尺度标量各向异性理论，建立亚网格尺度标量控制方程，完善标量小尺度混合理论；通过捕捉亚网格尺度标量脉动实现湍流和化学反应的解耦，完整地掌握"湍流涡团-标量输运-化学反应"的作用规律。本研究对于深入认识内燃机缸内不同空间尺度湍流特性，及其对化学反应的作用机理具有重要意义，为内燃机燃烧的控制及优化提供指导。

深入研究内燃机缸内湍流的多尺度特性对于燃烧的优化控制具有重要意义。本项目开展了以下工作：一、采用高速3D-PIV结合大涡模拟研究了汽油机缸内三维湍流特性，发现流场拟序结构的循环变动程序最高，但考虑占能比后平均流场对循环变动的贡献最大。基于该发现，通过加强大尺度滚流降低了气流和燃烧循环变动，通过进一步结合EGR和含氧燃料改善了发动机的燃烧及排放特性。相关结果对于采用气体燃料预混燃烧方式的动力装置燃烧和排放控制具有理论指导意义。二、基于理论分析和PIV实验研究了液滴在涡流中的输运、燃烧室涡流比预测、以及湍流生成等问题。建立了液滴在刚体涡中运动轨迹方程，研究了涡流转速、气液密度比等因素的影响；实验确定了涡流衰减与燃烧室结构的关系，提出了燃烧室凹坑内涡流比的预测模型；实验确定了湍流生成张量输运方程中各湍流生成项的贡献。相关结果对于采用液体燃料扩散燃烧的动力装置的混合气组织具有理论指导意义。三、采用延迟分离涡模型研究了汽油机近壁流动及传热特性。结果表明，无量纲速度在粘性底层与经典壁面率符合良好，但在对数层有明显差异。研究进一步揭示了发动机转速和滚流比对边界层厚度、壁面传热系数等的影响。相关结果对于认识动力装置的边界层流动及传热特性具有一定普适性意义。四、采用大涡模拟结合线性涡燃烧模型，将亚网格尺度的湍流扰动、分子扩散和化学反应解耦，研究了正庚烷喷雾的着火燃烧过程。发现小尺度涡团的高频扰动利于提高混合均匀度，降低反应标量波动，促进着火。相关结果对于通过加强湍流改善液体燃料的着火具有理论指导意义。五、采用S-LSVOF多相流模型研究了液滴在气流中的破碎，发现高不稳定条件下密度比对液滴动力学呈非单调影响。通过同时考虑表面张力和粘性力对RT不稳定性的影响，在宽Oh数范围内实现了破碎模式转换临界We数的准确预测。相关结果对于认识内燃机、航空发动机等动力装置高背压下的燃油雾化机理及相关喷雾模型的构建具有理论指导意义。