封闭空间火焰-冲击波相互作用及其对燃烧模式影响研究

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1、天津大学博士学位论文封闭空间火焰-冲击波相互作用及其对燃烧模式影响研究FundamentalStudyofFlame-shockInteractionsandTheirInfluenceonCombustionModesinConfinedChamber一级学科：动力工程及工程热物理学科专业：动力机械及工程研究生：高东志指导教师：卫海桥研究员天津大学机械工程学院2017年05月万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为

2、获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据万方数据中文摘要爆震是限制小型强化

3、汽油机热效率提高的突出瓶颈。一般认为爆震是由燃烧室末端气体自燃引起的，伴随高频、剧烈的压力振荡，甚至对机械结构产生不可逆的破坏。自燃的形成以及燃烧压力振荡的强度与火焰-压力波相互作用具有强相关性。实际内燃机爆震发生时缸内瞬时高温高压对可视化实验条件要求苛刻，不同强度压力波传播及其与火焰的相互作用过程难以试验再现；同时进排气和活塞运动造成的复杂流动以及火焰在狭小空间内的传播对缸内密度场的扰动，使得压力波的捕捉变得困难。目前基于快压机和光学发动机开展的自燃和爆震的可视化实验，没有捕捉到火焰-压力波相互作用以及压力波对未燃气体自燃发展的影响过程。本文以定容燃烧弹为研究对

4、象，基于光学测试手段和理论分析方法，通过火焰加速产生不同强度压力波，研究压力波对封闭空间燃烧过程和末端气体自燃的影响，以及火焰-冲击波相互作用对压力振荡的影响。以期揭示压力波对自燃的影响机理，深入认识火焰-压力波相互作用规律，为内燃机自燃预测和爆震抑制提供理论支撑。本文设计了一种在燃烧室内加装孔板的新型定容燃烧弹，开展了层流火焰过孔板加速转变为湍流火焰及其对末端燃烧过程的影响研究。以汽油为燃料，比较分析了有无孔板条件下的火焰发展形态和传播速率，发现封闭空间中无孔板的预混层流火焰，表现出先加速再减速的趋势，过孔板的湍流火焰传播速度曲线呈现出“M”型，表现为：加速过程

5、、不稳定过程和减速过程三个阶段。过孔板的加速火焰会使封闭空间末端燃烧更加剧烈，燃烧压力峰值更高。为了再现内燃机缸内火焰-冲击波相互作用的过程，以燃烧速率更高的氢气为燃料，研究了层流火焰转变为湍流火焰的过程，通过纹影法结合高速摄像拍摄到氢气-空气预混火焰锋面之前形成的清晰冲击波。从气体动力学的角度分析了火焰加速形成冲击波的机理：火焰过孔板是加速传播过程，因此火焰锋面之前产生多层扰动波向前传播，由于之前扰动波作用使得混合气温度和压力升高，后续扰动波的传播速度更快，并逐渐与前方的扰动波叠加，形成清晰的冲击波。另外，研究了初始压力和孔径对过孔板火焰加速过程的影响，发现过孔

6、板之前的层流火焰传播速度随初始压力的增加而减小，过孔板后的湍流火焰平均传播速度随着孔径的增加而减小。基于此，开展了不同初始压力和孔板参数对封闭空间末端火焰、冲击波传播速度及燃烧压力振荡强度的影响研究。发现初始压力对燃烧压力峰值以及振幅影响显著，随着初始压力的增加，燃烧压力峰值以及压力振荡幅值都增加；孔径对冲击波影响显著，中等孔径时，燃烧室末端产生的冲击波更加清晰，此时燃烧压I万方数据力振荡的幅值也最大；孔隙率对火焰传播速度影响显著，随着孔隙率的减小，燃烧室末端火焰传播速度增加，燃烧压力的峰值及振荡的幅值都随孔隙率的减小而增加；当孔板安装在燃烧室中间位置时，燃烧压力

7、振荡幅值最大。总结了试验条件下不同强度的压力波（包括声波和冲击波）与火焰的相互作用及其对封闭空间末端燃烧模式的影响，发现存在五种不同燃烧模式：（1）未受压力波扰动的正常火焰传播；（2）声波引起的火焰周期性减速传播；（3）冲击波引起的往复火焰传播；（4）火焰-冲击波相互作用导致火焰前锋自燃并加速传播；（5）强冲击波导致末端气体自燃。火焰前锋自燃和强冲击波经壁面反射导致末端气体自燃时，燃烧压力出现大幅振荡。进一步比较了火焰加速导致自燃、末端安装加热棒和火花塞模拟自燃三种方式引起的压力振荡，发现不同于火焰加速产生强冲击波引起的瞬间热力学状态提升产生自燃，后两种自燃方式没

8、有出现瞬间