航空二冲程活塞发动机分层扫气优化

针对二冲程活塞发动机常规扫气短路损失大、油耗高的问题，提出了一种分层扫气方案并进行了优化。以某发动机为 研究对象，采用数值模拟方法建立了分层扫气模型，并对分层扫气过程进行了3维CFD仿真，其计算所需的边界条件通过发动机 整体性能1维仿真获得，采用该模型研究了分层扫气发动机扫气机理，对不同容积扫气道进行了仿真，并对二冲程扫气过程的过 量充气系数、扫气效率等参数进行对比。在仿真优化研究的基础上加工优化后的扫气道盖实物，并结合发动机巡飞工况状态开展 发动机性能对比试验。结果表明：采用分层扫气过程的短路损失相比于常规扫气过程的减小42%，扫气道容积提高到1.3倍可使 扫气效率提高2%，相比原型机测试数据，配置1.3倍扫气道容积的发动机在巡航转速范围内，燃油消耗率降低10%，但发动机功率 略有降低。     

航空活塞二冲程汽油机排气口高度优化研究

针对作为无人机动力的某可变排气二冲程发动机在去掉可变排气系统后对发动机性能的影响，利用Fire仿真软件建立了发动机的缸内工作过程仿真模型，通过仿真和试验的方法研究了去掉可变排气系统后的发动机特性，结果表明:去掉可变排气系统后在2000r/min、10%节气门开度和5500r/min、50%节气门开度条件下，发动机的扫气效率降低，输出功率下降。在此基础上，利用仿真研究的方法对排气口高度参数进行了优化研究。去掉可变系统后排气口高度最优值为36.3mm时可以在保证常用无人机飞行转速范围内，各工况下扫气效率较高，发动机指示功损失最小，输出功率可以满足无人机动力需求。      

分层扫气二冲程汽油机的数值模拟

为研究分层扫气发动机的扫气特性和工作机理,建立了分层扫气发动机三维模型,并利用三维CFD仿真软件Fluent在额定转速下分别对有无分层扫气系统的发动机流场进行仿真与分析,计算所需的边界条件通过对发动机进行一维模拟计算得到。结果表明:分层扫气发动机在工作过程中利用纯空气在新鲜混合气和废气之间形成分层,并由纯空气承担一部分扫气损失,使得未燃碳氢化合物的排放减少了15%,提高了发动机的燃油经济性;有无分层扫气发动机扫气效率都是75%,分层扫气系统对发动机扫气效率没有较大影响,研究结果可以为分层扫气发动机的设计提供参考。      

基于CFD分析的二冲程发动机直喷燃烧室方案设计

采用三维实体建模软件UG对此二冲程发动机的燃烧室进行直喷化设计,并利用三维CFD仿真软件Fluent对直喷燃烧室的缸内流场进行CFD仿真与分析.分析结果显示:当燃烧室高度从32mm降为24mm,以及活塞顶面与缸盖底面距离从7mm降为3mm时,压缩过程中的反滚流结构消失,扫气效率从87%升高到91%.模拟结果为进一步优化燃烧室结构提供了较好依据.      

航空二冲程汽油发动机均值模型的试验与仿真

采用机理建模和试验建模相结合的方法建立了航空二冲程汽油发动机平均值模型.二冲程汽油机平均值模型主要分为3个动态子模块:燃油蒸发与油膜动态子模块、进气道与曲轴箱扫气子模块和动力输出子模块.建模中考虑了簧片阀的建模,同时考虑了扫气过程中的短路损失,进行了空燃比的计算.对发动机动力输出、转速和空燃比进行了Matlab/Simulink仿真,仿真结果和实验数据吻合,证明了该均值模型的正确性.      

2 冲程直喷煤油发动机空燃比控制方法

为了保障2冲程直喷煤油发动机高效、稳定地运行，对其空燃比控制方法进行了研究。采用机理建模和试验数据建模 相结合的方法，建立了2冲程直喷煤油发动机平均值模型，包括扫气模型和燃油油量模型。在扫气模型建模过程中，分别对进气 道、曲轴箱、气缸进行了分析；燃油油量模型考虑了气缸温度对燃油蒸发效果的影响，并引入了燃油蒸发系数。对2冲程发动机扫 气过程进行了分析，通过台架试验得到了不同工况下的扫气效率、扫气比和捕获率等扫气参数。基于Matlab/Simulink建立了空燃 比前馈控制器，并进行了台架试验验证。结果表明：控制器能够满足空燃比的控制要求，最大误差为10%左右，该误差产生的原因 为燃油油量模型和扫气模型存在系统误差，但是燃油油量模型的系统误差影响较小，可以忽略。     

带扫气蜗壳的整体式惯性粒子分离器仿真

对一种带有扫气蜗壳的整体式惯性粒子分离器进行了仿真研究,获得了该粒子分离器的流动及粒子分离特性.结果表明:原型方案中粒子分离器扫气通道顶部和底部流动不畅,使得扫气蜗壳不能周向均匀进气并且局部出现倒流.当扫气比为19%时,主流道出口截面总压恢复系数为0.982,AC砂和C砂分离效率较差,分别为64.8%和76.6%.而在扫气蜗壳内收集管上游加装隔板后,其进气特性的周向均匀性及蜗壳内旋涡结构得到改善,粒子分离效率也得到显著提高:相同扫气比下,AC砂和C砂的分离效率分别提高了18.1%和20.9%,且主流道出口截面的总压恢复系数基本不下降.      

航空二冲程汽油发动机均值模型的研究与仿真

发动机平均值模型由于其模型简单、计算时间短、使用方便,且能满足控制设计的要求被广泛应用。目前均值模型主要在四冲程汽油机和大型二冲程柴油机上广泛应用,小型航空二冲程汽油发动机平均值模型国内外应用很少。本文采用机理建模和试验建模相结合的方法建立了发动机均值模型,为研究二冲程汽油发动机提供了一种思路。二冲程汽油机平均值模型主要分为三个动态子模块：燃油蒸发与油膜动态子模块、进气道与曲轴箱扫气子模块和动力输出子模块,建模中考虑了簧片阀的建模,同时考虑了扫气过程中的短路损失。分别建立了动力输出和转速模型、空燃比模型,并进行了Matlab/simulink仿真,仿真结果和实验数据吻合,证明了该均值模型的正确性。     

气口布置对进气涡流及扫气品质的影响

采用数值方法研究了气口布置对进气涡流及换气品质的影响,建立了缸内过程的三维瞬态数值模型,通过改变气口平射角引入进气涡流,根据归一化缸内二氧化碳质量分数评价扫气品质,对比了不同气口布置角度下的涡流比及扫气品质.结果表明:①改变气口平射角能够产生包括涡流在内的旋转流动,涡流持续到上止点附近,并近似为刚体涡;②进气涡流造成扫气过程中期短路损失,并使CO₂聚集于旋转区域中心;③扫气口仰角变大或排气口沿旋转流动方向远离扫气口,能够抑制短路;扫气口平射角减小时,上止点附近的涡流比降低,短路损失增大.      

涡轮增压二冲程汽油机排气系统匹配研究

为提高无人机的工作升限,需要补偿高空处下降的功率,涡轮增压技术是航空活塞式发动机实现功率恢复的有效手段之一。二冲程汽油机使用增压技术后存在很多技术难点,尤其是增压后扫气损失的合理控制、扫气方案与排气管路的合理匹配等问题。因此本文通过仿真计算的方法对某型二冲程活塞汽油机,从涡轮增压布置方案、排气管路设计等方面进行了匹配研究,仿真结果表明,二冲程汽油机涡轮增压时涡轮布置在排气膨胀管后可以改善其换气过程;排气膨胀管结构形式及尺寸均对发动机性能有明显影响,且排气膨胀管位于排气歧管后,总长度1.2m,主直径186mm时发动机动力性能最优。     

Effect of scavenge port angles on flow distribution and performance of swirl-loop scavenging in 2-stroke aircraft diesel engine

Swirl-Loop Scavenging (SLS) improves the performance of 2-stroke aircraft diesel engine because the involved swirl may not only benefit the scavenging process, but also facilitate the fuel atomization and combustion. The arrangement of scavenge port angles greatly influences in-cylinder flow distribution and swirl intensity, as well as the performance of the SLS engine. However, the mechanism of the effect and visualization experiment are rarely mentioned in the literature. To further investigate the SLS, Particle Image Velocimetry (PIV) experiment and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation are adopted to obtain its swirl distribution characteristics, and the effect of port angles on scavenging performance is discussed based on engine fired cycle simulation. The results illustrate that Reynolds Stress Turbulence model is accurate enough for in-cylinder flow simulation. Tangential and axial velocity distribution of the flow, as well as the scavenging performance, are mainly determined by geometric scavenge port angles α_geom and β_geom. For reinforcement of scavenging on cross-sections and meridian planes, α_geom value of 27° and β_geom value of 60° are preferred, under which the scavenging efficiency reaches as high as 73.7%. Excessive swirl intensity has a negative effect on SLS performance, which should be controlled to a proper extent.     

二冲程重油直喷发动机混合气形成研究

针对航空煤油蒸发困难、二冲程发动机油耗高的问题,建立了二冲程重油直喷发动机的三维仿真模型,并通过试验验证了模型的准确性。在此基础上研究了发动机的换气及混合气形成过程。研究结果表明:推迟喷油在减少燃油短路时间的同时,避开了排气流量较大的自由排气阶段,可以提升燃油捕获率;提前喷油,利用废气的高温可以加快煤油的蒸发进程,并且喷油过晚会导致煤油蒸发不完全、油气混合不均。所研究发动机在下止点前80°曲轴转角开始喷油可以保证燃油蒸发和均匀混合的同时提升燃油的捕获率。此时发动机具有较高的指示功率和较低的燃油消耗率,分别为84.0 kW和360.3 g/kWh。该研究结果可以为二冲程重油直喷发动机的喷油参数优化提供理论支撑。      

含硼贫氧燃气补燃室反应流场研究

以King模型模化硼粒子燃烧,以几率密度模型模化湍流燃烧,对含硼贫氧推进剂固体火箭冲压发动机补燃室流场进行数值研究,并与试验结果进行了对比。计算表明:环向燃料喷口布局可增加贫氧燃气气相组分与空气的混合、反应效率;突扩形的几何结构有利于燃气产生大涡运动。     

蒸发管蒸发效率的试验与管内两相流动的数值模拟

为研究微型燃烧室蒸发管的雾化蒸发性能,试验研究了进气温度、气油比（AFR）、管壁温度和进口空气流速对燃油蒸发率的影响。试验结果表明:进气温度和进口空气流速是影响蒸发效率的两个主要因素;当气油比减小到3.0时,管内两相流型由膜态沸腾向过渡态沸腾转变,该状态下燃油与管壁的换热效率最低。蒸发管数值仿真引入离散相模型（DPM）和液滴碰壁飞溅模型,蒸发效率计算结果与试验数据呈现相同趋势。在此基础上研究了气动参数对燃油雾化的影响。计算结果表明,进口空气流速的提高可以改善燃油雾化细度,但不利于液滴分布的均匀性,索太尔平均直径（SMD）与进口空气流速的-1.69次方成正比。      

扰流柱直径对倾斜出气孔层板内流动和换热影响的数值研究

用数值模拟的方法, 研究了倾斜出气孔层板结构最小单元体内扰流柱直径对于层板内流阻和换热的影响.采用了非结构化网格, 并对气流转角较大区域做了局部加密;选择k-ε湍流模型方程, 配以壁面函数率, 求解稳态无旋转的层板;采用了流体域与固体域耦合求解法计算耦合换热.给出了计算结果并分析了流动和换热情况.研究结果表明适当增加扰流柱直径有利于降低流阻、提高冷却效率.      

旋转部件复杂表面水滴撞击计算

为模拟旋转体结冰问题的过冷水滴运动及撞击过程,基于欧拉方法及单旋转坐标系模型,建立了三维旋转水滴运动模型,并提出了相应的数值求解方法。采用单旋转坐标系对空气及水滴两相流动过程进行处理,通过引入惯性力,将惯性系下的周期转动边界转换为定常流动边界;利用欧拉方法,使用单向耦合形式描述空气—水滴流场;在单旋转坐标系下,向控制方程内引入科里奥利加速度及牵连加速度,进行非惯性系下欧拉方程的修正,从而描述水滴运动过程;采用有限容积求解器对空气及水滴运动的控制方程组进行求解,通过引入源项定义单旋转坐标系下的惯性力,得到空气流场及水滴场的速度、体积分数分布,进而得到表面水滴撞击特性。采用上述方法对旋转帽罩与叶片模型进行算例分析,结果表明所建立的旋转水滴计算方法有效,对比静止状态表面的结果,旋转对帽罩的水滴撞击特性影响甚小,而对桨叶存在显著影响;由于帽罩具有中心对称的特性,因而旋转带来的切向速度变化对其水滴撞击特性影响不明显;桨叶表面水滴收集系数随旋转角速度增大而增大,同时收集系数在表面的分布会向迎风方向偏移,较大的角速度对应了更为显著的收集系数增幅与偏移现象。