封闭空间中不同压力下火焰过孔板加速机理研究

爆震或超级爆震发生时总会伴随着湍流火焰-冲击波相互作用，对其开展研究是揭示爆震或超级爆震机理的关键，研究火焰加速产生压力波的过程是火焰-压力波相互作用研究的基础性前提。基于自主设计的定容燃烧弹和Converge三维数值模拟方法，对封闭空间中火焰过孔板加速机理及影响因素开展了研究，讨论了初始压力对火焰过孔板加速的影响。依据火焰传播形态与速度，将火焰过孔板加速过程分为3个阶段:层流火焰阶段、射流火焰阶段和湍流火焰阶段。通过分析火焰过孔板过程中的流场情况，发现在火焰未到达孔板前，孔板附近存在强射流，火焰受强射流的驱动而急剧加速；但当火焰穿过孔板之后，火焰锋面前的流场速度沿着远离火焰的方向而逐渐下降，说明开始由火焰驱动未燃气体运动。比较不同压力下的火焰过孔板过程，发现湍流火焰传播速度和缸压振荡均随着初始压力的提高而升高。     

脉冲爆震发动机孔板型气动阀工作特性实验研究

采用流动显示和压力测量两种手段对应用于脉冲爆震发动机的三种不同阻塞比孔板型气动阀进行了试验研究.研究结果表明,在不存在燃烧的流场里,孔板型气动阀具有较强的阻隔压力波动的能力;然而对于采用自适应供油的脉冲爆震发动机,发动机点火后,由于压差,燃油液雾必然向上游流动,孔板型气动阀将处于可燃混合物中,较强的燃烧火焰穿越孔板时,孔板将担当起射流点火的作用,从而加速火焰的传播,最终破坏孔板阻隔压力回传的作用;增大孔板阻塞比可以减少燃油液雾的反流量,这有助于爆震室对进气系统的影响.     

气动阀对脉冲爆震发动机爆震性能的影响研究

开展常温常压进气条件下气动阀式两相脉冲爆震发动机的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本文描述了针对气动阀式两相爆震发动机的进气装置-气动阀所作的理论和试验研究工作。通过不同气动阀参数下的冷态流场和燃烧特性试验研究，设计出了包含钝体和盖子的组合式气动阀，并获得了不同钝体堵塞比和不同盖子尺寸时燃烧波压力和火焰传播速度的变化关系。通过对气动阀的结构设计研究和试验分析得出结论，随着盖子内径变大，对产生爆震是不利的。     

国家自然科学基金重大研究计划“面向发动机的湍流燃烧基础研究”简介

<正>发动机是战机、舰艇、坦克、导弹、航天器等装备的"心脏",发动机自主研制是国家意志和战略需求。燃烧是发动机的动力来源,发动机面临的污染物排放、喷嘴积碳、叶片烧蚀、慢车熄火、高空再点火、爆震、振荡燃烧等一系列问题均可归因于湍流燃烧问题,其核心是湍流与化学反应的相互作用。     

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。     

可控流场尺度预混湍流燃烧器及其火焰结构分析

为了研究单一湍流场参数对预混湍流火焰结构的影响，以及拓宽湍流场的强度和尺度范围，发展了一套可变结构的预混湍流燃烧器。采用恒温型热线风速仪标定流场，得到了一系列湍流参数。流场标定结果表明:该燃烧器能显著拓宽湍流强度和尺度范围，并能利用不同几何结构产生多种可控流场，实现研究单一湍流参数对湍流燃烧速度和火焰结构影响的目的。选用有代表性的15种湍流孔板组合结构，利用OH-PLIF燃烧激光诊断技术，开展了湍流燃烧实验，结果表明:湍流强度的增大（1 < u'/S_L，0 < 10）使得湍流火焰分区扩展到了薄层反应区，火焰面破碎程度明显增强，孤岛结构明显增多。高宏观雷诺数下，积分尺度的增长对湍流燃烧速度起抑制作用，可能存在临界宏观雷诺数Re_c，能够表现流体惯性力占主导地位的程度，决定积分尺度对湍流燃烧速度的影响效果。积分尺度能量大，扰动能力强，故积分尺度越大，火焰体积越大；但过高的湍流强度会使火焰面褶皱更加剧烈，小尺度叠加在大尺度上的程度增强，最终也使火焰体积显著增大，掩盖了积分尺度对火焰体积的影响，说明积分尺度（表征大尺度）不如湍流强度（表征叠加小尺度的程度）对火焰放热率影响大。     

缸内湍流运动对复合燃烧燃料活性分布的作用机制

缸内受限条件下燃料与湍流的相互作用是燃料分层控制复合燃烧的关键问题。针对该问题，通过向缸内直喷高活性燃料二甲醚（Dimethyl ether，DME），形成高活性燃料浓度分层。基于光学可视化发动机实验平台，利用粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）、Rayleigh散射、Mie散射以及高速摄影结合放热分析等手段对复合燃烧这一缸内受限空间下的流动及燃烧过程进行了观测，并通过三维计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真手段对观测到的现象进行解释。结果表明:缸内存在大范围逆时针涡流场，DME的蒸发和扩散过程受到流场的作用；在流场的作用下，缸内燃烧过程呈现DME集聚区域自燃-火焰传播-多点自燃放热特征。     

预混湍流火焰面褶皱结构网络拓扑研究

湍流火焰结构是表征湍流与火焰相互作用的组分、速度、温度等标量场信息，理解湍流与火焰相互作用规律，验证和发展湍流燃烧模型的实验基础。针对传统曲率PDF分布反映湍流火焰面褶皱结构失准问题，利用网络拓扑结构方法可以标记系统关键节点和特征结构，构建湍流火焰面的拓扑结构。本文标记了湍流火焰面上的关键褶皱结构，分析了湍流与火焰的作用规律，结果表明:低湍流强度下，湍流火焰面的关键褶皱结构由火焰自身不稳定性引起；当湍流强度增大，湍流火焰面的关键褶皱结构由湍流尺度决定。在本生灯湍流火焰中，火焰自身不稳定性引起的火焰褶皱与火焰发展距离有关。在本生灯火焰底部，火焰自身不稳定性不引起火焰面褶皱，随着火焰向下游发展，其对火焰面影响逐渐增大，火焰褶皱程度增加。     

由火焰聚心和激波聚焦诱导的爆震波研究

通过对几种不同结构形式的爆震发生器进行数值模拟,研究了激波聚焦和火焰聚心现象、气动特性及其机理.数值计算采用多组分理想气体详细的化学反应机理、二维轴对称非定常流动Navier-Stokes方程来模拟流体动力学和化学动力学过程.数值计算表明用较低的点火能量对射流火焰燃烧器中可燃混合物点火,层流火焰在狭窄管壁作用下加速,射流火焰在轴线上汇聚过程有利于激波的加强,强激波加速火焰,在多重激波与火焰反复作用下,激波和火焰面之间出现热点,热点迅速放大并形成压力很高的过驱爆震波,而后衰减为稳定的爆震波,不同的激波聚焦腔爆震波的形成过程不同.通过对数值计算的结果进行分析,得到了起爆距离和稳定爆震距离,为进一步试验提供参考.     

甲烷-空气预混火焰越过不同形状障碍物的实验研究

对甲烷-空气预混火焰越过安装于燃烧室内底壁的多种形状障碍物进行了系列实验。以高速阴影摄影获取火焰阵面变化的序列相片,准确地记录了流场和火焰的变化过程。结果表明,障碍物的上表面对诱导湍流具有十分重要的影响,而障碍物下游的回旋区会导致火焰的翻卷和弯曲。变形火焰在未燃气体中产生的压缩波在壁面进行反射并在燃烧区反复穿越,也大大破坏了火焰的稳定性。不同形状的障碍物对火焰稳定性的影响呈现的特点不同,但最终均能导致湍流燃烧和加速。     

乙烯燃料超燃冲压发动机燃烧过程研究

在来流马赫数2.0的直连式燃烧设备上,研究了氢气引燃条件下带凹腔的超燃冲压发动机燃烧室内,从氢点火到氢与乙烯混合燃烧,再到乙烯单独燃烧的全过程的燃烧流动特性,通过纹影、火焰自发光、CH自发光以及OH-PLIF等手段瞬时同步研究了流场结构和火焰发展。先锋氢与乙烯的当量比分别约为0.33和0.10。整个燃烧过程分6个阶段,第一阶段为先锋氢注入之前的无反应流动,试验测定振荡频率约为400 Hz。第二阶段用于揭示先锋氢被点燃之前的流动特性,由于先锋氢的注入而产生的激波在下壁面反射并与凹腔内的激波相互作用,导致监测点压力增大。第三阶段描述了先锋氢的燃烧过程,从点火、火焰稳定直到壁面压力稳定,历时约26.0 ms。在0.1 ms内先锋氢点火对燃烧流场及流动结构产生重大影响,试验测量先锋氢燃烧产生的激波串的运动速度约为20 m/s,先锋氢稳焰模式为凹腔回流区稳定燃烧。第四阶段为氢气和乙烯混合燃烧,此阶段燃烧变得更加剧烈,激波串被推入隔离段内,以至于超出了观测范围,该阶段乙烯稳焰模式为剪切层稳定燃烧。第五阶段为乙烯的燃烧流动,当先锋氢停止喷注后,乙烯火焰在凹腔内的位置由上游向下游移动。最后一个阶段是乙烯单独燃烧直到火焰熄灭。初步分析表明,乙烯燃烧的CH自发光图片能定性研究其燃烧效率。     

圆弧激波缓聚点火及后续燃烧传播

采用激波管实验和准一维数值模拟的方法，对预混可燃气体中圆弧汇聚激波的自点火现象及后续燃烧波的传播特性进行研究。其中圆弧汇聚激波由平面运动激波通过精确设计的弧形过渡管段转变得到。研究表明:收缩段中圆弧汇聚激波波后的非均匀梯度环境由激波在平直段、弧形过渡段和扇形收缩段中传播所分别诱导的3个梯度区共同构成。随着圆弧汇聚激波的不断增强，圆弧激波后某处首先形成一个无激波的温和反应区。该反应区逆流锋面的初期运动速度远超Chapman-Jouguet（CJ）爆轰波速，而反应产物区流动则呈现出一定弱爆轰波特征。进一步分析发现，该反应锋面本质上是一种"自发反应波"（spontaneous reaction wave），而非常规意义上的动力学波，其速度与汇聚激波波后气流点火时间梯度的倒数吻合。而后，反应区的扩张速度很快降至CJ爆轰波速以下，伴随反应锋面附近激波的产生以及激波-火焰复合结构的形成。激波-火焰结构最终加速演变为反向传播的爆轰波。在一定的条件下，由于入射激波转变过程和汇聚所构造的特定点火环境，自发反应波可再次赶超爆轰波，成为新的燃烧波前；而当自发反应波速度再次低于CJ爆轰波速时，它将再次转变为爆轰波；在此过程中，原先的爆轰波阵面蜕变为反应产物中传播的激波。     

不同湍流强度下煤粉颗粒群着火及燃烧特性的光学诊断研究

利用Hencken型平面火焰燃烧器搭建携带流反应系统，研究了不同湍流强度下煤粉颗粒群的着火及燃烧特性。煤粉被一次风送入温度、氧含量（本文所称"氧含量"是指氧的摩尔分数，mole fraction）可调节的高温烟气中形成稳定的射流火焰，利用OH平面激光诱导荧光技术（OH-Planar Laser-Induced Fluorescence，OH-PLIF）观测煤粉射流火焰着火、群燃等阶段的瞬态结构，基于对火焰图像的处理探究煤粉颗粒群的着火及燃烧特性。OH-PLIF的测量结果表明，在煤粉射流火焰的上游，射流外围区域的煤粉首先发生脱挥发分并着火，外围已燃的煤粉释放出大量热量并不断向射流内部传递，促进了射流内部区域煤粉颗粒群挥发分的析出。在高速一次风的卷吸及扰动作用下，析出的挥发分与氧之间不断扩散、混合，燃烧的OH锋面逐渐向射流中心区域延伸并连接成片，出现挥发分群燃火焰。实验结果表明:层流状态下，煤粉射流火焰窄而明亮；随着一次风湍流强度的增强，射流中煤粉颗粒的扩散运动变得剧烈，火焰形态发生变化，着火距离显著缩短。本文定量地研究了不同湍流强度下背景烟气温度（1200~1700 K）、烟气氧含量（10%~30%）以及一次风氧含量（5%~45%）对煤粉颗粒群着火延迟的影响规律。随着背景烟气温度、送风氧含量的升高，着火延迟时间逐渐缩短，但存在阈值现象，一旦背景烟气温度或送风氧含量超出某一阈值，其对煤粉颗粒群着火延迟的影响变弱，控制煤粉颗粒群着火行为的主导因素随之发生改变。     

气云爆轰

气云爆轰实验研究在一根专门设计的管中进行，通过对压力波和火焰阵面的测试，研究激波的成长与发展过程，气云爆轰的爆速及其影响因素以及激波后的点火诱导时间。理论研究考虑了液滴在高温、高压和高速气流中的变形、剥离和破碎，液滴的点火和局部爆炸以及气云爆轰的Ｃ－Ｊ判据。据此进行的计算进一步揭示了气云爆轰的松弛结构。爆速的计算值与实验值基本相符。     

纯净空气来流下的超声速燃烧实验装置及其初步实验结果

采用电阻加热的连续式实验设备,在燃烧室进口气流为高温纯净空气、马赫数Ma=2、总温Tt=1000K,总压Pt=0.8MPa条件下,进行了不同当量油气比的氢和乙烯燃料的超声速燃烧室直连式实验.采用从壁面垂直于主流喷射燃料和以氢作为先锋火焰,实现了乙烯燃料的可靠点火和稳定燃烧.实验测量了燃烧室的壁面压力、空气流量、燃料喷射压力、喷管进口总温等参数,并拍摄了燃烧室出口火焰.本文实验采用的电阻加热设备具有实验介质无污染、稳定运行时间长、工作性能稳定、成本低、操作简单等优点,其主要部件电阻加热器出口的最高温度可达600~1000K,对应的流量为1.5~0.73kg/s、加热器功率为750KW.     

湍流燃烧模拟中化学反应的加速算法研究进展

为研究湍流燃烧数值模拟中化学反应机理计算的加速方法，讨论了动态自适应化学（Dynamic Adaptive Chemistry，DAC）方法和Krylov子空间近似的指数格式的应用情况。在湍流火焰大涡模拟中，使用DAC简化可以加速化学反应计算。然而，在并行燃烧数值模拟中，处理器核心的负载极度不平衡，加速效果有限。而Krylov子空间近似的指数格式的加速效果可以作用于每个处理器核心，更有利于整体计算效率的提高。在同等精度下，相比于隐式格式耦合DAC和MTS加速方法，Krylov子空间近似的指数积分格式对化学反应计算的加速效果更为显著。