液滴群在两段自着火条件下的内群燃烧及向外群燃烧的转变数值模拟分析

利用数值模拟研究了正庚烷和正十二烷液滴群在两段自着火条件下的内群燃烧及向外群燃烧转变的机理.首先分别分析了冷火焰和热火焰内群燃烧的火焰结构.进一步比较发现,虽然正庚烷与正十二烷的挥发性不同,但液滴群参数相同时其燃烧阶段一致,通过对时间尺度和蒸发进程的分析发现,该现象的原因为液滴群内燃烧是蒸发控制的物理过程,挥发性不同仅影响不同过程发生的时间.最后,对液滴群内燃烧向外燃烧过渡的算例展开分析,发现液滴群内燃烧火焰穿透整个液滴群后,液滴群内部氧气减少,形成了富燃的区域,而液滴群外部形成了传统的扩散火焰.

高掺比ABE/柴油混合燃料的喷雾与燃烧特性

针对丙酮-丁醇-乙醇(ABE)/柴油混合燃料的喷雾蒸发和燃烧过程展开了试验研究.试验在预燃加热式定容燃烧弹中进行,燃料为体积分数80%的ABE和20%,的柴油混合物,且ABE溶液中丙酮、丁醇、乙醇的体积分数分别为30%,、60%,和10%,.试验过程中燃烧弹内喷雾环境温度分别控制在1,100,K和900,K以代表普通燃烧模式和低温燃烧模式,环境氧体积分数分别控制在21%,、16%,和11%,以对应发动机不同的EGR工况.由高速摄相机配合激光束的使用,拍摄喷雾及其燃烧过程中瞬时喷雾米氏散射和自然火焰发光图像,同时由压力传感器测取喷雾燃烧压力.结果表明:燃料中ABE体积分数较高时,喷雾贯穿距离较小,同时火焰强度显著下降,表明碳烟生成量有减少的巨大潜力;结合低温燃烧,高掺比ABE/柴油混合燃料几乎可实现无碳烟燃烧.因此,高掺比ABE/柴油混合燃料被认为是可直接应用于柴油机并降低碳烟排放的一种潜在替代燃料.

CFD耦合化学动力学模拟EGR对柴油机燃烧的影响

研究了柴油机低速部分负荷工况引入不同EGR对缸内燃烧排放特性的影响.将CHEMKIN-Ⅱ化学反应求解器集成到KIVA 3V Release 2程序中,用正庚烷化学反应机理替代柴油燃烧,建立柴油机缸内燃烧数值模拟模型;结合试验数据,模拟分析喷油时刻保持不变,EGR率(废气再循环)从0%增加到60%的燃烧过程、NOx和碳烟排放.结果表明:引入大比例EGR后点火延迟明显增长,燃烧相位推迟,燃烧温度降低;较低燃烧温度避开了NOx的高浓度生成区,EGR率60%时NOx排放比无EGR时降低93.5%;但高EGR率未使燃烧路径避开碳烟生成区,加之较低的氧浓度不利于碳烟的氧化,碳烟排放增高.

燃烧反应机理全局性简化及骨架机理优化

燃烧基元反应速率系数存在着一定的不确定性,会影响各基元反应对燃烧特性参数的贡献,传统图解简化法统计基元反应中各组分贡献大小也会受此影响,使组分之间的耦合强度存在着一定的不确定性.为此拟开展基于燃烧反应动力学速率系数不确定性下的机理简化和优化.首先在速率系数不确定性参数空间内均匀采集1000个可能性详细机理样本,然后应用直接关系图解法(DRG)对机理样本进行简化,并对排除的组分进行统计和排序,最终根据概率大小削减模型;其次应用全局敏感性方法判断其重要反应机理,对其中较为灵敏的反应进一步优化,最终得到可以预测相对准确的简化机理.

燃烧诊断中的光学信号采集方法

能源是人类生存的基本要素之一,其主要获取途径包括化石能源和氢能等燃烧。然而,当前燃烧技术普遍存在有害气体和温室气体大量生成、燃烧效率低以及燃烧不稳定等问题。燃烧诊断作为一种有效的分析手段,通过测量燃烧场温度、压力、物质分布等理化特性对燃烧场的状态进行深入分析,已广泛应用于航空航天和能源等重大基础研究领域。为了避免传统接触式测量方法对燃烧场流动、温度和热状态产生干扰,非接触式光学测量技术近几十年来备受学者们的青睐并取得显著发展。解耦时空谱信息是研究燃烧技术的关键,然而,目前非接触式光学测量技术仍受时域、空域、谱域信息采样的制约。因此,本文基于信号采集和处理方式,对现有非接触式光学测量代表性技术进行系统性分类,并从原理角度对现有技术无法实现时空谱同时采样的原因进行剖析。在此基础上,对非接触式光学测量技术的发展进行展望。笔者认为先进的光谱测量技术有望解决时空谱同时采样的难题,为燃烧诊断技术进一步发展提供有力支持,并为未来的研究方向提供新的思路。

PIV空间分辨率对湍流多点统计量测量的影响

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV),尤其是平面PIV,因其技术成熟且能提供瞬时流场,被广泛应用于湍流统计特性实验研究。PIV测量的空间分辨率(实验测量中所能解析的最小流场尺度,由图像处理时问询域窗口大小决定)不能准确分辨湍流中的小尺度运动,导致PIV测量获得的湍流多点统计量的定量信息(如速度结构函数、湍流耗散率等)包含一定误差。为定量分析这一误差,本文采用空间滤波模型模拟PIV测量对单点速度矢量的作用,进而推导出PIV测得的速度结构函数及湍流耗散率随滤波尺度的变化规律。为检验该模型,通过模拟示踪粒子在基于均匀各向同性湍流直接数值模拟(DNS)得到的湍流速度场中的运动及PIV系统对其的成像,获得了计算合成的PIV粒子图像,采用标准PIV算法对该图像进行处理,获得了速度场并计算得到了相关的湍流统计量,将其与基于真实DNS数据计算得到的统计量对比,获得了定量的误差信息,并与模型的预测结果进行了对比。研究结果表明:本文建立的模型反映了PIV测量中空间分辨率对湍流统计量的影响。在冯·卡门旋流系统产生的近似均匀各向同性流场中进行了平面PIV测量,针对测量得到的速度结构函数与K41理论结果的误差,采用基于本文模型得到的结论进行了分析与校正。本文工作为PIV测量得到的湍流统计量(尤其是小尺度多点统计量)给出了一个基于理论指导的修正方案。

大涡模拟在内燃机中应用的研究进展

大涡模拟能够以比较合理的计算成本,提供更多详细的湍流信息,故近年来已经广泛地应用于科学和工程领域,并也成为内燃机缸内湍流流动与燃烧过程模拟计算的最有潜力的数值方法.综合现有研究成果,对内燃机中大涡模拟的研究进展和模拟方法进行了比较全面的评述.介绍了大涡模拟的基本概念、方法、亚网格模型,着重讨论了内燃机缸内冷态流场、燃油喷雾过程以及两相液雾湍流燃烧大涡模拟的国内外研究进展.最后论述了大涡模拟在内燃机应用中当前需要解决的问题及其发展趋势.

代数亚格子湍动能模型及非黏性亚格子应力模型在喷雾大涡模拟中的应用

在KIVA3V中将考虑简化的代数亚格子湍动能模型的3种亚格子尺度模型和K方程湍动能模型的非黏性亚格子应力模型纳入程序中,对定容弹中柴油的喷射和雾化过程进行了数值研究.以燃油液相和蒸气相分布的试验数据为依据,揭示了代数亚格子尺度湍动能模型对燃油喷雾计算结果的影响,并且与K方程亚格子湍动能模型进行了对比,同时分析了加入的非黏性亚格子应力张量模型的适用性.结果显示3种亚格子应力模型及代数亚格子湍动能模型的组合可以有效地模拟流场中湍动能变化对液滴弥散速度的影响,从而使液相贯穿距及液相和气相浓度分布与试验结果更为接近.同时,该代数模型所计算的亚格子尺度湍动能与K方程模型计算结果相当吻合.非黏性亚格子模型可以计算相对准确的喷雾结果.

环境涡流对液体喷雾过程影响的大涡模拟研究

通过数值研究,以柴油机燃烧室的高温高压环境为基础分析了不同环境涡流对液体喷射过程的影响。在KIVAERC程序中加入大涡模拟(LES)程序,通过三维计算得到三个不同涡流比下液雾及蒸气的发展过程,同时对比了RANS计算结果。研究结果表明:随着流场涡流的增加,喷雾场结构变得更复杂,涡量结构得到增强。采用LES方法可以有效地反映涡流对喷雾结构的影响。

新媒体生产初探—众包软件的迷思——以手机APP“微差事”为例

互联网不仅对中国的新闻传播、媒介生态发生了重大而深远的影响,其对传统社会化大生产也逐渐产生了解构效应。出现了以互联网为基础,以移动终端为生产工具的众包生产模式,打破了以往劳资双方需要建立固定劳动关系,签订劳动合同,履行社会保障合约的用工方式。本文从传播政治经济学的视野出发,考察众包生产模式究竟是否如其所言,开发网民智慧,改良生产关系,提高企业活力。还是打着"集思广益"的旗号,利用免费劳动力,规避用工成本,无偿占用闲暇时间为其从事生产活动的新型灵活资本主义(flexible capitalism),使广大用户沦为"网络劳工"。研究发现,相比传统媒介"注意力经济"依靠观众眼球谋利的模式,新媒体众包模式不仅更主动的利用受众闲暇时间为其创造财富,更以极为低廉的成本套取用户个人信息,以便实现更为精确的商业营销目的,对受众形成多重剥削。

发动机早喷过程中燃油喷射混合的大涡模拟

对大涡模型在预测发动机早喷中燃料和空气混合过程的适用性进行研究。将大涡模拟(LES)湍流模型加入KIVA3V程序中,对定容弹中燃油短喷以及在1台Ford高速直喷柴油发动机中的早喷过程进行数值模拟。研究结果表明:LES模型预测的喷雾浓度分布和贯穿距与实验结果较相符,明显比RANS模型的优;在燃烧室中LES模型得到的湍动能和黏性都要比RANS模型的小,而且随着喷射时间的增加,亚网格湍动能和黏性都增加并集中在喷射区域;同时,喷油时刻提前有利于燃油与空气的均质混合,LES模型得到的混合气分布更加均匀,三维紊乱的结构更加明显;与RANS模型相比,ES模型更能真实反映柴油机早喷过程中的喷雾流场。

第十八届美国理论与应用力学大会总结

1会议概况2018年6月5—9日，第18届美国理论与应用力学大会(18th U.S.National Congress of Theoretical and Applied Mechanics,USNCTAM2018)在美国芝加哥召开.本次大会由美国力学国家委员会和中国力学学会联合主办，旨在探讨和交流近四年世界范围内在理论和应用力学领域的基础研究、创新技术的最新进展，吸引了来自世界各地的近千名专家学者参会，其中近300人来自中国.本次会议分为固体力学、流体力学、计算力学、生物力学和动力学与控制五大专题，并增设了博士与博士后职业发展研讨会和女性研究人员社交活动.大会由美国塔夫斯大学曲建民教授、美国西北大学Wing Kam Liu教授、浙江大学杨卫院士(中国力学学会理事长)和北京理工大学方岱宁院士(中国力学学会副理事长)担任共同主席.本次大会展现了中国科学研究在力学领域的雄厚力量，多数学者报告了近两年在国际前沿方向的研究成果.

对冲扩散火焰中单颗粒煤着火瞬态模型

建立了适用于分析对冲扩散火焰中单个煤粉颗粒穿焰过程的瞬态模型,考虑了流场、温度场及组分浓度分布对单颗粒煤的运动、升温及着火特性的影响.结果表明,计算条件下煤粉颗粒最大升温速率均超过1×105,K/s.煤颗粒在穿焰过程中的着火温度随粒径增长单调递减,同时着火延迟时间先增长后趋缓.在火焰面后发生均相着火的煤颗粒其着火延迟时间随粒径变化很小,可能是因为进入高浓度氧化性气氛使得析出的挥发分迅速着火.

微尺度细管内热损失对火焰动力学的影响

针对微尺度细管内火焰传播问题,通过数值模拟研究了点火能量和壁面热损失对火焰传播模式的影响.数值模拟中观察到熄火现象和低速稳定传播的火焰,但并未观察到爆燃向爆轰转变.在以二维管道高度和初始已燃区长度构成的坐标图中,低速稳定火焰传播模式呈现半岛形,具有上、下两个熄火极限,其中熄火下极限位于由初始点火区域面容比决定的双曲线上方.对于低速稳定火焰传播模式,火焰尖端的传播速度与层流火焰速度较为接近.火焰面前方的气体几乎静止,火焰面后方有一个回流区,已燃气体向闭口端运动.

强湍流下点火及火焰传播机理研究进展

可燃预混气点火过程研究是发动机燃烧领域最重要的课题之一。当前电火花强制点火广泛应用于各类发动机燃烧室中,其点火过程具有很强的瞬变性,从电火花产生到火焰完全形成的整个过程中,多种复杂因素联合影响点火火核的产生和发展。目前发动机高压、强湍流工况下的点火和火焰传播机理认识还不完善,亟需研究的科学问题是湍流和化学反应相互作用对点火和火焰传播的影响机制及其建模,包括湍流对点火的促进/抑制机制,湍流对火焰传播和火焰整体发展的影响规律,燃烧释热和火焰面不稳定性对湍流脉动速度(即火焰产生的湍流)的影响机制和对火焰传播速度的增强机制及由此导致的层流燃烧自加速转捩为湍流燃烧的理论,燃烧过程对标量通量输运(即反向或压力驱动输运)的影响机制。本文对强湍流下点火及火焰传播理论、实验和数值模拟方面的研究进展进行综述。

基于快速压缩机的预燃室式射流点火试验

为分析预燃室式射流点火的燃烧过程,通过全燃烧场可视的快速压缩机(RCM),采用同步压力传感和高速摄影方法,对单孔内置式预燃室进行了变工况试验,并在相同条件下与传统火花点火对比,结果表明:预燃室式射流点火能够大幅促进点火,并加速燃烧.与传统火花点火相比,预燃室式射流点火的滞燃期缩短比例可达40%,以上,且随负荷增加而提高;明显燃烧期比典型火焰传播燃烧可缩短60%,至70%,.火花点火引起的火焰传播速度与负荷无明显关系,而射流火焰发展速度随负荷增加而提高,各负荷下均为火焰传播速度的15倍以上,最高速度超过50,m/s,垂直于射流喷射方向的火焰发展也快于火焰传播.射流火焰在主燃室内由近喷口处的细长火舌和远端由火舌发展而成的类柱状火焰组成.预燃室对其内部的初始火焰发展具有明显促进作用,其内部的平均火焰发展速度高于传统火花点火火焰传播速度的2倍.

预燃室射流点火装置的设计与性能研究

为改善天然气发动机燃烧特性,设计了用于射流点火的内置式半球型四孔预燃室,利用全燃烧场可视的快速压缩机(RCM),采用同步压力传感器和高速摄影机进行了点火燃烧试验研究,并与传统火花点火对比分析。结果表明,采用本文设计的预燃室射流点火装置能达到强化点火、加速燃烧的明显效果。相比于传统火花点火,预燃室式射流点火的滞燃期和燃烧持续期缩短,最高燃烧压力和最大累计放热量提高,且随着负荷的增大,性能改善幅度增加。在大负荷工况下,滞燃期和燃烧持续期均约缩短了55%,最高燃烧压力和最大累计放热量分别提高7%和10%。此外,预燃室式射流点火方式的点火和燃烧稳定性优于传统火花点火,滞燃期和最高燃烧压力波动极小。高速摄影的结果表明,预燃室式射流点火在主燃室内快速产生沿喷孔方向高速发展的射流火焰,引发迅速燃烧,而传统火花点火呈现火焰缓慢传播燃烧形态。

高背压下GDI发动机多孔喷嘴油束间的相互作用

在一定容弹中,利用高速摄影和相位多普勒粒子分析仪(PDPA)研究了某5孔直喷汽油机喷嘴在不同喷射压力与背压下的喷雾形态和液滴特性.结果表明:在高背压条件下,喷雾形态在近喷嘴区域受到挤压,而在喷雾远端发生卷吸.油束间的相互作用使得油束包裹区域内产生了低压区,导致喷雾受到挤压.随着喷射压力与背压的升高,喷雾挤压更为明显.将挤压与卷吸之间的过渡位置定义为转折位置,随着背压的增加与喷射压力的降低,转折位置向喷嘴方向靠近.利用PDPA测量喷雾粒径以及速度分布,结果进一步验证了喷雾的偏转现象.由于喷雾挤压,喷雾内侧液滴聚合概率增加使得内侧出现较大粒径的液滴.

多环芳烃Lennard-Jones系数理论研究

针对多环芳烃分子与氦气间的Lennard-Jones(L-J)系数及二元扩散系数进行了理论计算,重点分析了两种对分子间势能场进行各向同性近似的方法的适用性和准确性.研究发现对于两个维度尺寸接近的多环芳烃平面分子,先对势能场进行球形平均再计算L-J系数的传统方法,相比于新近文献中提到的一维优化方法,计算结果与实验值、经验估计值更为接近;而对于分子量基本相同但形状相差较大的不同分子,不同计算方法得到的结果差别较大.理论计算结果在低温下与现有的经验预测模型结果保持了较好的一致性;而理论计算方法相比于经验预测方法,更能体现出分子结构差异对L-J系数及二元扩散系数的影响.

反应堆压力容器专利技术分析

本文基于对中国专利文献库和世界其他国家专利文献库的检索,对反应堆压力容器的相关专利技术作出了初步分析。分析结果能为反应堆压力容器的设计提供有效的建议和参考,进而能为核电站的安全设计提供适当的依据。