可变湍流下甲烷高压喷射及预混燃烧试验研究

【摘要】：随着汽车工业的迅速发展,排放污染与石油短缺问题日益严重。在应对排放污染与石油短缺问题上,气体燃料具有广阔的应用前景。对于缸内直喷天然气发动机而言,天然气在高压喷射下的射流特性以及缸内的湍流燃烧特性直接影响着发动机的动力性、经济性与排放性。因此,本文开展了湍流环境下甲烷高压喷射射流特性以及甲烷-空气预混湍流燃烧特性的试验研究,为气体燃料发动机的优化提供试验数据。本文依据湍流的产生原理,设计了一种新型湍流营造系统,采用进气射流结合射流碰撞的方法在定容燃烧弹内营造持续可调控的各向均匀同性湍流环境。根据守恒方程、湍流模型、容弹以及湍流营造系统的工作原理,运用Fluent软件建立了湍流定容燃烧弹的数值模拟模型,对湍流定容燃烧弹内部流动进行了数值模拟计算,通过对湍流定容燃烧弹内部流场的分析,验证湍流定容燃烧弹系统设计方案的可行性。本文通过对湍流燃烧试验平台的功能进行分析,完成了湍流燃烧试验平台的总体设计。完成了试验平台各个子系统结构组成、工作原理的设计,对各个子系统的关键参数进行了求解计算以及理论论证,开发了定容燃烧弹内湍流测量系统,利用其对容弹中心湍流强度进行了测量与标定,对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。基于开发的试验平台,开展了甲烷高压喷射射流特性的试验研究。基于MATLAB软件编写了高速摄影拍摄的射流发展照片的图像处理程序。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。试验结果表明:湍流对甲烷高压喷射射流的径向发展有促进作用,而对轴向发展的促进作用主要体现在射流主体阶段;湍流加强了射流对周围介质气体的卷吸作用,有利于甲烷射流与介质气体的混合。开展了甲烷-空气预混湍流燃烧试验研究,对预混湍流燃烧的相关特征参数进行了分析。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。结果表明:对于甲烷-空气预混湍流燃烧,湍流可以加速火焰传播,增大燃烧放热速率,缩短燃烧持续时间。