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定容燃烧弹温度场分布的研究

青岛大学学报（工程技术版） 2010年第3期25卷 84-88,94页

作者：赵玉垒张纪鹏王德昌霍炜青岛大学机电工程学院山东青岛266071

根据定容燃烧弹的尺寸和材料性质,对计算模型、初始条件和边界条件进行了假设或赋值,通过分析定容燃烧弹加热过程中的热传递方式,利用有限元处理方法,建立了定容燃烧弹瞬态传热的二维有限元模型。以均质混合气作为研究介质,获得了在现... 详细信息

根据定容燃烧弹的尺寸和材料性质,对计算模型、初始条件和边界条件进行了假设或赋值,通过分析定容燃烧弹加热过程中的热传递方式,利用有限元处理方法,建立了定容燃烧弹瞬态传热的二维有限元模型。以均质混合气作为研究介质,获得了在现有加热模式下定容燃烧弹的温度场分布规律。研究结果表明,在轴向和径向,均质混合气不同点的温度不相同,测试点的温度与平均温度差异不大。计算结果较真实的反应了定容燃烧弹的加热过程,这对研究定容燃烧弹的燃烧过程具有重要的意义。

关键词：定容燃烧弹温度场数值模拟均质混合气

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基于定容燃烧弹的甲烷掺氢燃烧特性研究

基于定容燃烧弹的甲烷掺氢燃烧特性研究

作者：白小磊北京工业大学

学位级别：硕士

随着全球汽车保有量的增加,石油紧缺、大气污染的问题越来越严重,寻找合适的车用替代燃料已经成了当务之急。相比醇类燃料、二甲醚、生物柴油,天然气具有低排放、高辛烷值、抗爆性好等优势,而天然气的主要成分是甲烷,因此研究甲烷的燃... 详细信息

随着全球汽车保有量的增加,石油紧缺、大气污染的问题越来越严重,寻找合适的车用替代燃料已经成了当务之急。相比醇类燃料、二甲醚、生物柴油,天然气具有低排放、高辛烷值、抗爆性好等优势,而天然气的主要成分是甲烷,因此研究甲烷的燃烧特性对未来天然气发动机优化设计具有重要意义。定容燃烧弹作为一种常用的模拟试验装置是揭示内燃机缸内燃烧过程机理的有效手段,它可以有选择地控制该过程的某些主要条件,简化试验工作,便于找出燃烧过程某些参数之间的内在联系。本文首先介绍了自主开发的定容燃烧试验系统。本系统主要有定容燃烧弹本体、进排气系统、温度控制系统、点火系统、火焰图片采集系统、压力采集系统、同步控制系统等7个子系统组成,其中使用ANSYS软件结合理论力学对定容燃烧弹本体进行了加载强度校核。该系统可以控制可燃混合气的初始温度和初始压力,采集燃烧过程的瞬态压力和火焰扩散图片,用于内燃机各种气体代用燃料的燃烧特性研究。然后在已搭建好的定容燃烧试验系统上进行了甲烷及甲烷掺氢燃料的燃烧实验。通过改变混合气的初始温度、初始压力、当量比和掺氢比,采集燃烧压力曲线和火焰纹影图片,经过对比分析得到了各初始条件对甲烷的燃烧速率、最大燃烧压力、最大压力升高率、火焰发展期、燃烧持续期和燃烧稳定性的影响规律。最后在带隔板的定容燃烧弹上进行了自燃的现象研究,对照燃烧压力和火焰传播纹影图像提出了下燃烧室发生自燃现象的判断方法。研究了初始压力、初始温度、当量比、掺氢比、隔板的位置、隔板孔径、隔板孔数等参数对自燃发生及燃烧压力的影响。实验结果表明,燃烧室内安装横隔板后可以实现甲烷的快速燃烧。

关键词：定容燃烧弹纹影甲烷自燃

基于定容燃烧弹的柴油/庚酸甲酯混合燃料喷雾与燃烧特性研究

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基于定容燃烧弹的柴油/庚酸甲酯混合燃料喷雾与燃烧特性研究

作者：苏睿长安大学

学位级别：硕士

传统内燃机由于其高效、功率范围广、实用性强等优点,仍然作为汽车主流配置的发动机,而改善传统内燃机对于不可再生化石能源的依赖,解决逐年攀升的尾气排放问题,寻找可再生的清洁替代能源,是缓解当前我国化石能源短缺现状,响应“双碳”... 详细信息

传统内燃机由于其高效、功率范围广、实用性强等优点,仍然作为汽车主流配置的发动机,而改善传统内燃机对于不可再生化石能源的依赖,解决逐年攀升的尾气排放问题,寻找可再生的清洁替代能源,是缓解当前我国化石能源短缺现状,响应“双碳”号召,构建环境友好型社会的必经之路。生物柴油作为一种可再生能源,与传统的化石燃料相比,低温启动性良好,具有良好的润滑功能,能有效减少发动机磨损,延长发动机寿命,同时含硫量低,生成SO含量低,对发动机尾气排放也有明显改善效果,由于生物柴油的主要成分为分子尺寸较大的甲基酯,燃烧模型复杂,粘度较大,氧化安定性较差,可能导致燃料的蒸发雾化效果不好。庚酸甲酯作为一个碳链长度合适的脂肪酸甲酯,在具有与生物柴油类似的理化性质的同时具有简单的化学结构,含氧量高,高温燃烧释放大量羟基,氧化安定性好,被认为是一种良好的生物柴油衍生物,可以作为优良的清洁可再生能源掺混至传统柴油中,改善发动机的排放。本文主要将庚酸甲酯按照0%、10%、20%的体积分数分别与柴油进行混合(记作D100、MH10、MH20),在定容燃烧弹中对庚酸甲酯掺混燃料进行可视化研究,背景压力为4MPa,背景温度在喷雾和燃烧时分别设定为500K、800K,利用高速摄像机捕捉不同喷射压力下(80MPa、100MPa、120MPa、140MPa)三种燃料的喷雾和燃烧全过程。基于Matlab软件,采用背景差分法提取喷雾液相轮廓,采用帧间差分法提取喷雾气相边界,对喷雾宏观特性进行归纳,分析掺混庚酸甲酯后液相、气液相的喷雾贯穿距、喷雾锥角和喷雾面积等宏观参数,对比掺混庚酸甲酯对喷雾雾化效果的影响。结果表明:掺混庚酸甲酯后,油束变窄长,喷雾的液相、气液相贯穿距均上升,液相贯穿距随掺混体积分数增加而增加,气液相碍于庚酸甲酯的雾化效果,MH10的贯穿距较大;掺混燃料的液相喷雾锥角随喷射压力上升略微下降,MH10平均液相喷雾锥角下降率从3.96%增加至7.07%,MH20平均液相喷雾锥角下降率从5.05%增加至9.60%,气液相喷雾锥角呈现MH10>MH20>D100的规律,随喷射压力增加,气相喷雾锥角占比增加;掺混后的液相、气液相喷雾面积均增加,喷雾的混合区域得到拓展,由此可知庚酸甲酯一定程度上可以改善喷雾雾化效果。在定容弹内恒定800K的环境温度下,用直拍法拍摄三种燃料在不同喷射压力下的燃烧发展图像,通过Matlab处理,获取各燃料的燃烧参数,探究掺混燃料对燃烧性能的改善程度。结果表明:掺混庚酸甲酯后,掺混燃料十六烷值升高,燃料滞燃期和燃烧持续期均缩短,随喷射压力和掺混比例上升,燃料的滞燃期缩短率减小,燃烧持续期缩短率增加;掺混后的混合燃料燃烧时,燃烧温度升高,火焰浮起长度、KL因子、自发光强度均下降,随喷射压力从80MPa上升至140MPa,KL总和占比从69.63%逐渐降低至13.76%,MH20的KL占比从37.36%下降为3.52%,这是由于庚酸甲酯燃烧过程中释放出大量羟基,氧原子含量的增加有利于促进碳原子在高温区域的氧化;总发光强度随庚酸甲酯掺混比增加而降低,且随喷射压力上升,MH10的总发光强度占比逐渐从76.72%下降至31.64%,MH20的总发光强度占比逐渐从47.61%下降至12.16%。MH20呈现出较好的抑制碳烟的效果,因此,掺混庚酸甲酯可以改善燃料燃烧后排放,降低碳烟生成。

关键词：定容燃烧弹液相喷雾特性气相喷雾特性燃烧特性

一种小型长方体扁平定容燃烧弹结构设计与优化仿真

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一种小型长方体扁平定容燃烧弹结构设计与优化仿真

作者：郭少卿燕山大学

学位级别：硕士

在内燃机燃烧室环境中直接开展全边界条件的研究工作较为困难,通常采用燃烧模拟装置对内燃机燃烧过程进行研究。本文设计优化了一种用于预混气体燃烧的小型扁平定容燃烧弹装置,采用的长方形视窗便于观测从火花塞点火开始的完整燃烧过程... 详细信息

在内燃机燃烧室环境中直接开展全边界条件的研究工作较为困难,通常采用燃烧模拟装置对内燃机燃烧过程进行研究。本文设计优化了一种用于预混气体燃烧的小型扁平定容燃烧弹装置,采用的长方形视窗便于观测从火花塞点火开始的完整燃烧过程。基于已有定容燃烧弹的文献资料和本文研究需求,提出一种长方体20mm×20mm×100mm的小型扁平定容燃烧弹,并对定容燃烧弹的点火装置、进排气装置、压力传感器、温度传感器等进行了针对性设计。采用三维建模软件对定容燃烧弹模型进行建模及结构干涉性检查,为开展有限元分析及结构优化奠定基础。利用有限元法对模型零件进行结构力学分析,并根据强度理论对分析结果进行强度合理性的判断,根据等效应力、总位移及安全系数的仿真结果依次确定各零件可优化参数,通过对各零件模型进行响应面分析,确定了各零件参数的可优化空间,优化后单独零件均符合安全性要求。最后根据定容燃烧弹装配体有限元分析表明:优化后钢材料结构安全系数在5以上,紫铜柔性垫片安全系数在1.4左右;整体结构总位移由0.020102降为0.018587,燃烧室上下壁形变集中部分减少;整体质量由原来的18.03272 kg减小到11.9751 kg,减小了33.6%。

关键词：定容燃烧弹有限元法响应面分析轻量化结构优化

基于定容燃烧弹的柴油/环戊酮混合燃料喷雾与燃烧特性研究

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基于定容燃烧弹的柴油/环戊酮混合燃料喷雾与燃烧特性研究

作者：韩方浩长安大学

学位级别：硕士

在能源短缺与环境污染的双重压力下,内燃机不断向高效、清洁的方向发展。柴油机因其在功率输出及能量密度方面的优势,承载着我国大比例的运输任务,电动模式在此方面难以比拟。因此,寻求环保、可再生的替代燃料成为实现节能减排的重要手... 详细信息

在能源短缺与环境污染的双重压力下,内燃机不断向高效、清洁的方向发展。柴油机因其在功率输出及能量密度方面的优势,承载着我国大比例的运输任务,电动模式在此方面难以比拟。因此,寻求环保、可再生的替代燃料成为实现节能减排的重要手段。来源于木质纤维素的环戊酮是一种很有前景的生物燃料。首先,木质纤维素来源广泛,成本低廉,可再生性强;其次,环戊酮具有优良的燃料性能和较高的分子内氧含量,具有促进燃烧和减少排放的潜力,可用作柴油替代燃料。而目前对于环戊酮的研究仅限于制取工艺及反应动力学,尚未有研究者进行柴油-环戊酮掺混燃料的喷雾、燃烧基础研究。本文基于电加热式定容燃烧弹系统对柴油-环戊酮掺混燃料的喷雾及燃烧特性进行了研究。在4MPa、500K的环境下,利用高速相机基于直拍法及纹影法分析研究了D100、CP10、CP20三种燃料在不同燃油喷射压力(80、100、120、140MPa)下的喷雾过程。本文利用Matlab编写了纹影法喷雾图像的处理程序,结合不同差分算法,实现了紊乱背景下喷雾气相区域的分离。通过“小孤立区域”的剥离算法,实现了完整、连续的喷雾气相边界的获取。实验结果表明,加入环戊酮后燃料喷雾的韦伯数减小、雷诺数增加,喷雾边缘的波动加剧,气、液混合区域得到拓展。CP20的气相占比低于其余两种燃料,并且气相喷雾锥角在三者中最小,D100与CP10的气相喷雾锥角近似。CP10平均喷雾锥角的气相占比在三者中是较高的,在喷射压力较小时气相占比达到了32%。得益于较长的喷雾贯穿距与较大的平均宽度,CP10表现更大的喷雾体积。实验模拟了4MPa、800K的环境以进行燃料的燃烧特性研究。随着掺混比例的增加,燃料的滞燃期延长、燃烧持续期缩短、火焰浮起长度增加。在喷射压力为140MPa时,CP20的着火时刻相对于纯柴油推迟了12.68%,燃烧持续期缩短了23.33%。环戊酮对燃烧的促进作用,随着喷射压力的升高愈发显著。随着环戊酮掺混比的增大,火焰温度逐渐升高,KL因子总和与自然火焰发光强度显著降低。随着喷射压力的提高,环戊酮对KL因子总和与总光照强度的降低效应增强。当喷射压力提高到140MPa时,CP20的KL因子总和与总发光强度分别降低至同喷射压力下D100的18.55%与31.7%,降低至80MPa下D100的8%与11.7%。

关键词：环戊酮定容燃烧弹可视化纹影法双色法

基于定容燃烧弹的低热值气体掺氢火焰特性研究

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基于定容燃烧弹的低热值气体掺氢火焰特性研究

作者：李明亮北京交通大学

学位级别：硕士

随着能源的短缺和环境的日益恶化,对清洁能源的研究逐渐成为内燃机领域的研究热点。低热值气体比如说沼气、煤层气等气体被认为是现今比较有前途的清洁燃料之一,而氢气同天然气相比,具有火焰传播速率快,可燃范围广,点火能量低,排气中无... 详细信息

随着能源的短缺和环境的日益恶化,对清洁能源的研究逐渐成为内燃机领域的研究热点。低热值气体比如说沼气、煤层气等气体被认为是现今比较有前途的清洁燃料之一,而氢气同天然气相比,具有火焰传播速率快,可燃范围广,点火能量低,排气中无含碳污染物并且能够再生等优点。因此,低热值气体掺氢成为发动机研究的一大热点。本文设计了定容燃烧弹加热及温度控制系统,完成了定容燃烧弹加热及温度控制的整体搭建和安装,并针对这一系统进行性能测试;利用LabVIEW平台开发了定容燃烧弹试验监测系统,完成试验监测系统界面设计;完成了定容燃烧弹气体喷射湍流强度测量试验,并针对不同压力、不同位置处的气体流速和湍流强度进行数据处理,总结压力和位置对湍流强度的影响规律。结果表明随着压力不断增大,气体流速和湍流强度呈现上升趋势,而且位置越靠近射流器速度和湍流强度也在增大,不过位置的影响没有压力影响明显。此外在定容燃烧弹中开展了不同当量比、掺氢比例、初始温度、初始压力、不同的低热值气体内二氧化碳体积分数工况下低热值气体的层流燃烧试验,结果表明随着压力升高,无拉伸火焰传播速率下降,而温度提升会使火焰传播速度明显升高,但对火焰稳定性的影响不敏感;随着掺氢比的增加火焰的不稳定性也随着增加,燃烧会更加剧烈。掺氢比增大,燃烧的稀燃极限也随之扩展;在稀燃极限附近,会发生不完全燃烧,此时燃烧速率非常之慢,火焰受浮力的作用明显,燃烧中心发生偏移;另外掺混惰性气体会使火焰传播速度下降。

关键词：定容燃烧弹加热及温度控制掺氢燃烧湍流

基于定容燃烧弹的煤基F-T柴油含氧混合燃料喷雾与燃烧特性研究

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基于定容燃烧弹的煤基F-T柴油含氧混合燃料喷雾与燃烧特性研究

作者：刘钊长安大学

学位级别：硕士

基于我国“贫油富煤”的能源结构,煤炭间接液化F-T柴油因优良的理化性质和能促进煤炭清洁高效利用逐渐成为清洁代用燃料的研究热点,聚甲氧基二甲醚(PODE)和正丁醇作为新型可再生含氧燃油添加剂能改善燃料理化性质,促进燃烧,将F-T柴油与P... 详细信息

基于我国“贫油富煤”的能源结构,煤炭间接液化F-T柴油因优良的理化性质和能促进煤炭清洁高效利用逐渐成为清洁代用燃料的研究热点,聚甲氧基二甲醚(PODE)和正丁醇作为新型可再生含氧燃油添加剂能改善燃料理化性质,促进燃烧,将F-T柴油与PODE、正丁醇进行混合理论上能改善燃料的雾化特性和燃烧特性,本文按4:1的体积比配置了F-T柴油/PODE和F-T柴油/正丁醇的混合燃料,分别记为FP20和FBU20,基于定容燃烧弹试验平台,采用高速摄影法结合MATLAB图像处理技术,对比分析了柴油、F-T柴油、FP20和FBU20四种燃料在不同环境温度和环境压力下的喷雾特性和燃烧特性。环境条件对燃料喷雾特性影响的研究表明:与300K环境温度下相比,当环境温度升至773K时,D100、FT100、FP20、FBU20稳态液相喷雾贯穿距离分别减小了28.3%、48.5%、50.9%、53.3%,稳态液相喷雾面积分别减小了72.7%、87.2%、87.5%、88.5%,稳态液相喷雾锥角在环境温度升至673K后会显著减小,温度继续升高对稳态液相喷雾锥角的影响不大。环境压力的升高会增大空气阻力,促进油束的发散,与3MPa环境压力下相比,当环境压力升至4MPa时,D100、FT100、FP20和FBU2最大液相喷雾贯穿距离分别减小了9.3%、8.5%、7.5%、9.8%,液相喷雾锥角分别增加了10.0%、10.5%、5.1%、5.0%,最大液相喷雾面积分别减小了10.2%、12.2%、10.4%、12.9%。环境条件对燃料燃烧特性影响的研究表明:D100和FT100受自身理化性质影响,在环境温度和环境压力升高后,火焰在轴向发展较为明显,同时火焰前锋面也会变宽,在F-T柴油中加入PODE和正丁醇后,火焰形态接近球形。环境温度的升高会缩短滞燃期,着火位置也更加靠近喷嘴,与800K下相比,当环境温度升至850K时,D100、FT100、FP20、FBU20的发光滞燃期分别缩短了30.0%、30.8%、48.0%、35.6%,火焰浮起长度分别减小了8.3%、20.4%、29.0%、16.0%;与3MPa下相比,当环境压力升至4MPa时,D100、FT100、FP20、FBU20的发光滞燃期分别缩短了20.9%、15.6%、29.7%、20.8%,火焰浮起长度分别减小了10.7%、21.6%、27.1%、21.8%。环境温度和环境压力的升高均会造成滞燃期缩短,火焰浮起长度减小,导致扩散燃烧比例提高,从而造成四种燃料的火焰面积和火焰发光强度有不同程度的增大。在4MPa、773K环境条件下对比分析了四种燃料的喷雾特性,结果表明:FT100、FP20和FBU20因良好的雾化蒸发性能,其稳态液相喷雾贯穿距离、稳态液相喷雾面积和稳态液相喷雾锥角均小于柴油。与D100相比,FT100的稳态液相喷雾贯穿距离和稳态液相喷雾面积分别减小了26.7%和51.3%,与FT100相比,FP20、FBU20的稳态液相喷雾贯穿距离分别减小了4.7%、11.1%,稳态液相喷雾面积分别减小了6.1%、17.3%,而FT100、FP20和FBU20的稳态液相喷雾锥角相差不超过0.2°。在4MPa、850K环境条件下对比分析了四种燃料的燃烧特性,结果表明:与D100相比,FT100的发光滞燃期和火焰浮起长度分别减小了22.9%和43.6%,与FT100相比,FP20和FBU20火焰浮起长度分别增大了36.8%和44.1%,FP20因掺入高十六烷值和高含氧量的PODE,发光滞燃期缩短了3.7%,FBU20受到正丁醇高汽化潜热和低十六烷值的影响,发光滞燃期延长了40.1%;在该环境条件下,与D100相比,FT100的火焰面积峰值增大了8.5%,而火焰发光强度峰值减小了18.2%;PODE和正丁醇因能改善燃料的雾化蒸发特性,增加燃料含氧量,减少碳烟的生成,与FT100相比,FP20和FBU20的火焰面积峰值分别减小了31.2%和28.4%,火焰发光强度峰值分别减小了44.1%和37.9%。双色测温法计算结果表明:在F-T柴油中加入PODE和正丁醇后,混合燃料的碳烟生成减少且燃烧温度降低,并且FP20具有更高的含氧量和更好的雾化特性,使其降低碳烟的效果优于FBU20。

关键词：定容燃烧弹 F-T柴油聚甲氧基二甲醚正丁醇喷雾特性燃烧特性

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定容燃烧弹内闪沸燃烧研究

定容燃烧弹内闪沸燃烧研究

2023中国汽车工程学会年会暨展览会

作者：罗徐霖李岩松崔明利孔令逊李雪松许敏上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学密西根学院

闪沸喷雾作为一种相变喷雾形式,在替代燃料和零碳燃料的燃烧方面具有重要意义。然而当前的研究大部分集中在喷雾形态研究上,对燃烧机理的研究较少。故本文使用定容燃烧弹对稀薄工况下的闪沸喷雾雾化和燃烧过程进行分析,重点研究闪沸喷... 详细信息

闪沸喷雾作为一种相变喷雾形式,在替代燃料和零碳燃料的燃烧方面具有重要意义。然而当前的研究大部分集中在喷雾形态研究上,对燃烧机理的研究较少。故本文使用定容燃烧弹对稀薄工况下的闪沸喷雾雾化和燃烧过程进行分析,重点研究闪沸喷雾特性、混合气着火特性、火焰传播特性和燃烧放热特性。结果表明,闪沸喷雾能有效降低着火延迟,提升火焰速度,从而有利于能量转换,实现更快的放热率和更高的放热量。并且闪沸喷雾火焰前端形状更加规则,表明更加稳定的火焰传播,有助于提升发动机的热效率和稀燃条件下的燃烧稳定性。

关键词：闪沸喷雾雾化稀薄燃烧定容燃烧弹高速成像

来源： cnki会议评论

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长方体定容燃烧弹中爆震燃烧过程研究

长方体定容燃烧弹中爆震燃烧过程研究

作者：梁毅上海交通大学

学位级别：硕士

由于爆震受多方面因素共同影响,且这些因素往往是相互耦合在一起,直接在内燃机上对各因素解耦进而研究单一独立因素对爆震的影响几乎不可能。针对以上问题,本文首先基于化学反应动力学耦合G方程火焰传播模型建立了长方体定容燃烧弹内的... 详细信息

由于爆震受多方面因素共同影响,且这些因素往往是相互耦合在一起,直接在内燃机上对各因素解耦进而研究单一独立因素对爆震的影响几乎不可能。针对以上问题,本文首先基于化学反应动力学耦合G方程火焰传播模型建立了长方体定容燃烧弹内的爆震燃烧三维仿真模型;其次,在该仿真模型基础上把初始混合气压力、温度和初始末端壁面温度设为独立变量,系统地研究了各变量对正庚烷/空气混合气的爆震界限、爆震强度及末端混合气自燃模式的影响。仿真结果表明:1)初始混合气压力、温度是决定爆震与否的主要因素,初始末端壁面温度对爆震界限的影响相对较小。当初始混合气压力低于0.25MPa时,在30000 K范围内无论初始混合气温度和初始末端壁面温度如何变化,都不会发生爆震。在初始混合气温度低于450 K时,无论如何改变初始混合气压力(在0.2.5 MPa之间)和初始末端壁面温度(在30000 K之间)也都不会发生爆震。2)随着初始混合气压力、温度提高,爆震时刻提前,爆震强度增大;在发生爆震的工况下,初始末端壁面温度在550 K00 K范围内变化时最大压力振幅基本上稳定在某个值左右,提高到1000 K时会使得最大压力振幅有所降低,即爆震强度有所减弱。3)初始末端壁面温度是影响末端混合气自燃模式的主导因素,初始混合气压力、温度对自燃模式的影响相对较小。4)研究发现可以采用最大压力振幅作为发生爆震与否的判据,只要压力振幅不高于0.02 MPa即不会发生爆震,压力振幅首次达到0.02MPa时认为是爆震开始时刻。最后,在长方体定容燃烧弹实验系统通过高速摄影观察到了以初始混合气压力为独立变量变化时对火焰锋面的形态特征的影响,同时从火焰锋面验证了仿真结果的正确性。

关键词：爆震燃烧定容燃烧弹汽油/空气混合气自燃