內(nèi)燃機燃燒過程中熱聲耦合機理的研究.pdf

1、熱聲耦合的本質(zhì)是空間中熱能與聲能相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象,目前,國內(nèi)外熱聲領域的研究主要集中在熱聲制冷,火箭推進器等方向。在內(nèi)燃機領域,雖然研究者們已認識到燃燒室的壓力振蕩與燃燒過程尤其是爆震燃燒關系十分緊密,然而由于內(nèi)燃機燃燒過程中聲學振蕩的復雜性,目前聲波在燃燒室中的具體作用如何仍然沒有定量描述,因此對內(nèi)燃機燃燒中的熱聲耦合問題進行研究具有重要意義。
　　 本文首先以火花點火發(fā)動機為研究對象,通過分析所引用的可視化發(fā)動機高速攝影燃燒照

2、片,應用聲學軟件SYSNOISE建立了能描述燃燒室結(jié)構(gòu)特征的聲模態(tài)計算模型并進行了頻響分析?；谝讶紖^(qū)和未燃區(qū)等燃燒特征,建立聲學時域計算模型,開展單點和多點激勵下的燃燒室壓力波瞬態(tài)響應計算,初步研究了燃燒室壓力場的時域特性和變化規(guī)律。
　　 隨后,通過對柱坐標系波動方程已有的經(jīng)典解法的討論,可知經(jīng)典解法在求解內(nèi)燃機燃燒過程中聲場的困難,得出必須采用數(shù)值方法求解的結(jié)論。之后,將準維模型與聲學模型相耦合,通過合理簡化,采用數(shù)值解法

3、并編制程序進行計算,與實驗結(jié)果對比表明,該方法能粗略反應內(nèi)燃機燃燒過程中的熱聲耦合性質(zhì)。
　　 為更深入了解燃燒過程中壓力的聲學振蕩現(xiàn)象,在分析KIVA的流場求解算法基礎上,根據(jù)KIVA的流場求解方程組推導出能夠運用于內(nèi)燃機燃燒過程中熱聲耦合計算的波動方程。該方程表明內(nèi)燃機燃燒室的聲波受到多個源項的激勵,包括化學反應放熱、粘性耗散、湍流產(chǎn)生項和耗散項、熱傳導、焓耗散等,具有三維非穩(wěn)態(tài)瞬變的特點,必須與KIVA的模擬相結(jié)合進行求解

4、。根據(jù)所得方程構(gòu)造相應的差分方程,給出了在與KIVA相結(jié)合時計算的穩(wěn)定性條件及其數(shù)學證明。推導圓筒結(jié)構(gòu)混合氣-氣缸-水三層結(jié)構(gòu)的聲波反射系數(shù)的表達式,以具體應用與熱聲耦合的計算過程中。
　　 根據(jù)所得的波動方程編制計算程序,在燃燒模擬過程中實時獲取對燃燒室聲場的各種激勵源,得出了各源項的定量化計算結(jié)果,容易看出化學反應放熱是燃燒過程聲波產(chǎn)生的主要激勵源。計算了某汽油機各種爆震工況的特性,通過與實測爆震時氣缸壓力振蕩的對比,表明用

5、波動方程計算內(nèi)燃機燃燒過程中聲場是可行的。提取多個特征點的振蕩歷程,經(jīng)分析知燃燒室不同點的振蕩在頻率分布和幅值上相差較大,各種聲學結(jié)構(gòu)和燃燒參數(shù)對燃燒中的聲學振蕩有明顯的影響。
　　 在分析了內(nèi)燃機燃燒過程中的熱聲耦合現(xiàn)象與現(xiàn)有熱聲裝置的異同后,本文將波動方程與燃燒計算軟件KIVA3V相結(jié)合,根據(jù)熱聲理論,定量的計算了熱聲耦合在內(nèi)燃機燃燒過程中的作用。對于文中汽油機,引用高速攝影圖片對燃燒過程進行描述,與計算結(jié)果進行對比分析。結(jié)