微自由活塞動(dòng)力裝置燃燒過程實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，無論是對(duì)國(guó)防軍工行業(yè)還是人們的日常生活，都產(chǎn)生了巨大的影響，但動(dòng)力供給部分成為了其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，隨著機(jī)電系統(tǒng)逐漸趨向于微型化和功能集成化，越來越迫切需要體積小、能量密度大、供能時(shí)間長(zhǎng)及能量補(bǔ)給迅速的新型動(dòng)力系統(tǒng)。近年來由于碳?xì)淙剂夏芰棵芏却?，基于碳?xì)淙剂先紵奈?dòng)力系統(tǒng)引起了廣大學(xué)者的關(guān)注。
　　隨著微動(dòng)力裝置燃燒室體積的急劇變小，燃燒條件和環(huán)境發(fā)生了改變，混合氣體在微尺度空間里的駐留時(shí)間縮短，而化學(xué)反應(yīng)時(shí)間

2、增加，造成混合氣體燃燒不穩(wěn)定;微燃燒室空間的急劇減小還會(huì)造成火焰淬熄現(xiàn)象;同時(shí)微燃燒室體積的減小造成大的面容比值，從而產(chǎn)生壁面?zhèn)鳠釗p失，降低了微動(dòng)力裝置的能量轉(zhuǎn)換效率。針對(duì)微燃燒面臨的困難和挑戰(zhàn)，本論文中選擇微自由活塞式動(dòng)力裝置作為研究對(duì)象，主要是因?yàn)槲⒆杂苫钊麆?dòng)力裝置采用均質(zhì)壓縮燃燒方式，燃燒迅速，無火焰擴(kuò)散現(xiàn)象，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于向微型化發(fā)展，且壓縮比可變，同時(shí)借助預(yù)熱及催化等處理方法，可以有效解決微燃燒所存在的問題。
　　目

3、前關(guān)于微自由活塞動(dòng)力裝置的研究還處于初步理論研究階段，還沒有成熟的理論用以借鑒，因此本文著重研究微自由活塞動(dòng)力裝置的核心問題，即微壓縮燃燒過程。建立單次壓縮燃燒過程研究模型，通過數(shù)值模擬分析方法及可視化實(shí)驗(yàn)研究手段，開展較系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究工作，取得了一些具有學(xué)術(shù)意義及實(shí)用價(jià)值的研究結(jié)論:
　　為了提高微自由活塞動(dòng)力裝置燃燒過程的穩(wěn)定性和動(dòng)力輸出性能，首先對(duì)微自由活塞動(dòng)力裝置進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，將進(jìn)氣管道布置在排氣管道中，利用高溫廢氣

4、預(yù)熱進(jìn)氣管道中的均質(zhì)混合氣，提高均質(zhì)混合氣的初始溫度;設(shè)計(jì)了掃氣板與廢氣腔結(jié)構(gòu)，利用廢氣腔中的壓力差，將燃燒廢氣最大程度地排出微燃燒室外，使得更多的新鮮均質(zhì)混合氣進(jìn)入微燃燒室內(nèi);在微燃燒室底部添加鉑催化劑涂層，通過催化燃燒方式使均質(zhì)混合氣燃燒更加充分和穩(wěn)定，并可以拓寬燃燒界限，增大微自由活塞動(dòng)力裝置燃料適用范圍。
　　針對(duì)單次壓縮燃燒過程搭建了可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，借助高速數(shù)碼相機(jī)拍攝了微壓縮燃燒過程圖片，證明了均質(zhì)混合氣在微小空間里壓

5、縮著火燃燒的可行性;通過圖片分析，定義四種典型的燃燒過程，即壓縮未著火過程、臨界壓縮著火過程、完全壓縮燃燒過程及超高壓縮比燃燒過程;并針對(duì)不同活塞初速度、活塞質(zhì)量及微燃燒室參數(shù)開展了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明自由活塞初速度是決定均質(zhì)混合氣能否壓燃的重要因素，其它條件不變的情況下，活塞質(zhì)量越大，燃燒過程越劇烈，微燃燒室長(zhǎng)度越長(zhǎng)，均質(zhì)混合氣越不容易壓縮著火，并通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)得出，使用二甲醚燃料氣體時(shí)，壓縮比大于18時(shí)，均質(zhì)混合氣才能壓縮燃

6、燒。
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理建立了單次壓縮燃燒過程的數(shù)學(xué)模型，將燃燒化學(xué)反應(yīng)過程與活塞運(yùn)動(dòng)過程相耦合，動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算了微HCCI燃燒過程，并結(jié)合可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)計(jì)算模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證;對(duì)單次壓縮燃燒過程開展了多方案變參數(shù)數(shù)值模擬計(jì)算工作，詳細(xì)研究了活塞壓縮初速度、活塞質(zhì)量、均質(zhì)混合氣當(dāng)量比、初始溫度與初始?jí)毫?、微燃燒室直徑與長(zhǎng)度、傳熱、泄漏以及催化燃燒等因素對(duì)微壓縮燃燒特性及活塞運(yùn)動(dòng)特性的影響。
　　最后通過總結(jié)大量計(jì)算結(jié)果，

7、得出了微自由活塞動(dòng)力裝置關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的選取原則，自由活塞與微燃燒室內(nèi)壁面之間的間隙應(yīng)小于8μm，應(yīng)盡量提高微燃燒室的密封性，有利于微動(dòng)力裝置輸出功率的提高;得到混合氣臨界壓縮著火初動(dòng)能的計(jì)算公式，當(dāng)自由活塞所獲得的壓縮動(dòng)能大于臨界壓縮著火初動(dòng)能時(shí)，均質(zhì)混合氣才能完全壓縮著火，對(duì)研究微自由活塞動(dòng)力裝置啟動(dòng)條件具有一定的指導(dǎo)意義;具體分析了活塞質(zhì)量與壓縮初速度的選取準(zhǔn)則，相同壓縮初動(dòng)能條件下質(zhì)量大而壓縮初速度小的活塞適用于低速工況，質(zhì)量小而