微自由活塞动力装置燃烧过程实验与数值模拟研究

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1、分类号UDCTK5621．4编号@；工薛大擎博士学位论文指导教师奎邑缝指导小组成员王速作者姓名拍金申请学位级别谴±专业名称王猩热物理论文提交日期2Q!垒生Q垒旦论文答辩日期2Q!垒生鱼旦学位授予单位和日期、江蒸太堂2Q!垒生鱼月答辩委员会主席董园92014年4月评阅人本研究得到了国家自然科学基金项目(51076060)、江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZl2—0672)的资助。ClassifiedIndex：UDC：Ph·D·DissertationExperimentalandNumericalSimulation

2、ResearchonCombustionProcessinMicroFree-pistonPowerDeviceByBaiJinMajor：EngineeringThermophysicsSupervisor：Prof．LiChangfengJiangsuUniversityApril，2014独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的

3、材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：》p．乒年占月名日学位论文版权使用授权书江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊(光盘版)电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入《中国学位论文全文数据库》并向社会提供查询，授权中国学术期刊(光盘版)电子杂志社将本论文编入

4、《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》并向社会提供查询。论文的公布(包括刊登)授权江苏大学研究生处办理。本学位论文属于不保密西。学位论文作者签名：牛酌，I扣够年多月石曰指导教师签名抄够年乡月，乡摘要微机电系统的发展，无论是对国防军工行业还是人们的日常生活，都产生了巨大的影响，但动力供给部分成为了其进一步发展的瓶颈，随着机电系统逐渐趋向于微型化和功能集成化，越来越迫切需要体积小、能量密度大、供能时间长及能量补给迅速的新型动力系统。近年来由于碳氢燃料能量密度大，基于碳氢燃料燃烧的微动力系统引起了广大学者的关注。随着微动力装置燃烧室体积

5、的急剧变小，燃烧条件和环境发生了改变，混合气体在微尺度空间里的驻留时间缩短，而化学反应时间增加，造成混合气体燃烧不稳定；微燃烧室空间的急剧减小还会造成火焰淬熄现象；同时微燃烧室体积的减小造成大的面容比值，从而产生壁面传热损失，降低了微动力装置的能量转换效率。针对微燃烧面临的困难和挑战，本论文中选择微自由活塞式动力装置作为研究对象，主要是因为微自由活塞动力装置采用均质压缩燃烧方式，燃烧迅速，无火焰扩散现象，整体结构简单，易于向微型化发展，且压缩比可变，同时借助预热及催化等处理方法，可以有效解决微燃烧所存在的问题。目前关于微自由活塞

6、动力装置的研究还处于初步理论研究阶段，还没有成熟的理论用以借鉴，因此本文着重研究微自由活塞动力装置的核心问题，即微压缩燃烧过程。建立单次压缩燃烧过程研究模型，通过数值模拟分析方法及可视化实验研究手段，开展较系统的基础理论研究工作，取得了一些具有学术意义及实用价值的研究结论：为了提高微自由活塞动力装置燃烧过程的稳定性和动力输出性能，首先对微自由活塞动力装置进行了概念设计，将进气管道布置在排气管道中，利用高温废气预热进气管道中的均质混合气，提高均质混合气的初始温度；设计了扫气板与废气腔结构，利用废气腔中的压力差，将燃烧废气最大程度地

7、排出微燃烧室外，使得更多的新鲜均质混合气进入微燃烧室内；在微燃烧室底部添加铂催化剂涂层，通过催化燃烧方式使均质混合气燃烧更加充分和稳定，并可以拓宽燃烧界限，增大微自由活塞动力装置燃料适用范围。针对单次压缩燃烧过程搭建了可视化实验平台，借助高速数码相机拍摄了微压缩燃烧过程图片，证明了均质混合气在微小空间里压缩着火燃烧的可行性；通过图片分析，定义四种典型的燃烧过程，即压缩未着火过程、临界压缩着火江苏大学博士学位论文：微自由活塞动力装置燃烧过程的基础理论与实验研究过程、完全压缩燃烧过程及超高压缩比燃烧过程；并针对不同活塞初速度、活塞质

8、量及微燃烧室参数开展了实验研究，实验结果表明自由活塞初速度是决定均质混合气能否压燃的重要因素，其它条件不变的情况下，活塞质量越大，燃烧过程越剧烈，微燃烧室长度越长，均质混合气越不容易压缩着火，并通过大量实验数据总结得出，使用二甲醚燃料气体时，压缩比大于18时，均