摘 要

本文采用模拟和实验相结合的手段，对定容弹加热过程中弹体内流体介质的瞬态温度场进行了分析研究。在模拟方面，主要采用Fluent软件对弹体内流体介质温度场进行瞬态模拟；在实验方面，利用热电偶和红外热像仪对定容弹弹体内流体介质的温度场进行实际测量。在利用实验测量结果验证了模拟结果的准确性后，论文对模拟结果进行了分析，得到了定容弹加热过程中弹体内流体介质的温度场的分布特征。根据分析的结果，提出了对设计定容弹的尺寸提出了合理的建议。

本文的具体结论如下：

（1）在定容弹加热过程中，弹体内上部空间的流体介质温度高于下部空间；

（2）由于定容弹两端面会与室内空气发生自然对流，因此靠近两端的弹体部分温度会较低；

（3）可视化窗口由于其材料的导热性能很差，其附近的流体介质温度明显低于远离窗口处。

本文针对以上结论对定容弹的设计提出了以下改进措施：

（1）为了降低加热过程温度不均的影响，尤其是可视化窗口附近温度的较低带来的不利影响，应当适当加长定容弹腔室在轴向的长度；

（2）对定容弹两端的碳钢结构表面增加保温措施或者提供合理的加热方式,同时加强定容单底部的加热效果。

关键词：定容弹；流体介质；温度场；模拟；加热过程

Abstract

In this thesis, by using the combined means of simulation and experiment, the temperature field of heating fluid medium which exist in constant volume combustion bomb is studied.  In terms of simulation, the transient temperature field of the fluid medium in the process of heating is simulated by using FLUENT software in this paper; as for experiment, thermocouple and infrared thermal imager are used to measure the temperature field of the fluid medium. In this thesis, after the reliability of simulation results are verified by the experiment, the temperature field distribution characteristics of the fluid in the heating process are obtained by the corresponding analysis of the simulation results. According to the analysis results, it is concluded that improving the heating efficiency can be obtained by changing the size of constant volume combustion bomb.

The conclusions and recommendations are as follows:

(1)In the process of heating, the temperature of upper part in the constant volume combustion bomb is higher than that of lower part;

(2)Without insulation measures at the both ends of the constant volume combustion bomb, the temperature is lower near the ends;

(3)Because of poor thermal conductivity of glass material, the temperature of fluid medium by glass window is lower than that of the nearby steel structure.

In this thesis, based on above conclusions some measures are proposed on design of constant volume combustion bomb:

(1)To weaken the disadvantage of glass window, the axial size of constant volume combustion bomb can be increased properly;

(2)At the both ends of the constant volume combustion bomb, heating measures should be taken; meanwhile, at the bottom the similar measures should be taken.

Key words: constant volume combustion bomb; fluid medium; temperature field; simulation; process of heating

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 研究现状 1

1.3 研究内容及技术方案 2

第2章 模拟和实验测量方法 4

2.1 FLUENT软件简介 4

2.2定容弹几何模型 5

2.3 传热计算模型 6

2.3.1网格划分 6

2.3.2传热方式分析 8

2.3.3模拟计算方法 9

2.4实验测量方法 11

2.4.1热电偶测量 11

2.4.2红外热像仪测量 11

第3章 数值模拟及实验结果分析 13

3.1模拟与试验测量结果的对比验证 13

3.2不同模拟结果的对比（是否考虑流动方程） 13

第4章 总结与展望 17

4.1总结 17

4.2展望 17

致谢 20

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

能源危机与环境恶化使得人们对降低内燃机燃油消耗率和有害物质的排放的要求越来越高。因此需要对内燃机的燃烧过程进行研究。实际中内燃机的燃烧过程是非常复杂的，燃烧基础研究在模拟燃烧的设备上进行，尤以在定容燃烧弹中进行的居多。

定容弹是球形火焰传播试验系统。它是一种良好的介于理论分析和实际应用之间的研究载体。定容燃烧弹是在固定容积内，使可燃混合气燃烧的设备，由于实验的要求和目的的差异性，导致定容弹的结构众多。一般定容弹包括弹体，混合气配制系统加热系统，燃料注入系统，点火系统，动态压力测量系统，温度测量系统，高速摄影系统以及控制系统等部分组成^[1]。

当测定燃料在高于常温条件下的层流燃烧速度时，需要对定容弹进行加热。目前，对定容弹加热一般采用在定容弹弹体上绑加热带的方式，而加热带的绑扎方式对定容弹内温度场的分布会产生很大影响。尽管可以通过合理布置加热带的位置可以改善定容弹的温度场均匀度。但是现在的定容弹通常是可视化的。其配备了玻璃窗口，以便于对流体介质的温度进行观测。可视化的设计带来好处的同时也给定容弹带来了不利的影响。玻璃材料在比热容，热传导性质方面与碳钢存在较大的差异。定容弹壳体大部分是碳钢组成，碳钢具有良好的热传导性能，而玻璃材料通常热传导性能较差。因此可视化窗口附近的流体介质温度会受到较大的影响。所以对定容弹弹体内流体介质的温度场进行分析是十分有必要的。

本文的研究意义在于利用有限体积法和实验测量的方式对定容弹内流体介质在加热状态下的温度场进行分析，得出了定容弹内流体介质在加热状态下温度场的分布规律，从而得出定容弹在可视化窗口的垂向上合理的尺寸。在这一尺寸下，燃烧不会受可视化窗口的影响，为分析温度对燃料层流燃烧速度的影响提供基础保障。

1.2 研究现状

目前国内对定容燃烧弹的开发和设计，主要是用来研究混合燃料的燃烧特性。天津大学姚春德、代乾、许汉君等人利用定容燃烧弹平台进行了在甲醇空气高温热氛围中柴油的着火和燃烧特性的试验研究，并且对燃烧反应过程和中间产物进行了分析计算^[2]。西安交通大学的常铭等人利用定容弹研究初始温度/压力对天然气层流燃烧速率的影响,他们发现火焰燃烧速率和层流燃烧速率均随着初始温度的升高而提高^[3]。北京交通大学硕士李明亮做了基于定容燃烧弹的低热值气体掺氢火焰特性研究，研究结果表明初始温度的提升，使得测得的火焰传播速度明显增大^[4]。

对于层流燃烧火焰的研究方面，Aung和Hassan等人采用典型化学反应机理的数值模拟证明了火焰拉伸对层流燃烧速度的影响，并计算出在常温常压下、当量比为0.3~5.0时氢气层流燃烧速度和马克斯坦长度；Konp和Benkenida等人根据氢气燃烧的特点4，在考虑层流燃烧速度和火焰厚度之间的关系上，修正了燃烧模型，利用CFD进行了氢气层流燃烧速度的数值计算和内燃机氮氧化物的排放预测。

武汉理工大学刘磊、孙俊、李格升、吕晓辉进行了基于Fluent的定容燃烧弹内预混层流燃烧模拟，重点分析了火焰的变化规^[5]。清华大学周建兴、朴英、岂兴明等人进行了台阶喷射燃烧室和支杆喷射燃烧室两种超声速燃烧室内的三维数值研究。

在对温度场进行模拟分析方面，青岛大学赵玉垒，张纪鹏等人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^[6]。宋满仓，赵丹阳，王敏杰，刘斌通过分析型材冷却过程中的热传递方式，对计算模型初始条件和边界条件进行更加合理的假设，利用ANSYS软件完成了塑料异型材在定型模内冷却过程的数值模拟。通过对模拟结果的分析，给出相应的定型模水道设计^[7]。

Mario Pisaturo和Adolfo Senatore对汽车干式离合器的温度场进行了模拟，用有限元法预测了离合器摩擦面的温升^[8]。

综上所述，对于层流燃烧速度的研究主要集中在初始温度/压力，火焰拉伸对层流燃烧速度的影响，火焰厚度与层流燃烧速度的关系^[9]。在测量精度方面，点火，非稳定性，气体压缩非球对称等因素在球形火焰测量法中的影响已经得到了系统的研究^[10-13]。以上所做的研究都是基于燃烧燃料是均质混合气。常温下，层流燃烧速度的初始条件很容易满足。实际中内燃机的燃烧是在高温条件下发生的，测定高温高压火焰的传播速度是十分必要^[14]。在实验室中测定高温条件下的层流燃烧速度需要对定容弹加热。但是加热中，定容弹腔室内的温度场不十分均匀。对于测定的层流燃烧速度的精确度要求很高时，有必要了解腔室内的温度场分布。

对于定容弹的温度场，目前开展的研究并不多，并且都存在一定问题。青岛大学的林辉等通过在定容弹内布置热电偶的方式对定容弹内的温度场分布进行了实验研究，而在实际实验中，定容弹中温度的检测点的数量和布置形式往往有限，所以很难全面反映出定容弹弹体内壁温度场的分布和变化情况；赵玉垒等利用有限元模拟软件对定容弹温度场的分布进行了模拟研究，但是其模拟结果没有经过实验手段的验证，无法确定其准确性。

综上所述可以看出，相关研究在对温度场分布这一问题进行研究时，采取的手段都比较单一。因此，在本论文中，将采用模拟与实验结合的方法，对定容弹弹体内流体介质的温度场分布情况进行研究。本文通过Fluent软件对处于加热过程中的定容弹及其腔室进行理论建模，得出流体介质的瞬态温度场分布，再利用热电偶对流体所在的腔室中某些位置进行实际测量，同时用红外热像仪拍摄温度场，以验证模拟结果。通过分析，给出在设计定容弹时其在可视化窗口垂向上的合理尺寸极限。

1.3 研究内容及技术方案

本文的研究内容主要有如下几点：

（1） 建立定容弹的几何模型和传热模型，基于Fluent对定容燃烧弹内流体介质的瞬态温度场进行模拟

（2）利用热电偶和红外热像仪对定容弹内流体介质的温度进行测量，并将测量结果与模拟结果进行比较，以对模拟结果进行验证。在此基础上，分析模拟结果中不同时刻下定容弹弹体内流体介质的温度场分布；

（3）综合对比定容弹弹体内温度场的仿真结果与实验结果。改变定容弹相关尺寸，再次进行模拟实验。结合实际的燃烧背景知识，得到合理的加热时间及定容弹在相关方向的尺寸设计。