预燃室点火式汽油机稀薄燃烧特性试验研究

基于测试试验台架对被动预燃室增压直喷汽油机在不同工况下的效率特性、燃烧特性、燃油经济性以及排放特性进行了研究。采用3次喷射策略形成稀薄燃烧环境(过量空气系数为1.3),发动机转速为2800 r/min,2000 r/min。结果表明:同一转速条件下,增压预燃室发动机在负荷增加时,有效热效率和有效机械效率呈上升趋势,但超过一定范围,有效热效率下降;CA10,CA50,CA75,CA90和最大爆震指数随负荷增大呈上升趋势,同时燃烧循环变动率也可以控制在0.35%以下;发动机转速为2800 r/min,较小负荷时的燃油消耗率最低可达242.1 g/(kW·h);NO_(x),HC和CO排放与发动机运行工况密切相关,随负荷增加呈现减少趋势,Soot排放可控制在0.13 mg/m^(3)。

预燃室湍流射流点火甲醇发动机稀薄燃烧和排放特性试验研究

基于一台四冲程单缸发动机开展预燃室湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)甲醇发动机燃烧特性、性能表现和排放特性的试验研究。结果表明,TJI燃烧模式燃烧速率较快,放热率(heat release rate,HRR)峰值明显较高,且具有更短的滞燃期和燃烧持续期。随着过量空气系数变大,缸内压力和放热率峰值变小,TJI和火花塞点火(spark ignition,SI)燃烧模式滞燃期和燃烧持续期均变长。此外,TJI燃烧模式可有效提升甲醇发动机的稀薄燃烧稳定性,可将稀燃极限拓展至过量空气系数2.0。TJI燃烧模式下平均指示压力略低于SI模式;然而对于过量空气系数大于1.1的稀燃工况,TJI燃烧模式指示燃油消耗率更低,在过量空气系数1.3时低于570 g/(kW·h),说明其具有更好的燃油经济性。TJI燃烧模式下氮氧化物排放量明显低于SI燃烧模式,过量空气系数1.1时降低约37.2%,并且在过量空气系数大于1.3的极稀燃工况具有相对较低的甲醛CH_(2)O和碳氢化合物排放。

发动机进气温度对稀薄燃烧稳定性影响的可视化研究

稀薄燃烧稳定性是先进天然气发动机稳定高效清洁燃烧的重要指标.为了进一步探索改善天然气发动机稀薄燃烧性能的方法,本文基于一台高压缩比单缸光学发动机,采用高速摄影和瞬态压力同步测量方法,研究了进气温度对天然气发动机稀薄燃烧特性的影响,量化了火焰发展演变与发动机性能之间的关联性.研究表明:提高进气温度可以提升缸内压力和放热率峰值,进气温度从25℃到75℃,峰值压力从3.71 MPa提升至4.49 MPa,峰值放热率从57.17 J/(°CA)提升至64.36 J/(°CA),并且放热过程更为集中,同时结合发动机点火时刻,可进一步实现燃烧相位优化,降低传热损失;可视化燃烧图像显示,高进气温度条件下着火延迟期缩短,初始火焰尺寸增大,后期火焰传播更快,最大火焰传播速度提升至约10.6 m/s,同时火焰前锋趋于向四周传播,火焰形态对称性更好.此外,本文创新性地提出了一种基于可视化图像来量化的已燃质量分数的经验准则来评价初期火焰发展特性,发现提升进气温度主要影响早期火焰发展规律,高进气温度下早期火焰循环变化系数从18.12%降低至7.86%,并且该持续期平均值从13.03°CA降低到了9.25°CA,从而减小了后期燃烧过程的差异,这是天然气发动机稀薄燃烧稳定性改善的主要原因.

高超飞行器热化学非平衡及稀薄滑移流动模拟

稀薄滑移效应对高超飞行器气动特性产生重要影响。基于HyFLOW软件构建适用于热化学非平衡流动模拟的速度滑移和温度滑移边界条件,同时分别选取猎户座(Orion)飞船返回舱、OREX试验飞行器及类“哥伦比亚号”(OV102)航天飞机等典型高超飞行器,开展稀薄滑移流动模拟及其相关气动特性预测分析。研究表明:HyFLOW软件的稀薄滑移边界模型计算可靠,在预测热化学非平衡及稀薄滑移耦合效应相关的气动力、气动热特性方面具有较高的计算精度,能够满足工程复杂外形的仿真应用需求;稀薄滑移效应可显著降低热流峰值和减小热流峰值分布区域大小,相比于无滑移条件,其在类OV102航天飞机外形中预测的头部热流峰值最大降低了约45%,机翼前缘热流峰值最大降低了约20%。

稀薄流高超声速钝化前缘逆向射流流场特征研究

为准确预测稀薄过渡区逆向射流对稀薄大气的干扰流动特征,本文采用直接蒙特卡洛算法(DSMC),在自由流马赫数为7的情况下,对稀薄流中逆向射流干扰下的高超声速流动进行了数值模拟。计算中考虑了60~90 km高度的典型大气环境,研究了压比和自由流克努森数对压力、剪切力和热流密度的影响规律。结果表明,逆向射流改变了流场结构,且具有明显的热防护性能,但减阻效果不明显。逆向射流对高超声速稀薄来流的影响随压比的增加明显增强,形成的马赫盘大小也随之增加。高度的增加伴随稀薄效应不断增强,自由流克努森数增大,导致弓形激波厚度随高度增加而增加,壁面处的回流区范围不断减小至消失。这项研究初步揭示了稀薄流中逆向射流/高超声速流动相互作用的机制。

预燃室结构参数对汽油机稀薄燃烧的影响

基于研究型热力学单缸机研究了压缩比(CR)对预燃室射流点火汽油机超稀薄燃烧热效率的影响,探索了预燃室结构参数对发动机燃烧及排放的作用规律.试验中选取发动机常见最低燃油消耗率工况(转速为2750 r/min、平均指示压力(IMEP)为1.05 MPa),通过调节进气量及循环喷油量改变过量空气系数(φa),结果表明:压缩比由12.48增大至16.40,相同过量空气系数对应的指示热效率(ITE)呈递增趋势,同时最佳指示热效率点对应的φa有所升高.当压缩比为12.48时,指示热效率峰值点对应的φa为1.8,指示热效率为47.1%;CR提升至16.40时,指示热效率峰值点对应的φa提升至2.8,对应的指示热效率提升至50.1%.此外,对比预燃室结构参数对燃烧过程影响可知,采用射流锥角为120°、喷孔面积为6.8 mm^(2)的直孔结构设计能更有效地提高缸内燃烧速率,有利于抑制爆震,在超稀薄模式下燃烧稳定性较优,并有利于降低未燃碳氢(UHC)、CO和NO_(x)排放.

基于射流点火和气道喷水技术的缸内直喷汽油机稀薄燃烧特性研究

在一台4缸涡轮增压汽油机的基础上,增加预燃室和进气道喷水系统,在最佳油耗工况附近(转速2500 r/min,平均有效压力为0.8~1.2 MPa)开展了试验,研究和分析了汽油机稀薄燃烧特性,以及射流点火和进气道喷水技术对稀薄燃烧性能的影响。结果表明,稀薄燃烧可以将有效热效率从当量燃烧的39.5%提高到42.4%左右,但是当过量空气系数超过1.4以后,燃烧稳定性和碳氢排放变差。采用射流点火技术可以将稳定燃烧的过量空气系数拓展到1.7以上,热效率增加至43.0%以上,燃烧持续期最大缩短37.6%,循环波动不超过1.3%。在此基础上增加进气道喷水,对于平均有效压力在1.1 MPa以上的负荷,抑制爆震效果明显,喷水脉宽达到4 ms时,爆震限制的燃烧重心可以提前到活塞上止点后8°左右,同时最大热效率超过44%,循环波动不超过3%;但是对于平均有效压力低于1.1 MPa的负荷,爆震现象不严重,喷水反而会降低燃烧速率和热效率,同时燃烧稳定性和未燃碳氢排放也随之恶化。

稀薄气体动理论中介观尺度数值模拟的加速方法

针对滑移流、早期过渡流区域采用离散速度法(discrete velocity method,DVM)求解Boltzmann方程收敛速度极慢、计算资源消耗大的难题,提出全流场耦合介观/宏观方程加速方法。在介观层面基于有限差分的DVM求解Boltzmann方程,在宏观层面基于有限体积的压力耦合方程组半隐式方法求解矩方程,充分利用纳维-斯托克斯-傅里叶/R26矩方程在低克努森数下的快速收敛特性,对介观方程进行加速。基于高阶Hermite多项式重构分布函数,完成宏观方程与介观方程之间的数据传输。仿真结果表明:全流场耦合介观/宏观方程的加速方法在滑移流、早期过渡流区域具有显著加速性能,最大降低了95.28%的计算时长;但对中、大克努森数流域,加速性能大幅度下降。

超声速侧向喷流干扰流场的稀薄效应研究

反作用控制系统(RCS)具有响应快速、控制灵活的特点,在临近空间飞行任务中可实现飞行器的精准姿轨控制,然而连续流区建立的侧向喷流干扰在稀薄流域逐渐弱化甚至失效。为了解决这一问题,针对平板和楔形块两种构型,采用直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)开展了超声速侧向喷流/高超声速来流相互干扰流场的稀薄效应研究。结果表明:平板和楔形块喷流干扰流场均出现经典干扰结构,如多涡、多激波等;特别地,楔形块构型中出现类似马赫杆的特殊弓形激波结构,其由大入射角前缘激波与喷流弓形激波相互干扰而形成。随着流动逐渐变得稀薄,喷口前涡结构逐渐减小至消失,激波增厚且干扰减弱,特殊弓形激波结构逐渐消失。基于壁面压力、切应力和热流系数分别定义了3种无量纲干扰强度和干扰区长度,均与克努森数呈近似幂律递减关系。超声速喷流干扰作用对平板与楔形块壁面热流的增长最显著,受到的稀薄效应抑制作用也最强;干扰区长度与气动特性参数无关,与本文的两种几何构型也无关。

骨料级配对稀薄沥青覆盖层抗车辙性能的影响

稀薄沥青覆盖层(TAO)是一种常用的沥青路面修复技术,其抗车辙性能与骨料级配密切相关。为探究骨料级配差异对TAO混合料抗车辙性能的影响,采用AC-16沥青混合料,设计了最大公称粒径相同的3种骨料级配并对成型试件进行室内车辙试验,设计了5种不同的4.75 mm、2.36 mm通过率级配并对成型试件进行汉堡车辙试验。研究结果表明:骨料级配对TAO的抗车辙性能起着重要作用,混合料骨料级配越细,其内部骨架越难以形成,导致沥青混合料抗车辙能力降低。因此,通过在一定范围内增加粗骨料含量的方式来优化沥青混合料级配,可以明显地提升TAO的抗车辙性能。此外,增大级配4.75 mm、2.36 mm的筛孔通过率,会使沥青混合料击实空隙率减小,使汉堡车辙深度更大,导致其抗车辙能力下降;且当空隙率<4%时,汉堡车辙深度受空隙率影响更加显著;因此,在实际的工程应用中可通过减少级配4.75 mm、2.36 mm的骨料含量来大幅提升TAO的抗车辙能力。

压缩性和稀薄性对微通道气体流动换热的影响

本文对于微通道内稀薄气体二维可压缩滑移流动建立了数学模型,采用连续介质流动控制方程与壁面速度滑移和温度跳跃边界条件相组合描述该问题,并利用SIMPLE算法求解,所得结果与文献进行了对比,在相同条件下得到了较高的一致性.文中利用该计算模型的计算结果分析了气体的压缩性和稀薄性对微通道气体流动的影响,结果表明在所计算工况下稀薄性的影响更大。

认识稀薄气体动力学

以通俗易懂的方式介绍了空气动力学当气体间断分子效应显著时发展起来的特殊分支——稀薄气体动力学.讨论了非平衡现象与稀薄气体动力学的关系.通过与8速度气体模型的间断Boltzmann方程的对比,解释了Boltzmann方程碰撞项的物理意义和数学困难,简要综述了其一般解法.讨论了分子在物体表面的反射和问题的边界条件,着重介绍了直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法和为克服低速稀薄流动(如MEMS中流动)中模拟困难的信息保存(IP)方法.

超声速弹丸高空流场数值模拟与稀薄气体效应研究

利用直角坐标网格技术研究高超声速稀薄气体流动的DSMC模拟方法,编制了高空弹丸外流场数值模拟通用计算程序,将本方法的计算结果与有关文献中公布的理论模型数据进行了对比,验证本方法的正确性。模拟了稀薄流下不同海拔高度尖拱型弹头和其他外形弹头的在超声速来流中的流场,并推广至不同外形弹头气动受力情况的计算,研究其稀薄效应。分析比较发现了随着海拔高度的升高,稀薄效应使弹丸的激波层厚度增加,外部流场压缩性减弱,表面的热流密度有所降低。相比于尖拱型弹头,钝头弹丸在驻点处所受的压力较小,尾部较强,符合高超声速飞行器钝头弹体的受力规律。

表面结构对纳米级气膜稀薄流域分布的影响

磁头与磁盘的特征高度目前已经下降到纳米量级,在此微小间隙下,气体表现出明显的稀薄效应特征。建立适用于纳米间隙下的控制方程,并根据方程特点采用特殊处理方法成功对控制方程进行数值求解,采用数值分析和实验方法分析表面结构变化对稀薄流域和磁头飞行姿态的影响。研究结果表明:在纳米级气膜润滑间隙下,采用逆Knudsen数来划分稀薄流域比仅从特征膜厚高度方面考虑更合理;负压型磁头的主要工作区间在滑流区和过渡区,且过渡流域所占比例要明显高于滑流区域。稀薄效应最大的区域不是在气膜厚度最薄的磁头尾部,而是在压力突然下降且气膜较薄的阶梯过渡区域;磁头U型气垫、尾端两侧浅台阶和中间台阶结构变化会影响气流流向,从而影响压力分布,使得稀薄流域也跟随发生变化。

纳米高度工作磁头的稀薄区域与稀薄效应分析

利用考虑稀薄气体效应修正的Reynolds方程对飞高在10nm附近的负压磁头的稀薄区域进行了数值计算.根据计算结果对其所处的稀薄区域和稀薄效应对磁头飞行性能的影响进行了分析和讨论.分析结果表明:磁头工作在滑流区和过渡区,并随着速度增加明显向过渡区移动;稀薄气体效应最大处不是发生在飞高最薄的尾部,而是发生在飞高较薄、压力较低的边缘区;考虑稀薄效应对载荷和最大压力有所降低,而对最小压力的影响较小.

稀薄燃烧汽油机及其电子控制

根据我国目前的技术水平,发动机空气/燃油比的闭环控制加上三效催化转化器净化了废气,大幅度降低了HC、CO和NOx排放,但由于要求λ=1,限制了油耗的降低,也就限制了温室气体CO2排放的降低。当今世界各国政府一方面迫于全球气候转暖,另一方面由于石油资源渐趋枯竭,所以十分重视低油耗汽车的开发。著名的美国《新一代汽车合作伙伴》

稀薄效应对空气静压止推轴承性能影响

针对微小间隙下空气静压轴承内部气体的稀薄效应问题,通过将体现稀薄效应的流量因子引入雷诺方程中,推导出体现可压缩气体稀薄效应的雷诺方程,运用有限差分法离散方程,通过MATLAB软件分析稀薄效应下轴承内部压强分布,并对轴承承载力和刚度变化进行研究,最后通过试验对得出的结论进行间接验证。结果表明,在气膜间隙8~10μm之间,考虑稀薄效应中流量因子的情况下得到的轴承刚度值与试验测量值比较接近,在量值上相差大约为20%左右,这为微尺度下轴承性能的研究提供一定的理论依据。

火星稀薄大气参数对进入器气动特性的影响

针对火星稀薄大气环境的不确定性对进入器气动特性的影响问题,先以海盗号火星进入器的飞行试验数据对发展的三维并行直接模拟蒙特卡罗(DSMC)仿真软件进行了算例校验,再以火星科学实验室外形为例,计算气体组分、密度、温度及速度等来流参数的不确定性对进入器气动特性的影响偏差,定性定量给出火星高空稀薄环境下大气不确定性所带来的气动力特性规律。研究结果表明,通过与海盗号飞行实验数据的对比校验了所建立方法的正确性与可靠性;CO2大气环境对进入器气动特性的影响较大,利用空气稀薄环境中的计算及实验结果亦需进行CO2效应修正,这一点与连续流区的结论一致;来流密度及速度的不确定性对气动力、力矩特性均有影响,而来流温度影响的最大偏差小于0.5%;纵向压心对来流密度、温度及速度的扰动均不敏感。

CNG缸内直喷发动机稀薄燃烧火焰传播过程影响因素的研究

在试验用单缸光学发动机上,采用可视化技术研究缸内CNG直喷稀薄燃烧过程中喷射方式和点火方式对火焰传播过程的影响,同时采用双喷油器、双火花塞,分析研究喷射时刻、喷射位置和点火时刻等参数对稀薄燃烧特性和NOx排放特性的影响。结果表明,在稀薄燃烧过程中,火花塞附近的混合气浓度梯度对火焰传播和燃烧稳定性影响很大;混合气浓度梯度越大,循环变动越小,燃烧更稳定,但NOx排放量也增加。可见,控制稀薄燃烧过程的关键是控制火花塞附近的混合气浓度梯度,而它又直接影响NOx的生成。

稀薄条件下平板间润滑气膜内速度滑移现象分析

空气静压导轨润滑气膜工作在微米级时,内部气流受稀薄效应影响,沿流动方向压力和流速的变化规律与宏观计算所得差异较大。在气膜高度方向上,由于特征尺度减小,气体分子间作用效果加剧,传统忽略垂直方向压力梯度变化的假设不再成立,气膜内部不仅呈现较明显的分层趋势,并且速度滑移现象越发显著。通过LAMMPS(大规模原子分子并行模拟器)、LBM(离散格子玻尔兹曼方法)和Fluent等方法模拟气膜支撑区气体流态并计算其流速和压力,得出了相关结论:润滑气膜内沿气体流动方向分为压力驱动区和牛顿摩擦区,沿高度方向分为近壁层、稀薄层、连续流层,速度滑移主要发生在压力驱动区的近壁层和稀薄层。气膜分层及速度滑移现象存在于压力驱动区和牛顿摩擦区;压力驱动区的气膜分层及速度滑移随气体流速的增加而增强,牛顿摩擦区的气膜分层逐渐弱化,速度滑移现象逐渐退化为近壁面边界层。