湍流强度对火焰传播影响的大涡模拟研究
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目 前 对 发 动 机 缸 内 湍 流 的 研 究，多 集 中 于 湍 流 对燃烧及 点 火 各 参 数 的 影 响。Ｓｈｙ 等 在 ［１］ 甲 烷空 气混合气中 使 用 ＰＬＩＦ 技 术，从 点 火 能 量 和 火 焰 结 构演变的角度，研究 了 湍 流 逆 流 非 预 混 燃 烧 中 的 火 花点火对湍流燃烧 的 影 响，发 现 点 火 所 需 能 量 随 湍 流强度的增大而增 大，局 部 应 变 率 对 点 火 有 不 良 影 响。清华大学霍佳龙等 利 ［２］ 用定压球形火焰研究 了 氢 气／氧 气／氩 气 （犔犲＜１）在 可 燃 极 限 条 件 下 湍 流 对 点 火 与 火 焰 传 播 过 程 的 影 响 ，发 现 在 该 工 况 下 ，湍 流 有 助 于 可 燃 气 点 火 过 程 ，在 火 焰 传 播 过 程 中 ，由 于 湍 流 的 影 响 ，局 部 拉 伸 率 大 于 ０ 的 区 域 火 焰 传 播 增 快 ， 局部拉伸率小于０ 的 区 域 火 焰 传 播 受 到 抑 制，甚 至
收 稿 日 期 ：２０１８１２１５；修 回 日 期 ：２０１９０５２１ 基 金 项 目 ：国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目 （２０１７ＹＦＢ０１０３４００） 作 者 简 介 ：刘 宗 宽 （１９９２— ），男 ，硕 士 ，主 要 研 究 方 向 为 双 燃 料 发 动 机 燃 烧 模 拟 ；ｌｉｕｚｏｎｇｋｕａｎ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。 通 讯 作 者 ：周 磊 （１９８２— ），男 ，副 教 授 ，主 要 研 究 方 向 为 发 动 机 湍 流 燃 烧 ；ｌｅｉ．ｚｈｏｕ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
出现局部熄火。清华大学任祝寅等 在 ［３］ 发动机工 况 下，使用一维模拟的 方 法 研 究 了 小 尺 度 湍 流 对 火 焰 锋面 ＮＯ狓 生 成 的 影 响，发 现 小 尺 度 涡 流 可 以 穿 透 火焰的预热 区，增 强 混 合 过 程，在 更 高 的 初 始 压 力 下，随着小尺度湍 流 的 增 强，火 焰 前 锋 ＮＯ狓 生 成 量 最 大 可 以 降 低 ４０％ 。
２０１９年８月 刘宗宽，等：湍流强度对火焰传播影响的大涡模拟研究 · ２３ ·
犇犗犐：１０．３９６９／ｊｉ．ｓｓｎ．１００１２２２２．２０１９．０４．００４ 中 图 分 类 号 ：ＴＫ４０１ 文 献 标 志 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１２２２２（２０１９）０４００２２０５
随着能源危机 和 环 境 污 染 的 日 益 严 重，各 国 纷 纷制定了越来越严 格 的 汽 车 油 耗 和 排 放 法 规，因 此 对发动机的节能减排提出了更高的要求。合理组织 缸内燃烧以提高发动机的热效率是发动机节能减排 最直接、最有效 的 手 段。 点 燃 式 发 动 机 缸 内 燃 烧 为 预混湍流燃 烧，缸 内 湍 流 对 可 燃 混 合 气 的 形 成、着 火、燃烧和火焰 传 播 过 程 有 着 重 要 影 响。 为 进 一 步 探明湍流对火焰及 燃 烧 的 影 响 机 理，进 而 通 过 控 制 湍流合理组织缸内 燃 烧，本 研 究 从 湍 流 脉 动 与 火 焰 传播相互作用的角 度 出 发，通 过 数 值 仿 真 的 方 法 进 行了研究。
第 ４ 期 （总 第 ２４３ 期 ） ２０１９ 年 ８ 月
车 用 发 动 机 ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥ
Ｎｏ．４（ＳｅｒｉａｌＮｏ模拟研究
刘 宗 宽 ，刘 昌 文 ，卫 海 桥 ，周 磊
（天 津 大 学 内 燃 机 燃 烧 学 国 家 重 点 实 验 室 ，天 津 ３０００７２） 摘 要 ：为 了 研 究 封 闭 空 间 中 湍 流 强 度 与 火 焰 传 播 相 互 作 用 ，基 于 快 速 压 缩 机 试 验 平 台 建 立 了 燃 烧 室 模 型 ，开 展 了 上止点缸内压力１．１ ＭＰａ和１．４ ＭＰａ及不同湍流强度下，异辛烷空气当量比混合气点火和火焰传播过程的三维 大涡模拟研究。研究结果表明：火焰发展受到周围湍流脉动的影响，火焰形态发 生 褶 皱 和 变 形，且 随 着 湍 流 强 度 的 增加，火焰表面褶皱和变形越发严重；同时火焰的褶皱和变形会进一步加剧湍流 脉 动，从 而 加 强 火 焰 和 湍 流 脉 动 的 相 互 作 用 ，影 响 缸 内 的 燃 烧 情 况 。 关 键 词 ：湍 流 脉 动 ；火 焰 传 播 ；大 涡 模 拟 ；燃 烧
在火 焰 与 湍 流 相 互 作 用 方 面，现 有 研 究 大 多 针 对湍流对火焰的作 用，而 火 焰 对 湍 流 流 场 的 影 响 关 注较少。东南大学杨宏 应 ［４］ 用层流激光技术从 湍 流涡结构入手，研究 了 涡 运 动 与 湍 流 火 焰 之 间 的 相 互作用机理，推导出 了 燃 烧 热 膨 胀 对 大 尺 度 火 焰 涡 团生成有 增 强 和 抵 消 作 用。 北 京 交 通 大 学 姜 延 欢 等 在 ［５］ 定容燃烧弹中研究了湍流强度对 ＣＨ４Ｈ２ 混 合气火焰结构特性 的 影 响，发 现 火 焰 表 面 的 褶 皱 因 子随着湍流强度的 增 加 而 增 加；火 焰 锋 面 的 局 部 速 度 服 从 正 态 分 布 ，且 随 着 湍 流 强 度 的 增 大 ，正 态 分 布 的对称轴逐渐向右侧移动。虽然通过纹影试验的方 法可以获取清晰的 火 焰 锋 面，观 察 火 焰 表 面 的 褶 皱 情 况 ，但 无 法 获 取 缸 内 湍 流 流 场 的 分 布 ，而 使 用 数 值 仿真的方法可以获 得 燃 烧 室 内 湍 流 流 场 的 分 布，通 过分析火焰面和湍 流 场 的 变 化，从 而 得 到 湍 流 脉 动 与火焰发展相互作用的情况。但是现有的研究对发 动机工况下的大分子燃料的湍流燃烧的深入研究还
收 稿 日 期 ：２０１８１２１５；修 回 日 期 ：２０１９０５２１ 基 金 项 目 ：国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目 （２０１７ＹＦＢ０１０３４００） 作 者 简 介 ：刘 宗 宽 （１９９２— ），男 ，硕 士 ，主 要 研 究 方 向 为 双 燃 料 发 动 机 燃 烧 模 拟 ；ｌｉｕｚｏｎｇｋｕａｎ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。 通 讯 作 者 ：周 磊 （１９８２— ），男 ，副 教 授 ，主 要 研 究 方 向 为 发 动 机 湍 流 燃 烧 ；ｌｅｉ．ｚｈｏｕ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
出现局部熄火。清华大学任祝寅等 在 ［３］ 发动机工 况 下，使用一维模拟的 方 法 研 究 了 小 尺 度 湍 流 对 火 焰 锋面 ＮＯ狓 生 成 的 影 响，发 现 小 尺 度 涡 流 可 以 穿 透 火焰的预热 区，增 强 混 合 过 程，在 更 高 的 初 始 压 力 下，随着小尺度湍 流 的 增 强，火 焰 前 锋 ＮＯ狓 生 成 量 最 大 可 以 降 低 ４０％ 。
２０１９年８月 刘宗宽，等：湍流强度对火焰传播影响的大涡模拟研究 · ２３ ·
犇犗犐：１０．３９６９／ｊｉ．ｓｓｎ．１００１２２２２．２０１９．０４．００４ 中 图 分 类 号 ：ＴＫ４０１ 文 献 标 志 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１２２２２（２０１９）０４００２２０５
随着能源危机 和 环 境 污 染 的 日 益 严 重，各 国 纷 纷制定了越来越严 格 的 汽 车 油 耗 和 排 放 法 规，因 此 对发动机的节能减排提出了更高的要求。合理组织 缸内燃烧以提高发动机的热效率是发动机节能减排 最直接、最有效 的 手 段。 点 燃 式 发 动 机 缸 内 燃 烧 为 预混湍流燃 烧，缸 内 湍 流 对 可 燃 混 合 气 的 形 成、着 火、燃烧和火焰 传 播 过 程 有 着 重 要 影 响。 为 进 一 步 探明湍流对火焰及 燃 烧 的 影 响 机 理，进 而 通 过 控 制 湍流合理组织缸内 燃 烧，本 研 究 从 湍 流 脉 动 与 火 焰 传播相互作用的角 度 出 发，通 过 数 值 仿 真 的 方 法 进 行了研究。
第 ４ 期 （总 第 ２４３ 期 ） ２０１９ 年 ８ 月
车 用 发 动 机 ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥ
Ｎｏ．４（ＳｅｒｉａｌＮｏ模拟研究
刘 宗 宽 ，刘 昌 文 ，卫 海 桥 ，周 磊
（天 津 大 学 内 燃 机 燃 烧 学 国 家 重 点 实 验 室 ，天 津 ３０００７２） 摘 要 ：为 了 研 究 封 闭 空 间 中 湍 流 强 度 与 火 焰 传 播 相 互 作 用 ，基 于 快 速 压 缩 机 试 验 平 台 建 立 了 燃 烧 室 模 型 ，开 展 了 上止点缸内压力１．１ ＭＰａ和１．４ ＭＰａ及不同湍流强度下，异辛烷空气当量比混合气点火和火焰传播过程的三维 大涡模拟研究。研究结果表明：火焰发展受到周围湍流脉动的影响，火焰形态发 生 褶 皱 和 变 形，且 随 着 湍 流 强 度 的 增加，火焰表面褶皱和变形越发严重；同时火焰的褶皱和变形会进一步加剧湍流 脉 动，从 而 加 强 火 焰 和 湍 流 脉 动 的 相 互 作 用 ，影 响 缸 内 的 燃 烧 情 况 。 关 键 词 ：湍 流 脉 动 ；火 焰 传 播 ；大 涡 模 拟 ；燃 烧
在火 焰 与 湍 流 相 互 作 用 方 面，现 有 研 究 大 多 针 对湍流对火焰的作 用，而 火 焰 对 湍 流 流 场 的 影 响 关 注较少。东南大学杨宏 应 ［４］ 用层流激光技术从 湍 流涡结构入手，研究 了 涡 运 动 与 湍 流 火 焰 之 间 的 相 互作用机理，推导出 了 燃 烧 热 膨 胀 对 大 尺 度 火 焰 涡 团生成有 增 强 和 抵 消 作 用。 北 京 交 通 大 学 姜 延 欢 等 在 ［５］ 定容燃烧弹中研究了湍流强度对 ＣＨ４Ｈ２ 混 合气火焰结构特性 的 影 响，发 现 火 焰 表 面 的 褶 皱 因 子随着湍流强度的 增 加 而 增 加；火 焰 锋 面 的 局 部 速 度 服 从 正 态 分 布 ，且 随 着 湍 流 强 度 的 增 大 ，正 态 分 布 的对称轴逐渐向右侧移动。虽然通过纹影试验的方 法可以获取清晰的 火 焰 锋 面，观 察 火 焰 表 面 的 褶 皱 情 况 ，但 无 法 获 取 缸 内 湍 流 流 场 的 分 布 ，而 使 用 数 值 仿真的方法可以获 得 燃 烧 室 内 湍 流 流 场 的 分 布，通 过分析火焰面和湍 流 场 的 变 化，从 而 得 到 湍 流 脉 动 与火焰发展相互作用的情况。但是现有的研究对发 动机工况下的大分子燃料的湍流燃烧的深入研究还