将点火与火焰联系起来的理论为更好的内燃机提供了路线图

在2024年1月18日发表在《流体物理学》杂志上的一项研究中，东北大学的研究人员从理论上将燃烧系统中的点火和爆燃联系起来，由于可能存在任意数量的稳态燃烧，因此解锁了稳定、高效的内燃机的新配置。状态解决方案。

东北大学流体科学研究所的YouhiMorii表示：“这项研究通过提高内燃机的效率来直接应对减少二氧化碳排放的挑战，内燃机是二氧化碳排放的重要来源。”

“更好地了解燃烧动力学也将支持开发更安全、更可持续的工程解决方案，”同样来自流体科学研究所的KaoruMaruta说。

燃烧动力学涉及复杂的耦合流体和化学反应。研究人员使用计算流体动力学来帮助他们更好地理解和控制该过程。

如果能够利用在稳态下稳定运行并对小扰动具有一定容忍范围的系统，将简化燃烧器的结构和控制，并增加新燃烧器设计商业化的可行性。

为了探索这个概念，东北大学的研究人员考虑了一个简单的一维反应流系统，其中未燃烧的预混合气体从左侧入口边界进入燃烧室，而燃烧后的气体或爆燃波从右侧出口边界退出。

到目前为止的工作理论认为，只有当入口速度与爆燃波(以亚音速传播)的速度或爆震波的速度(一种冲击反应，其中离开的火焰发生碰撞时)的速度相匹配时，才存在稳态解。以超音速行驶。

然而，这种传统观点是基于这样的假设：预热区的化学反应可以忽略不计。最近的研究强调了所谓的“自燃辅助火焰”的重要性，其中借助火焰前面的化学反应，在热的未燃烧的预混合气体混合物中传播的爆燃具有更快的传播速度。这表明存在多种稳态解，它们会影响气体在爆燃前停留的停留时间。

基于这些发现，东北大学的研究人员设计了一种理论，成功地弥合了点火波和爆燃波之间的差距，揭示了当他们考虑“自燃反应波”(一种受到影响的波)时，可能存在其他稳态解决方案。通过在预热区点火，但其行为类似于爆燃波。

Morii表示：“普遍的观点认为，亚音速一维系统中的爆燃波只存在单一稳态解，而我们的方法提出了无限数量的自燃反应波等解，并断言点火和火焰具有内在联系。”说。

这意味着稳态解不仅存在于入口速度与爆燃波或爆震波速度相匹配的两个点处，而且如果考虑自燃条件，稳态解还存在于更广泛的区域中。

该团队进一步将该理论扩展到涉及超音速入口速度的场景。在超音速状态下，传统的理解是只有当入口速度与爆轰波速度匹配时才有可能得到稳态解。然而，鉴于自燃反应波源自零维点火，研究人员认为它应该与入口速度无关。

“我们认为，即使在超音速条件下，自燃反应波也存在无数稳态解，”森井说。

通过从理论上将点火和火焰联系起来，现在可以从新的角度来考虑发动机。考虑点火现象提供了更稳定燃烧的可能性，从而产生了一种比传统发动机更高效的新发动机概念的想法。

森井说：“这项稳定自燃反应波的工作标志着一项根本性突破，有可能彻底改变燃烧系统的设计，特别是在超音速燃烧领域。”

虽然理论和数值结果提供了一种新的发动机概念，但尚未经过实验验证。因此，该团队计划通过联合研究进一步进行实验验证，将研究成果应用于实际发动机。