利用HRCARS与磷光测温对瞬态发动机相关过程热边界层及其热损失的实验研究
流体动力学
2021-08-19 v1
摘要
高效、小型化活塞发动机的设计需要理解瞬态壁面热损失。为此必须测量随空间和时间演化的热边界层（TBL）。本研究利用飞秒/皮秒混合转动相干反斯托克斯拉曼光谱（HRCARS）测量单发、壁面法向气体温度，从而独家获取TBL信息；并采用磷光测温测量壁温。实验在定容燃烧室内进行，该燃烧室通过瞬态压力升/降来模拟发动机相关的压缩/膨胀过程。这一简化环境有助于开展与发动机相关过程相关的基础边界层研究。在两个发动机相关工况下评估TBL的发展及相应热损失：（1）由气体压缩组成的未燃气体工况；（2）包含高温压缩/膨胀过程的已燃气体工况。在这些工况下评估了气体/壁温、TBL厚度、壁面热流密度及壁面相对能量损失等边界层重要量的时间历程。在温和压缩期间，Tcore升高30 K，TBL起始厚度δT ~ 200 μm；壁面热流密度低于6 kW/m²，但对应每毫秒约6%的能量损失。在已燃气体工况中，Tcore接近绝热火焰温度，而Twall升高16 K；随着δT从290 μm增至730 μm，TBL迅速发育。火焰撞击后能量损失超过25%，并在膨胀末期缓慢衰减至约10%。测量还分辨出膨胀过程中新鲜气体与已燃气体的热混合，导致TBL内出现强烈温度逆转。研究结果与典型环境对比，揭示了发动机相关过程中瞬态TBL的特性。
引用
@article{arxiv.2108.08213,
title = {Experimental investigation of thermal boundary layers and associated heat loss for transient engine-relevant processes using HRCARS and phosphor thermometry},
author = {Anthony O. Ojo and David Escofet-Martin and Joshua Collins and Gabriele Falconetti and Brian Peterson},
journal= {arXiv preprint arXiv:2108.08213},
year = {2021}
}
备注
25 pages, 12 figures (at end of document)