喷嘴倾角对倾斜窄喉预燃室射流特性的影响机制及燃烧优化研究

本文系统研究了倾斜安装的窄喉预燃室（PC）中喷嘴倾角（垂直方向）与预燃室偏转角（水平方向）对甲烷发动机射流特性及燃烧性能的影响。通过三维数值模拟结合实验验证，首次揭示了多孔射流速度的非均匀性分布规律及其对燃烧均匀性的调控机制，为高性能预燃室设计提供了关键理论依据。研究发现，-6°倾角可实现燃烧效率与火焰分布均匀性的最优平衡，对提升lean combustion（稀薄燃烧）稳定性及降低NOx排放具有重要意义。

　　

Highlight

窄喉预燃室（PC）凭借其高压力积聚与高射流速度的特性，在稀薄燃烧发动机中展现出卓越的点火性能。然而，与垂直安装的PC结构相比，倾斜式PC会产生差异化的射流动力学行为，其机理尚不明确。本研究通过数值模拟方法，首次揭示了倾斜PC中射流速度的非均匀性分布规律：当喷嘴倾角偏离0°时，靠近参考平面的孔口射流速度最低，法向平面两侧孔口速度呈对称分布，且靠近PC顶部的孔口速度更高。随着倾角绝对值增大，平均射流速度降低。尽管0°倾角可实现最高平均射流速度与最优燃烧效率，但正倾角会加剧火焰分布不均；相反，负倾角（如-13°）可提升火焰均匀性达38%。综合表明，-6°倾角是倾斜PC中平衡燃烧效率与火焰均匀性的最优解。

Conclusions

我们通过数值模拟研究了甲烷燃料倾斜PC发动机中喷嘴倾角（垂直方向）与PC偏转角（水平方向）的影响。基于CONVERGE软件构建的多维模型经压力与热释放率（HRR）数据充分验证。研究首次阐明了射流与入流非均匀性的速度顺序及其对燃烧的影响机制，为高性能PC设计提供了关键理论支撑。