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内燃机燃烧过程中热声耦合机理的研究

韦静思  
【摘要】: 热声耦合的本质是空间中热能与声能相互转化的现象,目前,国内外热声领域的研究主要集中在热声制冷,火箭推进器等方向。在内燃机领域,虽然研究者们已认识到燃烧室的压力振荡与燃烧过程尤其是爆震燃烧关系十分紧密,然而由于内燃机燃烧过程中声学振荡的复杂性,目前声波在燃烧室中的具体作用如何仍然没有定量描述,因此对内燃机燃烧中的热声耦合问题进行研究具有重要意义。 本文首先以火花点火发动机为研究对象,通过分析所引用的可视化发动机高速摄影燃烧照片,应用声学软件SYSNOISE建立了能描述燃烧室结构特征的声模态计算模型并进行了频响分析。基于已燃区和未燃区等燃烧特征,建立声学时域计算模型,开展单点和多点激励下的燃烧室压力波瞬态响应计算,初步研究了燃烧室压力场的时域特性和变化规律。 随后,通过对柱坐标系波动方程已有的经典解法的讨论,可知经典解法在求解内燃机燃烧过程中声场的困难,得出必须采用数值方法求解的结论。之后,将准维模型与声学模型相耦合,通过合理简化,采用数值解法并编制程序进行计算,与实验结果对比表明,该方法能粗略反应内燃机燃烧过程中的热声耦合性质。 为更深入了解燃烧过程中压力的声学振荡现象,在分析KIVA的流场求解算法基础上,根据KIVA的流场求解方程组推导出能够运用于内燃机燃烧过程中热声耦合计算的波动方程。该方程表明内燃机燃烧室的声波受到多个源项的激励,包括化学反应放热、粘性耗散、湍流产生项和耗散项、热传导、焓耗散等,具有三维非稳态瞬变的特点,必须与KIVA的模拟相结合进行求解。根据所得方程构造相应的差分方程,给出了在与KIVA相结合时计算的稳定性条件及其数学证明。推导圆筒结构混合气-气缸-水三层结构的声波反射系数的表达式,以具体应用与热声耦合的计算过程中。 根据所得的波动方程编制计算程序,在燃烧模拟过程中实时获取对燃烧室声场的各种激励源,得出了各源项的定量化计算结果,容易看出化学反应放热是燃烧过程声波产生的主要激励源。计算了某汽油机各种爆震工况的特性,通过与实测爆震时气缸压力振荡的对比,表明用波动方程计算内燃机燃烧过程中声场是可行的。提取多个特征点的振荡历程,经分析知燃烧室不同点的振荡在频率分布和幅值上相差较大,各种声学结构和燃烧参数对燃烧中的声学振荡有明显的影响。 在分析了内燃机燃烧过程中的热声耦合现象与现有热声装置的异同后,本文将波动方程与燃烧计算软件KIVA3V相结合,根据热声理论,定量的计算了热声耦合在内燃机燃烧过程中的作用。对于文中汽油机,引用高速摄影图片对燃烧过程进行描述,与计算结果进行对比分析。结果表明,爆震发生前,热声效应的作用是增进燃烧过程的不稳定性;而在爆震发生后,热声效应的作用是消耗振荡能量,使系统趋于稳定。爆震时的声压突增能达到数个兆帕的量级,此时由于声学波动造成的温度波动可超过200K。最后,利用耦合程序对一台柴油机燃烧过程进行声学计算和热声学计算,得出了其燃烧过程中燃烧室内的声场波动和温度波动。


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