强制声场对扩散火焰中碳烟生成的影响

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近年来,随着汽车保有量的逐年上升,治理大气污染力度的逐渐加大,对内燃机更严格的排放标准不断提出,设计制造更清洁的发动机已成为当务之急。而振荡燃烧过程与声波耦合引起的脉动燃烧可以强化传质传热,增强热效率,越来越受到人们的关注。但是现有的研究并没有完全揭示脉动燃烧抑制碳烟生成的机理,火焰的燃烧响应和声学参数的规律的关系研究并不充分。因此,对脉动燃烧抑制碳烟生成的机理研究,有助于寻找一种新的内燃机设计方法,可以有效的抑制内燃机燃烧时碳烟的生成,提高内燃机的燃烧热效率,对环境保护和能源的清洁利用具有重要的学术意义和工业应用价值。论文将对横向声激励下的火焰动力学和碳烟抑制效果做出理论和实践研究,并在深入分析乙炔扩散火焰在声激励下的响应的基础上,依据声-力-电类比方法,预估声能和碳烟抑制效率的关系。通过改变声波的频率、幅值、初始相位和波形,从而改变了火焰所处位置的驻波场,研究分析了乙炔扩散火焰的碳烟抑制效率和火焰波动响应。声压信号和火焰波动的时间同步为深入理论分析火焰对声场的响应提供了可靠依据,而火焰的温度变化体现了燃烧氧化反应的状态。得出的主要结论如下:(1)横向声场的施加可以有效的抑制碳烟的生成量,而随着火焰所处的位置从驻波的波腹转向波节,碳烟抑制效率会逐渐提升。火焰处于驻波波节位置时的碳烟抑制效率优于波腹位置被考虑为声波动速度使局部当量比的提升效果大于声辐射力的作用。此外,同频率下,随着声压的提升,碳烟抑制效率也会提升。低频时的较小的声压就可以使碳烟抑制效率较大的提升。(2)在声辐射力主导的火焰波动中,火焰沿上下波动。随着火焰位置由腹点移向节点,火焰波动为上下波动和左右波动的混合波动,并且火焰会发生倾斜,其倾斜方向总是偏向压力腹点。而火焰位于压力节点,火焰只存在左右波动,这与声辐射力和声波动速度主导情况有关。并且随着声压的提升,火焰的应变也会变大。(3)声场的作用会使火焰温度升高,并且和声频率同周期性波动。在驻波波节位置,火焰温度的增幅最大,其波峰波谷的值和平均值都远高于其他相位差时的火焰温度。并且随着声压的提升,火焰温度也会逐步提升。(4)在火焰受到声激励后,火焰的波动响应存在滞后性,火焰形状的周期性拉伸压缩和所受的声压方向有关。在声波的正周期内,火焰受声压作用火焰压缩变长,而声波负周期内,火焰受声压作用拉伸变短。(5)碳烟抑制效率和声能呈线性关系,且随着频率的增加,达到相应的碳烟抑制效率所需的声能更大。在相同的声频率,不同波形的声波达到相同的碳烟抑制效率所需的声压不同,但声能相近,不同波形的声能方差小于5.17×10-9。
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