本項目以發動機燃燒室封閉空間內湍流與燃燒的相互作用為研究背景，以發動機燃料（甲烷、氫氣、汽油和航空煤油及其替代物）為研究對象，利用西安交通大學燃燒與著火實驗平臺結合高速攝像紋影測試技術開展了以下研究內容：（1）通過燃燒彈和激波管測量了實際發動機燃料的層流燃燒速率和著火延遲期實驗數據，優化了其化學反應動力學模型；（2）通過燃燒彈實驗開展了不同初始條件下的實際發動機燃料的點火特性，并給出了點火成功率的擬合關系式，闡明了不同初始條件對燃料點火成功率和最小點火能量的規律；（3）實驗開展了不同湍流強度下發動機燃料的火焰傳播特性和燃燒特性，分析了湍流與燃燒的相互作用機理。本研究完善了實際發動機燃料的點火特性、層流/湍流燃燒速率和著火延遲期實驗數據，闡明了不同初始參數對湍流燃燒火焰動力學的影響機理，對加深理解湍流與燃燒化學反應的耦合作用和火焰穩定性有重要理論價值，對先進發動機的設計和研發具有一定的工程應用價值。 項目負責人注重國際和國內交流，項目執行期間多次參加國際和國內學術會議，研究成果共發表期刊論文22篇，其中SCI論文20篇，中文核心期刊EI論文2篇，論文發表在《Proceedings of the Combustion Institute》、《Fuel》、《Energy & Fuels》等國際期刊上。培養博士生3名，碩士生2名。在執行項目期間，項目負責人胡二江獲得國家自然科學二等獎一項（內燃機低碳燃料的互補燃燒調控理論及方法，項目負責人胡二江排名第3，2015年）；項目研究成果支撐了項目負責人胡二江獲得西安青年科技人才獎（2016年）、陜西省青年科技新星（2017年）和第一屆中國動力工程學會青年科技獎（2017年）。研究成果對于提升我國在相關學術領域的國際影響力起到了一定的促進作用，為項目負責人的后續科學研究打下了堅實的基礎。 2100433B

本項目緊扣“面向發動機的湍流燃燒基礎研究”重大研究計劃指南中的第二個科學問題——受限空間內復雜湍流和燃燒的相互作用，以實際發動機燃料（甲烷、氫氣、汽油和航空煤油）為研究對象，利用西安交通大學層流/湍流燃燒實驗平臺結合高速攝像紋影測試技術，通過實驗測量和理論分析，開展先進發動機研發過程中所急需的高壓燃燒化學反應動力學、湍流燃燒實驗數據和湍流與化學反應的相互作用機理的研究，構建高溫高壓湍流燃燒模型。本研究將填補高壓條件下實際發動機燃料的層流/湍流火焰速率實驗數據的空白，闡明不同初始參數對湍流燃燒火焰動力學的影響機理，對深層次理解高壓下湍流與燃燒化學反應的耦合作用和高壓火焰穩定性有重要理論價值，為先進發動機的設計和研發提供重要理論支撐，具有很強的基礎性和前沿性。研究工作將促進我國湍流燃燒和發動機基礎燃燒研究水平的整體提升，支撐國家在內燃機、燃氣輪機和航空發動機領域的科技進步與創新。

隨著日益嚴峻的能源與環境危機，低熱值氣體燃料以其清潔性與可持續性給氣體發動機的推廣應用帶來了較大的發展空間。《低熱值氣體燃料發動機燃燒過程及火焰穩定性》采用多維數值仿真模擬的方法，對低熱值氣體燃料發動機缸內預混燃燒的渦團與火焰面相互作用及火焰內在D—L不穩定性等進行了模擬研究，主要內容為：氣體燃料湍流預混火焰T—M—S方程及其數值算法研究；低熱值氣體燃料發動機點火與湍流燃燒的數學模型研究；低熱值氣體燃料發動機燃燒過程數值模擬仿真平臺的研究；低熱值氣體燃料發動機湍流燃燒過程及火焰的穩定性研究。

《低熱值氣體燃料發動機燃燒過程及火焰穩定性》適合機電相關專業的研究生和科研人員閱讀。

湍流燃燒試驗中需要測試的量一般為:溫度、壓力、燃燒圖像和湍流參數。其中最為重要的就是要進行火焰圖像的測試。目前,隨著光學技術的發展,非接觸式測量方法得到了廣泛的應用。這也為對燃燒過程的深入測試分析提供了重要手段。一般用于記錄燃燒火焰形態的非接觸式光學測試方法有:PUF、直接高速攝影。

湍流火焰速率平面激光誘導熒光法

PLIF即平面激光誘導熒光法(Planar-laser Induced Fluorescence)是一種較高靈敏度的濃度測量方法。其原理是當激光光子的能量(以波長人來表征)符合分子某兩個能級之間的能量差距時,受該光子照射的分子就會吸收光子的能量而從基態躍遷到高能態。而處于高能態的分子并不穩定,因此在一定時間內高能態的分子將會通過輻射和非輻射兩種方式釋放能量而返回到基態,在釋放能量的過程中由分子的自發輻射而產生的光稱為熒光。熒光可以利用光電倍增管接收,熒光強度與熒光物質的濃度成正比例。這一特性是熒光方法運用于定量分析的基礎。

激光誘導熒光法的原理是,原子被激光源諧振激勵成為受激態。這種狀態不穩定,將向較低能級自發輻射光子而衰減。這種自發輻射的光子既為熒光,其存在時間為。激光束聚焦到被測場內,采集光路接受熒光,熒光通過色散器件然后被檢測器轉換為電信號。將激光束擴展成光屏,可把整個平面成像到陣列檢測器上。其測試原理如圖1所示。PLIF技術在燃燒場中可以測量某些活化中心如0H組分等也可用于測速,測濃度、測溫等方面。因為PLIF可提供噴霧和燃燒過程詳細的2D平面信息,測量量級很小的活性組分,故已成為噴霧、燃燒過程組分濃度及火焰結構研究的重要工具。

湍流火焰速率直接高速攝影法

直接高速攝影(攝像)法顧名思義就是利用高速攝影技術將燃燒過程的火焰形態變化直接拍攝記錄下來,并在拍攝中使用以燃燒火焰為光源。主要用于火焰顯示,燃料凝相燃燒研究以及粒子尺寸與速度測量等。