采用高速粒子圖像測(cè)速技術(shù)（particle image velocimetry,PIV）測(cè)量了一臺(tái)直噴式光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)流場(chǎng),利用動(dòng)態(tài)模態(tài)分解（dynamic mode decomposition,DMD）算法,提取了發(fā)動(dòng)機(jī)從進(jìn)氣沖程早期到壓縮沖程后期中出現(xiàn)的多尺度渦團(tuán)結(jié)構(gòu),量化了渦團(tuán)的比動(dòng)能在整個(gè)沖程階段的衰減程度。結(jié)果表明:從進(jìn)氣沖程早期開(kāi)始,缸內(nèi)流場(chǎng)主要由低階DMD模態(tài)表現(xiàn)的大尺度流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和高階DMD模態(tài)表現(xiàn)的小尺度渦團(tuán)結(jié)構(gòu)組成;DMD模態(tài)的比動(dòng)能變化可清楚地反映從大尺度流場(chǎng)結(jié)構(gòu)到小尺度渦團(tuán)的能量級(jí)聯(lián)和耗散過(guò)程。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),與壓縮沖程相比,進(jìn)氣沖程期間的流場(chǎng)可形成更多小尺度的渦團(tuán)結(jié)構(gòu),并表現(xiàn)出更快的能量衰減特征,且該階段流場(chǎng)能量衰減現(xiàn)象對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速更加敏感。 

【文章來(lái)源】：內(nèi)燃機(jī)工程. 2020,41(05)北大核心CSCD

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【圖文】：

光學(xué)診斷原理圖

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)是由一款2.2L的產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)改造而成的單缸光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，配置了雙頂置凸輪四氣門(mén)缸蓋。發(fā)動(dòng)機(jī)本體及光學(xué)視窗如圖1所示。此外，活塞底部安裝了45°反射鏡，能夠觀測(cè)到渦流平面的流場(chǎng)。發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和測(cè)試條件見(jiàn)表1。試驗(yàn)所用光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)包含2個(gè)進(jìn)氣道，其中一個(gè)進(jìn)氣道中安裝了渦流控制閥，目的是在低轉(zhuǎn)速工況下利用渦流控制閥改善缸內(nèi)渦流強(qiáng)度，研究其促進(jìn)油氣混合，提高燃燒效率，同時(shí)降低循環(huán)波動(dòng)的效果[18-19]。因此，本研究中在低轉(zhuǎn)速工況下，針對(duì)進(jìn)氣和壓縮沖程，對(duì)缸內(nèi)渦流場(chǎng)演變過(guò)程、不同渦團(tuán)結(jié)構(gòu)和能量的變化及兩個(gè)沖程間的差異性進(jìn)行研究。試驗(yàn)測(cè)試條件為高渦流下的4個(gè)低轉(zhuǎn)速工況。渦流比在不同轉(zhuǎn)速下存在一定的波動(dòng)，但在所測(cè)試的低轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)渦流比基本保持不變。本研究意義在于用定量的方法揭示渦團(tuán)結(jié)構(gòu)和能量發(fā)展變化，填補(bǔ)了現(xiàn)階段對(duì)低轉(zhuǎn)速工況下缸內(nèi)渦流場(chǎng)演變過(guò)程的研究空白。整個(gè)PIV光學(xué)診斷原理圖如圖2所示。本試驗(yàn)采用的高速PIV系統(tǒng)由一臺(tái)高速攝像機(jī)（Vision Research Phantom V7.3）和一臺(tái)Photonics Industries雙腔高速Nd:YAG脈沖激光器組成。鏡頭為尼康105mm f/2.8，相機(jī)芯片尺寸為800像素×600像素（17.6mm×13.2mm），最大頻率為6 688MHz。波長(zhǎng)為527nm、最大脈沖頻率為10kHz的激光束經(jīng)過(guò)透鏡后，激光光斑形成厚度約為1mm的激光片。根據(jù)缸內(nèi)流場(chǎng)速度特性，雙脈沖激光的時(shí)間間隔設(shè)置為20μs。采集流場(chǎng)的曲軸轉(zhuǎn)角分辨率為2°，因此在4種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速工況下，激光頻率分別為1.5kHz、2.4kHz、3.0kHz和3.9kHz。本次試驗(yàn)觀測(cè)缸內(nèi)渦流場(chǎng)平面位于噴油器噴嘴下方30mm處，因此在進(jìn)氣沖程中有效的流場(chǎng)數(shù)據(jù)介于上止點(diǎn)后（after top dead center,ATDC)-300°（即上止點(diǎn)前300°，記為-300°或-300°ATDC）到-180°ATDC之間，在壓縮沖程介于-180°ATDC到-60°ATDC之間。試驗(yàn)所用示蹤粒子由TSI公司提供的硅油霧化器（型號(hào)9306A）產(chǎn)生，這些粒子在進(jìn)入氣缸前已與新鮮空氣充分混合。經(jīng)過(guò)測(cè)量，示蹤粒子的斯托克斯數(shù)為4.28×10-2[18]，遠(yuǎn)小于1，即具有較好的連續(xù)流場(chǎng)跟隨性，滿足PIV測(cè)量的需要。粒子圖像處理過(guò)程中使用LaVision公司提供的軟件DaVis 8.4進(jìn)行圖像互相關(guān)計(jì)算，查詢窗口從96像素×96像素減少到32像素×32像素，重疊率為50%，確保了每個(gè)窗口包含10～15個(gè)粒子，進(jìn)而可得到較好的相關(guān)特性。測(cè)量結(jié)果顯示流場(chǎng)空間分辨率為1.7mm。

式中，t為采樣時(shí)間；Δt為采樣時(shí)間間隔；hm為模態(tài)幅值；αm為增長(zhǎng)或衰減系數(shù)；fm為模態(tài)頻率；i為虛單位；e為歐拉數(shù)。hmeαmt描述了模態(tài)的能量在時(shí)間域上的增長(zhǎng)或衰減變化，而cos(2πfmt)+isin(2πfmt）則描述了模態(tài)以某一固定頻率進(jìn)行的周期性行為。據(jù)此，模態(tài)的比動(dòng)能Em為：3 結(jié)果與討論

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]高滾流Atkinson循環(huán)燃燒系統(tǒng)研究[J]. 徐學(xué)亮,何爽,郭驥飛,魏強(qiáng),高瑩,徐英健.  內(nèi)燃機(jī)工程. 2019(06)
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本文編號(hào)：3238423