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微自由活塞动力装置燃烧过程实验与数值模拟研究

作　者: 柏金
导　师: 李昌烽
学　校: 江苏大学
专　业: 工程热物理
关键词: 微动力装置自由活塞微燃烧 HCCI 可视化实验数值模拟运行参数设计
分类号: TK16
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

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,均质混合气才能压缩燃烧。根据实验原理建立了单次压缩燃烧过程的数学模型,将燃烧化学反应过程与活塞运动过程相耦合,动态模拟计算了微HCCI燃烧过程,并结合可视化实验结果,对计算模型的正确性进行了验证；对单次压缩燃烧过程开展了多方案变参数数值模拟计算工作,详细研究了活塞压缩初速度、活塞质量、均质混合气当量比、初始温度与初始压力、微燃烧室直径与长度、传热、泄漏以及催化燃烧等因素对微压缩燃烧特性及活塞运动特性的影响。最后通过总结大量计算结果,得出了微自由活塞动力装置关键设计参数的选取原则,自由活塞与微燃烧室内壁面之间的间隙应小于8μm,应尽量提高微燃烧室的密封性,有利于微动力装置输出功率的提高；得到混合气临界压缩着火初动能的计算公式,当自由活塞所获得的压缩动能大于临界压缩着火初动能时,均质混合气才能完全压缩着火,对研究微自由活塞动力装置启动条件具有一定的指导意义；具体分析了活塞质量与压缩初速度的选取准则,相同压缩初动能条件下质量大而压缩初速度小的活塞适用于低速工况,质量小而初速度大的活塞适用于高速工况,工作频率高但微燃烧过程不稳定；对微燃烧室几何结构的设计原则也进行了研究,结论表明,在其它条件相同的前件下,细长型的微燃烧室更加适合。本论文的研究工作可以丰富微燃烧理论,为微自由活塞动力装置的研制提供理论依据,同时对其它类型微动力系统的研究也有一定的参考价值。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第一章绪论  14-28
  1.1 引言  14-15
  1.2 国内外微动力装置研究现状  15-17
    1.2.1 热电式微动力装置  15-16
    1.2.2 热动式微动力装置  16-17
  1.3 课题背景  17-19
  1.4 微自由活塞动力装置发展历程  19-25
    1.4.1 常规自由活塞式发动机的发展历程  20-23
    1.4.2 微自由活塞式动力装置研究现状  23-25
  1.5 本文主要研究内容  25-28
第二章微自由活塞动力装置HCCI燃烧方式及其结构设计  28-38
  2.1 微自由活塞动力装置燃烧方式  28-29
    2.1.1 动力装置微型化面临的挑战  28
    2.1.2 均质充量压缩燃烧方式  28-29
  2.2 微自由活塞动力装置结构设计  29-36
    2.2.1 自由活塞式发动机分类  29-30
    2.2.2 进气预热式微自由活塞动力发电装置结构设计  30-32
    2.2.3 磁电式微自由活塞动力装置工作过程  32-36
    2.2.4 进气预热式微自由活塞动力发电装置特点  36
  2.3 微自由活塞动力装置研究面临问题  36-37
  2.4 本章小结  37-38
第三章微自由活塞动力装置燃烧过程可视化实验研究  38-58
  3.1 微燃烧可视化实验装置  38-42
    3.1.1 自由活塞驱动装置  39
    3.1.2 气体预混系统  39-40
    3.1.3 微燃烧系统  40-41
    3.1.4 数据采集系统  41-42
  3.2 实验过程与实验参数调节  42-47
    3.2.1 实验过程  42-43
    3.2.2 实验参数调节  43-47
  3.3 四种典型的微燃烧图像分析  47-49
  3.4 微燃烧过程混合气压力测定  49-51
  3.5 微燃烧过程实验结果分析  51-55
    3.5.1 自由活塞初速度对压缩比及燃烧过程的影响  51-52
    3.5.2 微燃烧室尺寸对压缩比及燃烧过程的影响  52-54
    3.5.3 自由活塞质量对压缩比及燃烧过程的影响  54-55
    3.5.4 微燃烧过程着火界限  55
  3.6 本章小结  55-58
第四章微自由活塞动力装置HCCI燃烧模型建立与模型验证  58-76
  4.1 物理模型  58-59
  4.2 数学模型与控制方程  59-64
    4.2.1 控制方程  59-60
    4.2.2 传热模型  60-61
    4.2.3 泄漏模型  61-62
    4.2.4 湍流模型  62-64
    4.2.5 化学反应基本方程  64
  4.3 HCCI燃烧模型选择  64-66
  4.4 动网格的生成  66-71
    4.4.1 网格生成  66-67
    4.4.2 动网格的实现  67-71
  4.5 计算模型验证  71-74
    4.5.1 流场数值解法的选择  71-72
    4.5.2 模型验证  72-74
  4.6 本章小结  74-76
第五章微自由活塞动力装置HCCI燃烧特性影响因素数值分析  76-100
  5.1 微自由活塞初始条件的影响  76-80
    5.1.1 微自由活塞压缩初速度的影响  76-78
    5.1.2 微自由活塞质量的影响  78-80
  5.2 均质混合气特性的影响  80-85
    5.2.1 均质混合气当量比的影响  80-82
    5.2.2 均质混合气初始温度的影响  82-83
    5.2.3 均质混合气初始压力的影响  83-85
  5.3 微燃烧室几何特征的影响  85-88
    5.3.1 微燃烧室长度的影响  85-86
    5.3.2 微燃烧室直径的影响  86-87
    5.3.3 临界压缩着火条件  87-88
  5.4 壁面传热因素的影响  88-90
  5.5 泄漏因素的影响  90-95
  5.6 催化压缩燃烧特性分析  95-98
  5.7 本章小结  98-100
第六章微自由活塞动力装置关键运行参数的研究  100-120
  6.1 微燃烧室泄漏间隙界限  100-104
  6.2 压缩比界限与临界压缩比  104-105
  6.3 微燃烧室着火条件的探索  105-114
    6.3.1 活塞压缩初速度的影响  106-107
    6.3.2 活塞质量的影响  107-108
    6.3.3 临界压缩着火初动能  108-109
    6.3.4 微燃烧室几何参数对临界压缩着火初动能的影响  109-111
    6.3.5 均质混合气当量比对临界压缩着火初动能的影响  111-112
    6.3.6 泄漏间隙对临界压缩着火初动能的影响  112-114
  6.4 自由活塞质量与初速度取值原则  114-117
  6.5 微燃烧室几何参数的设计准则  117-118
  6.7 本章小结  118-120
第七章全文总结与展望  120-124
  7.1 研究总结  120-121
  7.2 创新点说明  121-122
  7.3 工作展望  122-124
参考文献  124-130
致谢  130-131
攻读博士学位期间发表的学术论文和取得的研究成果  131-133
附录A  133-144

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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