实际发动机燃料的高压喷射湍流燃烧实验与机理研究

This project focuses on the interaction of complex turbulent flow and combustion in the closed space, which is the second scientific problem of the major research plan "Fundamental study on the turbulent combustion for engines". The practical engine fuels (methane, hydrogen, gasoline and kerosene) are selected as the objective fuels. The experimental study on chemical kinetics, laminar/turbulent flame speed, and turbulence-chemistry interaction of turbulent flames at high pressures will be conducted by using shock tube, laminar/turbulent combustion vessel combined with high speed schlieren measurement technology. Through the experimental measurement and theoretical analysis, the high pressure turbulent combustion model will be developed based on the experimental results. This research will provide the laminar flame speeds and turbulent flame speeds of practical engine fuels at high pressures, illustrate the pressure effect on the laminar/turbulent flame speed and turbulent flame dynamics. This will help to deeply understand the interaction of turbulence and combustion reaction at high pressures and flame stabilities. This study has a strong academic value to provide the experimental and theoretical guidance for the design and development of advanced engines. This research will promote the turbulent combustion and engine combustion research level of China, and support the technology progress and innovation in the field of internal combustion engine, gas turbine and aero-engine.

本项目紧扣“面向发动机的湍流燃烧基础研究”重大研究计划指南中的第二个科学问题——受限空间内复杂湍流和燃烧的相互作用，以实际发动机燃料（甲烷、氢气、汽油和航空煤油）为研究对象，利用西安交通大学层流/湍流燃烧实验平台结合高速摄像纹影测试技术，通过实验测量和理论分析，开展先进发动机研发过程中所急需的高压燃烧化学反应动力学、湍流燃烧实验数据和湍流与化学反应的相互作用机理的研究，构建高温高压湍流燃烧模型。本研究将填补高压条件下实际发动机燃料的层流/湍流火焰速率实验数据的空白，阐明不同初始参数对湍流燃烧火焰动力学的影响机理，对深层次理解高压下湍流与燃烧化学反应的耦合作用和高压火焰稳定性有重要理论价值，为先进发动机的设计和研发提供重要理论支撑，具有很强的基础性和前沿性。研究工作将促进我国湍流燃烧和发动机基础燃烧研究水平的整体提升，支撑国家在内燃机、燃气轮机和航空发动机领域的科技进步与创新。

本项目以发动机燃烧室封闭空间内湍流与燃烧的相互作用为研究背景，以发动机燃料（甲烷、氢气、汽油和航空煤油及其替代物）为研究对象，利用西安交通大学燃烧与着火实验平台结合高速摄像纹影测试技术开展了以下研究内容：（1）通过燃烧弹和激波管测量了实际发动机燃料的层流燃烧速率和着火延迟期实验数据，优化了其化学反应动力学模型；（2）通过燃烧弹实验开展了不同初始条件下的实际发动机燃料的点火特性，并给出了点火成功率的拟合关系式，阐明了不同初始条件对燃料点火成功率和最小点火能量的规律；（3）实验开展了不同湍流强度下发动机燃料的火焰传播特性和燃烧特性，分析了湍流与燃烧的相互作用机理。本研究完善了实际发动机燃料的点火特性、层流/湍流燃烧速率和着火延迟期实验数据，阐明了不同初始参数对湍流燃烧火焰动力学的影响机理，对加深理解湍流与燃烧化学反应的耦合作用和火焰稳定性有重要理论价值，对先进发动机的设计和研发具有一定的工程应用价值。. 项目负责人注重国际和国内交流，项目执行期间多次参加国际和国内学术会议，研究成果共发表期刊论文22篇，其中SCI论文20篇，中文核心期刊EI论文2篇，论文发表在《Proceedings of the Combustion Institute》、《Fuel》、《Energy & Fuels》等国际期刊上。培养博士生3名，硕士生2名。在执行项目期间，项目负责人胡二江获得国家自然科学二等奖一项（内燃机低碳燃料的互补燃烧调控理论及方法，项目负责人胡二江排名第3，2015年）；项目研究成果支撑了项目负责人胡二江获得西安青年科技人才奖（2016年）、陕西省青年科技新星（2017年）和第一届中国动力工程学会青年科技奖（2017年）。研究成果对于提升我国在相关学术领域的国际影响力起到了一定的促进作用，为项目负责人的后续科学研究打下了坚实的基础。