高海拔模拟环境下喷雾撞壁的燃烧和传热特性研究

摘要

高海拔下低温低压的极端工作环境容易导致发动机燃烧室出现严重的液相喷雾撞壁现象,造成附壁燃烧和池火,是引起活塞或燃烧室壁面烧蚀的重要原因之一.然而,目前关于高海拔环境下发动机喷雾撞壁、附壁燃烧及壁面传热的详细机理尚不完全清楚.本文基于定容燃烧弹模型结合多维数值模拟方法,开展了高海拔模拟环境下喷雾撞壁的燃烧及壁面传热特性研究.结果表明:缸内背景压力通过影响喷雾贯穿能力对喷雾液相撞壁起到主导作用,而背景温度则主要通过影响燃油蒸发速率对油膜演化起显著作用;附壁油膜的质量和蒸发速率对池火燃烧特性具有很大影响,高温高压条件下附壁油膜质量小、蒸发速率快,使得池火出现时间更早、峰值强度最大且持续时间最短;低温低压条件下油膜质量最大且蒸发速率最慢,使得池火出现时间更晚、峰值强度最小且燃烧持续时间最长;而高温低压和低温高压条件下池火的出现时间、峰值强度和持续时间则居于中间;此外,附壁油膜和近壁池火会显著增强定容弹流场对壁面传热的影响作用,附壁燃烧使得壁面长时间处于高热流密度和高温的状态,而油膜分布和蒸发速率的差异会导致池火区壁面热流密度和温度分布不均,且变化剧烈波动,由此引发的热疲劳可能是壁面烧蚀的重要原因.