在船用低速二冲程柴油机中,直流扫气过程发挥着重要的作用,一方面将缸内废气排出气缸并为下一循环提供充足的新鲜气体,另一方面也产生涡流运动加强燃油与空气混合,从而改善燃烧效率。本课题自主建立了二冲程船用柴油机扫气流动试验台,开展了缸内扫气涡流的试验研究,并采用数值模拟开展了船用低速二冲程柴油机瞬态扫气过程研究,主要内容及结论如下:一、自主建立了船用低速二冲程柴油机扫气实验台,实现了先进Stereo PIV技术与叶片风速仪技术对缸内扫气涡流的实时测试。与国外试验台相比,本试验台更接近于实机结构,扫气压差也大幅提升。测试手段方面,Stereo PIV与叶片风速仪对缸内涡流转速测量的结果趋势一致,二者具有良好的互换性。二、开展了扫气过程中缸内流动特性的稳态试验研究,分析了不同因素下缸内流场的演变规律、缸内气流流通特性与涡流强度、以及扫气涡流的均匀性等。研究发现,随着气流向下游流动,轴向速度分布的尾流形态逐渐减缓,切向速度分布逐渐由伯格斯涡转变为刚体涡形态;随着扫气口径向切角的增大,缸内扫气涡流强度逐渐增大,全局速度逐渐减小,同时近扫气口附近截面会出现回流现象;活塞位置对缸内涡流形态及涡心位置均会产生较大影响,随着活塞位置的上移,扫气气流的轴向分量呈现先增大后降低的趋势;扫气压差的影响主要体现在流通能力或进气量上,对缸内涡流形态及涡流强度的影响可忽略不计,增大扫气压差能够在扫气口处实现更加均匀的进气;排气门旋转对气缸中上游截面流场几乎没有影响,仅对近排气门附近截面处的涡流强度有一定加强。在此基础上,采用本征正交分解(POD)分解及涡心统计方法,系统研究了大尺度涡流对缸内湍流多尺度特性及涡心进动现象的影响,结果表明扫气涡流的进动现象主要是由缸内拟序结构引起的,而高强度大尺度涡流是维系流动稳定性的重要因素。提出扫气非稳定性系数的概念对扫气性能进行评价,通过分析发现,近扫气口附近区域的扫气性能普遍偏低,同时强涡流也会对近排气门区域的扫气性能产生消极影响,而扫气压差的变化则对扫气性能基本没有影响。三、通过稳态扫气过程的大涡模拟研究,发现随着扫气口径向切角的增大,近扫气口涡心区域由于压力较低会出现回流现象。通过统计涡心位置的变化,量化了扫气涡流的进动周期。在船用低速二冲程柴油机扫气过程的瞬态模拟研究中,发现实机工作过程中扫气具有非均匀性的特点。通过扫气阶段不同时刻下缸内速度场的分析可知,扫气初始阶段近扫气门处会产生较强的回流扰动现象,但是随着扫气口的完全打开,该现象会消失。在扫气口开启的初始阶段,涡量场显示进气射流的强烈扰动作用直接导致新鲜气体与燃烧废气的大量混合。通过对比扫气阶段典型时刻下涡心位置、全局速度及涡流强度的变化,发现稳态扫气试验与实机瞬态模拟得出的规律是相似的,进一步证明了稳态扫气试验相关结果对实际发动机开发研究的指导意义。