【摘要】：液霧自點火廣泛存在于發(fā)動機(jī)和內(nèi)燃機(jī)等多種燃燒裝置中,涉及霧化、蒸發(fā)、混合以及化學(xué)反應(yīng)等多個非線性過程的相互耦合。在實際發(fā)動機(jī)尤其是新型內(nèi)燃機(jī)燃燒室中存在復(fù)雜的壓力和溫度工況,液霧兩相流中的點火和燃燒過程常受到低溫化學(xué)的重要影響,因此在液霧自點火中存在著復(fù)雜的湍流與液滴以及不同類型化學(xué)反應(yīng)的相互作用。開展氣液兩相流自點火過程的基礎(chǔ)研究,可以為提高燃燒設(shè)備的燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性、加強(qiáng)對著火過程控制以及降低污染排放提供理論指導(dǎo)�；谥苯訑�(shù)值模擬方法(Direct numerical simulation,DNS),本文主要工作如下:(1)采用三維DNS和詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理研究了正庚烷液霧在高溫條件下的自點火過程。分析了液滴粒徑和當(dāng)量比對著火過程的影響,對著火過程中混合物分?jǐn)?shù)和標(biāo)量耗散率的統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明最易著火混合物分?jǐn)?shù)不隨液滴粒徑和當(dāng)量比的變化而改變。當(dāng)液滴粒徑較大時,整體蒸發(fā)速率變慢,標(biāo)量耗散率較大,點火延遲時間相對較長。另外隨著液滴粒徑的增大,體平均的放熱速率所能達(dá)到的峰值逐漸下降。當(dāng)量比增大時,整體蒸發(fā)速率較快,著火發(fā)生的更早。對混合物分?jǐn)?shù)和標(biāo)量耗散率的統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn),最易著火混合物分?jǐn)?shù)與標(biāo)量耗散率的聯(lián)合概率密度函數(shù)的發(fā)展與點火延遲時間具有密切的聯(lián)系。(2)首次采用三維DNS和詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理研究了高溫條件下的正十二烷液霧自點火過程,液滴初始分布在計算域的內(nèi)部夾層里。對溫度、放熱速率、標(biāo)量耗散率等參數(shù)在物理空間和混合物分?jǐn)?shù)空間上的發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)分析,并首次研究了液滴初始溫度對蒸發(fā)和著火過程以及燃燒機(jī)制的影響。定量分析了幾種典型的放熱指標(biāo)在液霧兩相流燃燒中的表現(xiàn),發(fā)現(xiàn)在不同混合物分?jǐn)?shù)條件下放熱指標(biāo)與放熱速率存在兩種近似線性關(guān)系,并通過對基元反應(yīng)的分析對這種現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。(3)結(jié)合零維、一維和二維DNS計算,首次研究了液霧兩相流在低溫條件下的自點火過程,詳細(xì)分析了第一階段著火的產(chǎn)生、冷焰的傳播及其對第二階段著火和燃燒機(jī)制的影響。研究發(fā)現(xiàn)第二階段著火位置與冷焰?zhèn)鞑ミ^程息息相關(guān),不同的流場由于其冷焰?zhèn)鞑ミ^程有一定的差別,則第二階段著火核對應(yīng)的混合物分?jǐn)?shù)位置也是不固定的,即最易著火混合物分?jǐn)?shù)在初始低溫條件下不再存在。湍流混合和冷焰?zhèn)鞑蟠蠼档土鲌鲋械娜剂戏謱雍蜏囟确謱?因此相比于第一階段,第二階段的著火核的長度尺度更大,另外,第二階段著火過程中自點火模式所占比例更高。(4)結(jié)合零維和二維DNS研究了不同初始溫度條件下的正十二烷液霧自點火過程,發(fā)現(xiàn)了不同溫度下液霧自點火的兩種類型:·當(dāng)初始溫度較低時,整個流場混合氣體都會受到低溫反應(yīng)的影響。在流場中首先出現(xiàn)第一階段著火,然后冷焰向混合物分?jǐn)?shù)較大的區(qū)域傳播。第二階段著火在冷焰?zhèn)鞑ミ^后的區(qū)域發(fā)生,在火焰?zhèn)鞑ミ^程中存在冷焰與熱焰的相互作用�！ぎ�(dāng)初始溫度較高時,只在靠近液滴富燃程度較高的區(qū)域發(fā)生第一階段著火,而在混合物分?jǐn)?shù)較小的區(qū)域不受低溫化學(xué)的影響,只發(fā)生單階段著火。在火焰?zhèn)鞑ミ^程中存在著強(qiáng)烈的熱焰與冷焰及液滴的相互作用。采用Budget分析方法研究了液霧自點火過程中的火焰結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)在液霧自點火中存在著多種燃燒模式,如冷焰和熱焰、預(yù)混火焰和擴(kuò)散火焰、貧燃火焰和富燃火焰、單液滴火焰和液滴群火焰、爆燃和自點火等。因此,在發(fā)展液霧自點火的燃燒模型時需考慮到這些燃燒機(jī)制的存在。另外,對于第二種著火類型,流場中燃料和空氣的混合程度較低并且火焰?zhèn)鞑ミ^程中冷焰會造成熱焰的熄滅,不利于實際燃機(jī)中的火焰?zhèn)鞑ヅc完全燃燒。
【圖文】：

對于單液滴著火，研究者在微重力條件下做了大量的實驗和數(shù)值模擬工作。逡逑Ｔａｎａｂｅ等（Ｔａｎａｂｅ邋ｅｔａｌ．，１９９６）首次實驗研宄了單液滴的兩階段著火過程，在溫度逡逑－壓力圖上標(biāo)示了不同條件下的著火機(jī)制，如圖１．３所示，，并發(fā)現(xiàn)第一階段點火逡逑延遲時間隨粒徑的增大而變大，但第二階段點火延遲時間基本不受粒徑變化的影逡逑響。Ｂｏｕａｌｉ等人（Ｂｏｕａｌｉ邋ｅｔａｌ．，２０１２）將單液滴著火簡化為零維問題，指出在單液逡逑滴著火過程中，液滴的作用主要體現(xiàn)在蒸發(fā)所引起的溫度分層和燃料分層，且壓逡逑力的影響比較大。計算結(jié)果表明壓強(qiáng)的變化會導(dǎo)致ＮＴＣ溫度范圍的改變，并有逡逑從邋ＮＴＣ邋向邋ＺＴＣ邋（Ｚｅｒｏ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）特征轉(zhuǎn)化的趨勢。逡逑文獻(xiàn)（Ｓｃｈｎａｕｂｅｌｔ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０００；邋Ｙａｎｇ邋ａｎｄ邋Ｗｏｎｇ，邋２００３；邋Ｃｕｏｃｉ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１５；逡逑Ｂｏｒｇｈｅｓｉ邋ａｎｄ邋Ｍａｓｔｏｒａｋｏｓ，邋２０１５）對微重力條件下單液滴在不同溫度范圍內(nèi)的自點逡逑火過程進(jìn)行了簡化一維計算，詳細(xì)分析了在物理空間和混合物分?jǐn)?shù)空間的兩階段逡逑著火和火焰?zhèn)鞑ミ^程

邐ｉｏ．ｃ逡逑ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋｛ＭＰａ］逡逑圖１．邋３微重力條件下正庚烷液滴在不同溫度壓力范圍內(nèi)的著火機(jī)制（Ｔａｎａｂｅ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋１９９６）逡逑對于單液滴著火，研究者在微重力條件下做了大量的實驗和數(shù)值模擬工作。逡逑Ｔａｎａｂｅ等（Ｔａｎａｂｅ邋ｅｔａｌ．，１９９６）首次實驗研宄了單液滴的兩階段著火過程，在溫度逡逑－壓力圖上標(biāo)示了不同條件下的著火機(jī)制，如圖１．３所示，并發(fā)現(xiàn)第一階段點火逡逑延遲時間隨粒徑的增大而變大，但第二階段點火延遲時間基本不受粒徑變化的影逡逑響。Ｂｏｕａｌｉ等人（Ｂｏｕａｌｉ邋ｅｔａｌ．，２０１２）將單液滴著火簡化為零維問題，指出在單液逡逑滴著火過程中，液滴的作用主要體現(xiàn)在蒸發(fā)所引起的溫度分層和燃料分層，且壓逡逑力的影響比較大。計算結(jié)果表明壓強(qiáng)的變化會導(dǎo)致ＮＴＣ溫度范圍的改變，并有逡逑從邋ＮＴＣ邋向邋ＺＴＣ邋（Ｚｅｒｏ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）特征轉(zhuǎn)化的趨勢。逡逑文獻(xiàn)（Ｓｃｈｎａｕｂｅｌｔ邋ｅｔ邋ａｌ．
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK16

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本文編號：2658263