射流火焰淬熄及引燃预混合气数值模拟

摘要

替代燃料的使用是减缓大量使用化石能源带来的能源危机和环境污染问题的重要途径，也是我国未来能源经济发展的重要内容。射流引燃系统通过提供高额点火能量和缩短火焰传播路径加快燃烧速度，是解决代用气体燃料燃烧速率较慢和稀薄燃烧火焰传播速度较慢的有效方法。
　　本研究采用可视化实验结合数值模拟的方法。采用纹影法和火焰自然发光法分别测量点火室射流发展过程和火焰发光强度，并通过仿真分析定容射流燃烧过程进一步认识射流引燃机制，最后通过发动机CFD数值模拟探究性提出小容积点火室的设计方法。可视化实验研究不同甲烷喷射量、环境温度和环境压力对点火室射流火焰结构及引燃预混合气过程的影响，仿真分析包括定容燃烧装置的混合气流动过程和点火室射流引燃过程。结果表明：混合气流动在点火时刻形成主燃室低当量比、点火室高当量比的分布特点；点火室射流火焰引燃预混合气过程是主燃室点火能量累积，射流湍流能量转换，射流高温区向低温区拓展的结果；点火室的混合气当量比控制对射流引燃系统的影响较大，精确控制点火室混合气当量比有利于预混合燃烧的着火相位控制，提高点火稳定性，拓宽点火室引燃主燃室预混合气的稀薄极限；增大环境压力，点火室射流提供的点火能量增大，主燃室预混合气燃烧始点提前，燃烧持续时间变短；相同压力条件下，射流引燃过程受温度和混合气浓度两个方面的影响，提高温度可以增大初期火焰传播速度。点火室设计方法研究基于一台改装的天然气发动机建立 CFD仿真模型，模拟不同参数对发动机性能的影响，结果表明：射流引燃系统在较宽的点火提前角范围内能够保持较好的点火性能，在一定范围提前点火时刻，射流点火机构的点火性能越好；过大或者过小的点火室容积比都不利于主燃室燃烧速率，控制点火室容积比在3%附近可以有效提高点火室的点火性能，缩短主燃室燃烧持续期；点火室喷孔面容比对点火性能影响不明显，但是喷孔直径和喷孔长度对射流能量影响较大，适中的喷孔直径和长度有利于提高点火室性能；对于小缸径内燃机，深ω形燃烧室更有利于射流火焰在主燃室传播，燃烧持续期更短；增大喷孔夹角会缩短射流沿喷孔方向的传播距离，增大浅ω形燃烧室的放热率；喷孔数量通过改变射流点火能量的分布特性影响燃烧放热率，6喷孔点火室在小缸径内燃机中表现出较好的点火性能。

目录

声明

1 绪论

1.1 高能点火系统

1.2 稀薄燃烧天然气发动机

1.3 柴油机预混合燃烧思想

1.4 点火室射流燃烧机构

1.5 本文研究内容

2 射流燃烧可视化实验

2.1 试验台总体布置

2.2 可视化数据采集

2.3 点火室设计

2.4 实验结果及分析

2.5 本章小结

3 射流引燃过程数值模拟

3.1 CFD 模型

3.2 混合气流动过程

3.3 射流引燃过程数值模拟结果

3.4 射流的一般结构

3.5 本章小结

4 点火室设计方法研究

4.1 天然气发动机模型

4.2 点火提前角

4.3 点火室容积比

4.4 点火室喷孔结构

4.5 点火室喷孔夹角和燃烧室形状

4.6 点火室喷孔数量

4.7 点火室设计方法的探究

4.8 本章小结

结论

参考文献

附录A 符号索引

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢