气-液燃料燃烧理论与低碳技术

脉冲爆震发动机(pulse detonation engine,PDE)和转子发动机是动力机械的重要分支,具有广阔的应用前景。缸内燃烧不充分是限制其燃烧排放性能提高的瓶颈,主要原因是缺乏对燃烧室内流动和燃烧过程的深入认识。为此,本团队围绕脉冲爆震发动机和转子发动机燃烧室内流动和燃烧的耦合机理开展了深入研究。

自由活塞发动机电动压气机优化及熵产分析

为了使设计工况下匹配的增压器性能更优从而提高系统能量利用率,针对自由活塞发动机匹配的电动压气机,采用遗传算法对原压气机进行了优化,研究了优化前、后压气机内部流场特性,以熵产分析的方法量化了3种不可逆因素导致的流动损失,并将优化前、后压气机熵产和涡度分布对比分析,进一步明确了压气机的优化策略.结果表明:叶轮和扩压器中湍流耗散、传热耗散和黏性耗散的比例近乎为6∶3∶1.不可逆损失主要集中在叶顶间隙和叶片压力面,损失来源为间隙泄漏流与部分主流掺混形成的反向涡团.压壳中湍流耗散占比超过85%,具体表现为局部损失和沿程损失.优化后压气机等熵效率提高了6%,流道内涡团的范围、幅值大幅减小,不可逆流动损失降低.上述工作揭示了压气机流场中不同耗散机制的不可逆因素对能量损失的影响机理,为压气机气动优化设计提供指导.

双燃料喷射器油-气瞬时质量流率同场测量方法

提出一种组合式的测量方法,将其应用于缸内高压直喷柴油/天然气发动机双燃料喷射器瞬态燃料质量流率的研究,实现了两相燃料同场高精度测试.针对传统“动量法”只能获取喷气规律型线无法获取准确质量流率的问题,提出一种平行测试的方法,通过采集测试容腔内的压力变化获取循环喷气量,结合瞬态动量信号得到精确的喷气规律曲线.并对喷射器的计量特征及时间特征进行验证.最后对柴油/天然气双燃料喷射器常用工况进行测试,结果表明:该方法解决了两相燃料难以同场测量的问题,实现了双燃料喷射器油-气瞬时质量流率的精确测量;喷气量测试误差不超过5%,喷油及喷气起始时刻与结束时刻的测试误差不超过0.113 ms,喷油量及喷气量的波动率分别不超过1.4%和2.9%.随着燃料喷射压力增加,喷射器的开启时段减小、关闭时段增加,且内部轴针开启和关闭的速度均大于外部轴针.引燃油的喷射通过影响喷气持续期影响喷气量,先油后气喷射方式下的喷气量在仅喷气方式下的喷气量上、下波动.

基于量子化学计算的正己烷热解反应动力学模拟

为研究正己烷(n-C_(6)H_(14))的常压热解特性,提出了正己烷热解(NHP)模型,该模型使用基于误差传播的直接关系图(DRGEP)简化方法和色散校正密度泛函理论的B2PLYP/def2-tzvp方法,得到了一个包含33种物种和134个基元反应的简化机理。利用该模型计算了n-C_(6)H_(14)在不同温度下主要热解产物乙烯(C_(2)H_(4))、丙烯(C3H6)和丁炔(C4H6)的相对摩尔分数,并对n-C_(6)H_(14)的热解过程进行了反应路径分析。利用同步辐射真空紫外光电离质谱法(SVUV-PIMS)结合射流搅拌反应器(JSR)在温度为673~1103K、压力为1atm条件下对n-C_(6)H_(14)进行了热解实验,并与NHP模型进行了对比分析。结果表明:n-C_(6)H_(14)热解过程中最主要的产物是C_(2)H_(4),促使C_(2)H_(4)生成较为重要的两个反应的指前因子分别为6.01×10^(13)s^(-1)和2.18×10^(13)s^(-1)。在673~1023K温度范围内,结合量子化学计算得到的NHP模型对n-C_(6)H_(14)主要热解产物的相对摩尔分数进行了预测,与JetSurF 2.0模型相比,C_(2)H_(4)和C4H6的最大误差分别减小了27.9%和47.9%。反应路径分析表明,C_(2)H_(4)主要来源于己基的一系列β位断裂。

NH_(3)/H_(2)预混合气激光点火特性实验

基于定容燃烧弹,在不同初始压力、当量比和掺氢比条件下,对NH_(3)/H_(2)预混合气进行了激光点火实验研究,分析了不同条件下的火焰发展形态及最小点火能量EMI.研究发现,随掺氢比的增加,火焰受浮力的影响减弱,火焰边界逐渐清晰;升高压力能降低混合气的EMI,但不同当量比混合气的EMI受压力改变的影响程度不同;纯氨气的火焰发展极不稳定且EMI极高,掺混H_(2)后能极大降低EMI,可以有效拓宽氨气的可燃使用范围,其中掺氢比为10%时,EMI降低效果最明显.

离心喷嘴内部两相流动及液膜波动特性研究

应用界面跟踪方法,RNG(Renormalizationgroup)k-ε湍流模型,对离心喷嘴内部液膜波动特性进行了数值模拟研究.分析了不同的进口速度、燃油表面张力对液膜波动特性的影响.结果表明,离心喷嘴内部充液过程包括非稳态液膜形成过程和准稳态波动过程两个阶段,达到准稳态后,液膜(气核)存在明显的周期性波动特性.随着进口速度的增大,旋转所产生的离心力随之增大,气核尺寸也随之增大,液膜厚度变薄.不同表面张力下气核波动频率变化不大,但幅值不同,表面张力越小,波动振幅越大.

考虑进口温度畸变的涡轮级非定常流动数值仿真

为更好地预测涡轮级非定常流动特征,以准确分析进口温度畸变对下游叶排产生的影响。本文基于有限差分法开发了多级涡轮非定常流动数值求解器,通过试验数据验证其准确性和可行性,利用该求解器针对进口温度畸变进行了单级涡轮非定常流动数值仿真。以某单级高压涡轮作为研究对象,改变进口总温分布条件,设计了在进口总温均匀分布、总温沿径向不均匀分布和涡轮进口存在热斑3种方案下,进口温度畸变对马赫数、叶片热负荷等因素产生的影响,以及高温气流迁移路径的变化规律。结果显示,进口温度畸变对单级涡轮内部流场的影响不大,进口温度径向不均匀分布会导致导叶径向中上部分出现带状高温区域,在60%叶高处的导叶前缘温度最高。这种现象会因热斑的存在而加剧,在同一周期内进口温度畸变不会造成导叶表面最高温值的大幅度变化。主流气体在涡轮流道作加速运动,热斑由椭圆形逐渐变窄,温度降低,在导叶尾缘与脱落涡相互作用,气体受挤压边缘呈现锯齿状。动静交接面后,在动叶前缘和动叶压力面热负荷较为显著,并且在同一周期内进口温度畸变会使动叶表面的最高温值在一定范围内变化,在涡轮流道内进口温度畸变不会使高温气流在径向方向上的发生较大的偏移。

适用于天然气发动机高EGR率的引射器仿真研究

针对发动机抑制爆震的难题,提出采用无功耗的引射器实现天然气发动机高废气再循环(EGR)率的技术方案.首先,完成设计工况下的引射器结构参数设计计算;然后,建立引射器仿真模型,并根据实验数据开展引射器计算模型的校核与验证;其次,对引射器引射性能随结构参数的改变进行分析,获取各结构参数对引射性能的影响规律;最后,提出了一种新的结构参数敏感性评价指标,研究了结构参数对引射性能的影响程度.研究结果表明:随着混合段长度和扩压段长度的增加,引射系数(μ)会随之增大;混合段直径(d_(3))、扩压段角度(θ_(s))和喷嘴出口至混合段距离(L_(NXP))的增加会导致μ先增加后减小,μ的最大值分别出现在d_(3)=46.1 mm、θ_(s)=4°和L_(NXP)=57.33 mm处;对μ影响最大的结构参数为d_(3),对应的敏感性指标为0.88,而L_(NXP)对μ的影响程度最小,敏感性指标为0.05.

振动及加热壁面条件下的近壁空泡溃灭可视化研究

采用低压电火花生成空泡的方式系统研究了复杂壁面条件下的近壁空泡溃灭行为。通过不同类型振动壁面及不同温度壁面附近的空泡溃灭行为的可视化试验,发现壁面振动对空泡溃灭有促进作用,空泡溃缩过程更快,体积变化更显著。不同类型壁面对空泡溃灭过程的影响不同,柱形壁面相较于球形壁面,近壁的空泡形态较不规则,溃灭呈现整体塌陷的趋势,在反弹阶段会形成不规则的空泡云。壁面升温会使得近壁空泡产生明显趋向于壁面的溃灭行为,并伴随多次空化的现象,这会对壁面造成严重损伤。

基于响应面法的结构参数对引射器引射系数影响的仿真研究

为分析引射器引射系数的显著影响因素,建立以空气为介质的引射器二维可压缩流动数值模型,基于实验数据完成了引射器模型计算准确性的校核验证.采用D最优实验设计方法设计计算矩阵,基于最小二乘法构建二阶形式的引射系数响应面预测模型,并基于响应面预测模型开展了引射系数显著参数及参数交互作用的仿真分析.研究结果表明:引射系数预测值和计算值的吻合性证明了响应面预测模型的准确性;扩压段长度、混合段长度、混合段直径和喷嘴出口到混合段入口距离的交互、混合段直径和混合段长度的交互、混合段长度和扩压段扩散角的交互是引射器引射系数的关键影响因素,因其对引射系数影响的P值小于0.001;扩压段扩散角、喷嘴出口到混合段距离和扩压段长度的交互、混合段长度和喷嘴出口到混合段距离的交互对引射系数具有重要的影响,是引射系数影响的主要参数;在参数显著交互作用中,影响引射系数的显著因素是变化的,取决于显著交互作用双参数的取值范围.

基于直接吸收光谱深度学习神经网络模型的CO_(2)浓度检测研究

CO_(2)是温室气体的主要成分之一,其对全球气候变化和环境质量有重大影响,燃煤电厂作为我国最大的CO_(2)排放源,面临着严峻考验。为准确、快速、低成本地检测燃煤电厂CO_(2)浓度,促进燃煤电厂低碳发展,本文利用分布反馈半导体激光器构建了一种高灵敏度的CO_(2)气体检测系统,同时采用HITRAN数据库作为深度学习模型的数据集,建立了一维卷积神经网络(one-dimensional convolutional neural network,1D-CNN)模型,采用反向传播神经网络算法检测CO_(2)浓度并与直接吸收技术进行了对比,并通过K折交叉验证法和调整模型参数来提升1D-CNN模型的性能。结果表明,1D-CNN模型的决定系数R^(2)值可达到0.9997,相对误差为1.07%,绝对误差为7.88 mg/m^(3),模型建立较为符合要求;利用1D-CNN模型调用最优参数,对比预测数据和真实数据,平均相对误差为6.06%,平均绝对误差为17.97 mg/m^(3),决定系数R^(2)=0.99941,可得模型的预测结果具有较高的精度。这种基于直接吸收光谱深度学习神经网络模型的气体浓度检测模型在测量CO_(2)气体浓度方面具有较高的准确性和可靠性,可为电力行业的环保监测和节能减排提供有力的技术支持。

一种新型气道稳态性能评价方法

现有气道稳态性能评价方法需要先得到多个行程下的特性参数,再按照一定的步骤计算得到最终的气道特性参数,导致试验或仿真时间较长,需要多次反复才能得到最终气道特性参数。提出了一种新型的气道稳态性能评价方法,只需要得到无气门时的气道特性参数,即可直接得到最终气道特性参数。结果表明:所提方法可以大大加快最终气道特性参数的获得速度,减少试验或仿真次数,并能取得与现有气道评价方法类似的气道评价结果。

欧七排放标准解读及国七排放标准展望

欧盟于2024年5月8日正式发布了欧七排放标准。该标准合并并简化了原轻型车和重型车的欧6/VI排放标准,基于燃料和技术中性的原则,进一步加严了轻型车和重型车的污染物排放限值。新标准增加了对重型车一氧化二氮(N_(2)O)污染物排放的管控,并强化了对车辆排放耐久性的要求,确保车辆在其整个生命周期内维持低排放水平。对于电动汽车,欧七标准提出了电池可靠性的要求,以提升动力电池在实际使用中的性能。此外,欧七标准对车辆在实际道路行驶中的排放控制更加严格,首次对非尾气排放(制动和轮胎磨损颗粒物)提出了要求。在车辆排放管理方面,欧七标准引入了多个新要求,包括车辆环保护照(EVP)、车载远程监控(OBM)系统和车载燃料及能耗监测(OBFCM),通过数字化监控和管理手段提高车辆的环保性能。最后,本文展望了国七排放标准在污染物限值、非尾气排放、温室气体管控、远程监控等方面的制定工作思路和要求,为我国下阶段排放法规的发展提供参考。

加热对正庚烷空气雾化特性的影响

本文以燃料冷却和加热雾化技术为背景,基于空气辅助喷雾加热雾化实验台和数字同轴全息测量系统,研究加热条件下正庚烷温度、气液质量比对雾化特性和喷雾射流中庚烷蒸发的影响规律。结果表明,庚烷温度的提升使得低气液质量比(ALR=1.5)工况雾化变好,进而明显缩小了喷雾锥角。高气液质量比时庚烷温度变化对喷雾锥角影响不明显。庚烷温度提高使得液滴密度、黏度、表面张力变小,破碎所需表面能极大降低,促进了大颗粒的二次雾化,明显降低了索特尔平均直径,降低幅度可达70μm。正庚烷温度提高,蒸发潜热降低,使得液滴更容易蒸发,喷雾中庚烷蒸气浓度增加,正庚烷温度90℃工况庚烷蒸气浓度可达2.28%。

发动机爆震的分析及解决方法

本文针对发动机爆震问题,从爆震的原因、影响以及解决方法等方面进行了分析和研究。通过对燃烧过程和相关因素的探讨,提出了一系列有效的解决措施,为提高发动机性能和可靠性提供了参考。

发动机振动特征分析与隔振技术分析

随着车辆制造技术的快速发展,汽车已经成为人们出行和交通运输的主要工具,在汽车的安全性、可靠性、操作便捷性不断提升的同时,汽车的驾驶舒适性也成为了汽车品质的重要考评要素。为更好地分析汽车发动机规律,从发动机振动相关研究出发,分析了发动机振动特征的研究趋势,介绍了导致发动机振动的主要因素,总结了振动产生的规律和特点,说明了发动机振动控制的常用形式,并重点对发动机隔振技术展开应用技术研究。

基于OH^(*)的NH_(3)-H_(2)-DME高温自着火特性

氨(NH_(3))作为一种十分有前景的零碳替代燃料,其低反应性限制了它的发展和应用,而掺混与其特性互补的其他低碳或零碳燃料,可明显改善其燃烧特性.基于此,在激波管试验平台上利用反射激波和燃料激发态羟基(OH^(*))的自发光特性,测量了温度T为1 300~2 000 K、压力p为0.14 MPa与1.00 MPa且当量比φ为0.5、1.0和2.0条件下,NH_(3)-氢(H_(2))-二甲醚(DME)三元燃料与空气混合燃料的着火延迟期(IDT),并研究了H_(2)+DME作为二元活性剂,其比例在各工况下对纯NH_(3)混合燃料着火延迟期缩短率的影响.结果表明:活性组分比例会影响活性剂的着火促进效果,活性剂H_(2)+DME(摩尔分数比为1∶1)相比同比例下的单一活性剂可以降低混合燃料更多的活化能.三元混合燃料的着火特性随活性剂比例、反应条件不同,有截然不同的特点,其中,在稀燃条件下,H_(2)+DME(摩尔分数比为2∶1)着火促进效果更好,而在富燃条件下,H_(2)+DME(摩尔分数比为1∶2)活性更高.

二甲醚对氨着火特性的影响与动力学分析

基于激波管测试平台测量了二甲醚对氨气着火延迟期的影响.试验压力为0.14/1.00 MPa,温度为1150~1950 K,当量比为0.5/1.0/2.0,氨/二甲醚掺混比为100/0、95/5、90/10和70/30.试验结果表明:添加二甲醚可以有效缩短氨气的着火延迟期,增加氨气的反应活性.低温、低压条件下,二甲醚对氨气的着火促进作用更强,添加二甲醚导致当量比对氨气着火延迟期的影响减弱.建立了氨气-二甲醚机理以揭示二甲醚对氨气着火的促进作用,并将笔者的着火延迟期数据与部分文献机理进行了验证和对比,本机理能够可靠预测试验结果.通过敏感性分析、反应路径分析及产率分析,解释氨气和二甲醚的相互作用机理.分析表明,二甲醚的促进作用主要是通过加速早期自由基池发展以增加系统反应活性.着火初期二甲醚通过反应HO_(2)+CH_(3)=OH+CH_(3)O产生大量的OH自由基,对氨气消耗并提前启动链反应至关重要.

水蒸气对微型氢气HCCI自由活塞发动机燃烧和NOx排放特性的研究

为了解决微型均质压燃自由活塞发动机燃烧温度和压力过高、尾气排放氮氧化物浓度高的问题,采用数值模拟的方法,建立微型均质压燃自由活塞发动机的数值模型,并通过与试验结果的对比验证模型的正确性。在此模型基础上,以水蒸气为稀释剂,研究燃料稀释和进气稀释对微型氢气均质压燃自由活塞发动机燃烧和氮氧化物排放特性的影响。研究结果表明:水蒸气的存在会延迟着火时间;在燃料稀释方式下,当稀释率由0增加至0.1时,最高燃烧温度降低145 K,最高压力降低1 MPa,氮氧化物排放浓度降低69%,但同时平均有效指示压力下降了0.11 MPa;而在进气稀释方式下,最高燃烧温度和氮氧化物排放下降的幅度较小,且最高燃烧压力呈现先增加后减少的趋势。因此,在降低燃烧温度、压力和氮氧化物排放方面,燃料稀释的效果较好,但发动机的做功能力会随燃料稀释率的增大而降低。

Sensitivity Analysis of Injection Characteristic to Structural Parameters of GDI Injector Nozzle Hole

The nozzle inner-flow characteristic of the“spray G”injector was studied by the computational fluid dynamics(CFD)simulation,and the sensitivity of cycle fuel mass to the conicity and entrance radius of the nozzle hole were analyzed.Results show that the inner conicity of nozzle hole inhibits the development of cavitation phenomena,and increases the injection rate.While the outer conicity of nozzle hole promotes the diffusion of cavita-tion,leading to reductions of the liquid volume fraction of the nozzle outlet and the local flow resistance of the nozzle hole.The sensitivity of cycle fuel mass to inner-cone nozzle hole is stronger than that of the outer-cone noz-zle,especially at the smaller hole conicity.The increase of injection pressure enhances the sensitivity of the injection characteristics to the nozzle hole structure,in which inner-cone nozzle has higher sensitivity coefficient than the outer-cone nozzle hole.However,the increase of injection pressure aggravates the offset of liquid jet to the nozzle axis of the outer-cone nozzle hole.With the increase of the inner conicity of nozzle,the sensitivity of the injection characteristics to the entrance radius of the hole decreases.With the increase of the outer conicity of nozzle hole,the sensitivity of the injection characteristics to the entrance radius of the hole increases.