初始射流条件决定甲醇预燃室射流的壁面撞击响应及近壁动力学特性

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Initial jet conditions govern wall-impingement response and near-wall dynamics in methanol pre-chamber jets

　　

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  壁面撞击在热射流出现前将冷射流偏转，形成用于热射流发展的近壁面层。
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  撞击时机使点火核心的生长主要从轴向膨胀转变为近壁面扩散。
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  在Φpc = 1.1时，更快的面积增长来自扩散半径和卷吸高度的同步增加。
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  缩短冷-热射流间隔将点火核心生长转向早期的横向热膨胀。

引言

在保持高热效率的同时减少内燃机的碳排放，是未来动力系统面临的重要挑战[1]。甲醇因其高含氧量、便于储存和运输，以及可由可再生资源生产等优势，是一种有前景的低碳液体燃料[2]，[3]。然而，甲醇在稀燃或稀释条件下的稳定快速燃烧仍受制于点火困难和火焰发展缓慢的问题[4]，[5]。预燃室射流点火通过将高温反应射流引入主燃烧室，在更大区域内分布点火能量并加速早期火焰发展，为克服这些限制提供了有效途径[6]，[7]，[8]。

因此，甲醇预燃室点火作为提高稀燃条件下点火鲁棒性和燃烧效率的有前景的方法，受到越来越多的关注[9]，[10]。Liu等[11]对重型发动机中的甲醇预燃室燃烧进行了数值研究，结果表明预燃室射流及随后的火焰发展受到缸内燃烧环境的强烈影响。对于甲醇-空气混合气，Wang等[12]进一步证明预燃室结构参数可以改变湍流射流点火行为和主燃烧室燃烧特性。Jiang等[13]关注高压缩比甲醇预燃室发动机，表明预燃室孔构型影响燃烧和排放性能，证实了喷嘴设计在甲醇射流点火中的重要性。除几何结构外，运行条件和边界条件也起着重要作用。An等[14]讨论了甲醇主动预燃室中射流点火与能量转换之间的权衡关系，而Wang等[15]表明预燃室当量比可以控制甲醇预燃室射流点火系统中点火模式的转变。类似的预燃室运行条件敏感性也在氨-氢系统中观察到，其中燃料反应性、喷射策略和射流发展可以改变点火模式和早期火焰发展[16]，[17]。这些研究表明预燃室燃烧受预燃室结构和运行条件的强烈影响。然而，这些宏观燃烧响应最终由预燃室射流的形成和演化所决定。特别是冷射流和热射流在点火核心形成期间的瞬态发展仍未得到充分阐明。

然而在实际发动机中，预燃室射流并不总是在无阻碍空间中发展为自由射流[18]，[19]。在压缩冲程中，向上运动的活塞不断减小瞬时射流-壁面距离，因此反应射流可能在点火核心仍在发展时就与活塞表面相互作用[20]，[21]。这使得射流点火过程对射流形成、点火发展和活塞运动之间的相对时序敏感[22]。与此一致，Kou等[23]表明喷射时机影响小容积被动预燃室甲醇直喷发动机中的混合气形成和燃烧，而Wang等[24]报道在TJI-HPDI甲醇发动机中喷嘴结构应与喷射和火花策略相协调。这些发现表明，预燃室射流点火的效果不仅应从射流强度本身来理解，还应从射流-壁面相互作用的时间和位置来理解。

因此，射流-壁面撞击是控制预燃室射流空间发展和点火效应的关键过程。Wang等[25]利用光学诊断和数值模拟研究了甲醇预燃室湍流射流点火系统中的射流-壁面相互作用，表明壁面相互作用可以强烈影响燃烧性能，在撞击条件下预燃室压力上升速率可增加到正常水平的30倍以上。在氨-氢预燃室湍流射流点火中，Liu等[26]对受限类发动机空间中的射流-壁面相互作用进行了可视化，表明当反应射流在有限燃烧室容积内发展时，壁面撞击难以避免。对于甲烷被动预燃室，Zhang等[27]，[28]通过光学和数值方法研究了射流-壁面撞击条件下的预燃室点火，表明撞击距离、壁面构型、初始压力和当量比影响点火行为，而平壁撞击可进一步改变被动射流点火模式和火焰传播。除壁面条件本身外，撞击前的射流状态也受到预燃室几何结构的强烈影响[29]。窄喉口设计已被提出以增加射流强度和点火性能[30]，而双PLIF测量表明喉口几何结构可以改变预燃室射流速度[31]。喷嘴孔数、孔型[32]和喷嘴构型[33]也影响预燃室点火和燃烧行为。最近，Li等[34]证明喷嘴直径与燃料反应性一起强烈影响射流点火特性和点火模式转变。这些发现表明，到达壁面的射流已经受到上游几何和运行参数的塑造。

这些研究表明，射流-壁面撞击不仅受壁面边界控制，还受预燃室形成的撞击前射流速度的影响。然而，冷射流首先到达壁面然后影响后续热射流发展的瞬态顺序仍未得到充分阐明。

针对这一尚未解决的冷到热射流转变问题，本研究利用高速纹影成像技术，在定容燃烧室中研究甲醇预燃室壁面撞击射流。通过改变预燃室当量比和喷嘴直径来建立不同的初始射流条件，并考察它们对冷射流再分布、热射流到达以及撞击后点火核心发展的影响。本研究旨在阐明初始射流条件在甲醇预燃室射流壁面撞击响应中的作用，并为理解甲醇预燃室点火系统中的射流-壁面相互作用效应提供基础。

章节片段

实验装置与系统配置

用于甲醇预燃室射流壁面撞击试验的实验系统如图1所示。该系统主要由定容燃烧室、甲醇预燃室组件、壁面撞击板组件、甲醇供应系统、高速纹影成像系统和时序同步控制器组成。

如图1(a)所示，甲醇预燃室组件安装在定容燃烧室顶部。燃烧室由

自由射流与壁面撞击射流的比较

图3比较了自由和壁面撞击甲醇预燃室射流的时间演化。图3所示的四个阶段分别对应冷射流发展、热射流出现、热射流在冷射流内发展以及热射流在冷射流区域上扩散。自由射流图像在相应阶段选取，以提供无壁面阻碍时自然射流发展的参考。

在自由射流情况下，冷射流继续沿

结论

本研究利用高速纹影成像技术在定容燃烧室中实验研究了甲醇预燃室壁面撞击射流。分析了预燃室当量比和喷嘴直径对冷射流分布、热射流到达和撞击后点火核心发展的影响。主要结论如下：

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  壁面撞击在热射流出现前通过将冷射流偏转成近壁面层而影响射流。随后的热射流

CRediT作者贡献声明

Dongsheng Dong: 写作 – 审阅与编辑，资源，项目管理，方法论，概念化。 Mingfei Lu: 写作 – 初稿，资金获取，数据管理。 Zunhua Zhang: 监督，资源，项目管理，资金获取。 Gesheng Li: 监督，项目管理。 Wei Chen: 可视化，数据管理。 Yuxuan Li: 数据管理。 Wenwei Cai: 调查。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作受国家自然科学基金（批准号：52401389）、航运创新联合基金项目（批准号：U2572204）和中央高校基本科研业务费（批准号：104972026RSCbs0226）资助。

Dongsheng Dong|Mingfei Lu|Zunhua Zhang|Gesheng Li|Wei Chen|Yuxuan Li|Wenwei Cai