采用高速粒子圖像測速技術(shù)（particle image velocimetry,PIV）測量了一臺直噴式光學發(fā)動機的缸內(nèi)流場,利用動態(tài)模態(tài)分解（dynamic mode decomposition,DMD）算法,提取了發(fā)動機從進氣沖程早期到壓縮沖程后期中出現(xiàn)的多尺度渦團結(jié)構(gòu),量化了渦團的比動能在整個沖程階段的衰減程度。結(jié)果表明:從進氣沖程早期開始,缸內(nèi)流場主要由低階DMD模態(tài)表現(xiàn)的大尺度流場結(jié)構(gòu)和高階DMD模態(tài)表現(xiàn)的小尺度渦團結(jié)構(gòu)組成;DMD模態(tài)的比動能變化可清楚地反映從大尺度流場結(jié)構(gòu)到小尺度渦團的能量級聯(lián)和耗散過程。同時還發(fā)現(xiàn),與壓縮沖程相比,進氣沖程期間的流場可形成更多小尺度的渦團結(jié)構(gòu),并表現(xiàn)出更快的能量衰減特征,且該階段流場能量衰減現(xiàn)象對發(fā)動機轉(zhuǎn)速更加敏感。 

【文章來源】：內(nèi)燃機工程. 2020,41(05)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【圖文】：

光學診斷原理圖

試驗所用發(fā)動機是由一款2.2L的產(chǎn)品發(fā)動機改造而成的單缸光學發(fā)動機，配置了雙頂置凸輪四氣門缸蓋。發(fā)動機本體及光學視窗如圖1所示。此外，活塞底部安裝了45°反射鏡，能夠觀測到渦流平面的流場。發(fā)動機參數(shù)和測試條件見表1。試驗所用光學發(fā)動機進氣系統(tǒng)包含2個進氣道，其中一個進氣道中安裝了渦流控制閥，目的是在低轉(zhuǎn)速工況下利用渦流控制閥改善缸內(nèi)渦流強度，研究其促進油氣混合，提高燃燒效率，同時降低循環(huán)波動的效果[18-19]。因此，本研究中在低轉(zhuǎn)速工況下，針對進氣和壓縮沖程，對缸內(nèi)渦流場演變過程、不同渦團結(jié)構(gòu)和能量的變化及兩個沖程間的差異性進行研究。試驗測試條件為高渦流下的4個低轉(zhuǎn)速工況。渦流比在不同轉(zhuǎn)速下存在一定的波動，但在所測試的低轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)渦流比基本保持不變。本研究意義在于用定量的方法揭示渦團結(jié)構(gòu)和能量發(fā)展變化，填補了現(xiàn)階段對低轉(zhuǎn)速工況下缸內(nèi)渦流場演變過程的研究空白。整個PIV光學診斷原理圖如圖2所示。本試驗采用的高速PIV系統(tǒng)由一臺高速攝像機（Vision Research Phantom V7.3）和一臺Photonics Industries雙腔高速Nd:YAG脈沖激光器組成。鏡頭為尼康105mm f/2.8，相機芯片尺寸為800像素×600像素（17.6mm×13.2mm），最大頻率為6 688MHz。波長為527nm、最大脈沖頻率為10kHz的激光束經(jīng)過透鏡后，激光光斑形成厚度約為1mm的激光片。根據(jù)缸內(nèi)流場速度特性，雙脈沖激光的時間間隔設(shè)置為20μs。采集流場的曲軸轉(zhuǎn)角分辨率為2°，因此在4種發(fā)動機轉(zhuǎn)速工況下，激光頻率分別為1.5kHz、2.4kHz、3.0kHz和3.9kHz。本次試驗觀測缸內(nèi)渦流場平面位于噴油器噴嘴下方30mm處，因此在進氣沖程中有效的流場數(shù)據(jù)介于上止點后（after top dead center,ATDC)-300°（即上止點前300°，記為-300°或-300°ATDC）到-180°ATDC之間，在壓縮沖程介于-180°ATDC到-60°ATDC之間。試驗所用示蹤粒子由TSI公司提供的硅油霧化器（型號9306A）產(chǎn)生，這些粒子在進入氣缸前已與新鮮空氣充分混合。經(jīng)過測量，示蹤粒子的斯托克斯數(shù)為4.28×10-2[18]，遠小于1，即具有較好的連續(xù)流場跟隨性，滿足PIV測量的需要。粒子圖像處理過程中使用LaVision公司提供的軟件DaVis 8.4進行圖像互相關(guān)計算，查詢窗口從96像素×96像素減少到32像素×32像素，重疊率為50%，確保了每個窗口包含10～15個粒子，進而可得到較好的相關(guān)特性。測量結(jié)果顯示流場空間分辨率為1.7mm。

式中，t為采樣時間；Δt為采樣時間間隔；hm為模態(tài)幅值；αm為增長或衰減系數(shù)；fm為模態(tài)頻率；i為虛單位；e為歐拉數(shù)。hmeαmt描述了模態(tài)的能量在時間域上的增長或衰減變化，而cos(2πfmt)+isin(2πfmt）則描述了模態(tài)以某一固定頻率進行的周期性行為。據(jù)此，模態(tài)的比動能Em為：3 結(jié)果與討論

【參考文獻】：
期刊論文
[1]高滾流Atkinson循環(huán)燃燒系統(tǒng)研究[J]. 徐學亮,何爽,郭驥飛,魏強,高瑩,徐英健.  內(nèi)燃機工程. 2019(06)
[2]缸內(nèi)渦流比對冷起動燃燒火焰的影響探究[J]. 田少雄,孔令遜,許敏,楊杰,莊瀚洋.  內(nèi)燃機工程. 2017(03)



本文編號：3238423