工程热物理学科进展

工程热物理学科进展第1页，共80页，2023年，2月20日，星期一动力工程及工程热物理学科进展讲座热力学传热与传质

燃烧学多相流内流\外流新能源\可再生能源第2页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧学燃烧学是研究着火、熄火、燃烧过程和机理的学科。燃烧是指燃料与氧化剂发生强烈化学反应，并伴有发光发热的现象。燃烧不单纯是化学反应，而是反应、流动、传热和传质并存、相互作用的复杂的物理化学现象。燃烧学的研究内容包括燃烧过程的热力学，燃烧反应的动力学，着火和熄火理论，预混气体的层流和湍流燃烧，气体、液体和固体燃料燃烧，液滴和煤粒燃烧、液雾、煤粉和流化床燃烧，发动机燃烧，推进剂燃烧，超音速燃烧，爆震燃烧，边界层和射流中的燃烧，湍流和两相燃烧的数学模型，火灾以及燃烧的激光诊断等。

第3页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧学燃烧学依其研究内容可划分成

基础燃烧学

气液燃料燃烧

固体燃料燃烧

火灾燃烧

燃烧诊断第4页，共80页，2023年，2月20日，星期一动力工程及工程热物理学科进展讲座概论发动机燃烧

煤燃烧

火灾燃烧第5页，共80页，2023年，2月20日，星期一目前全世界能源总消费量约为130亿吨标准煤，化石能源占85%以上工业国家能源消费早期经历了由煤炭向石油、天然气等优质能源转变，再进一步向可再生能源过渡为实现可持续发展，欧洲、日本等正大力发展风电、太阳能、生物质能等可再生能源，每年增长率达30%以上世界能源发展趋势第6页，共80页，2023年，2月20日，星期一美国能源部对世界常规石油产量高峰值的预测0102030405060701900192519501975200020252050207521002125历史中(3,003)低(2,248)高(3,896)

2%需求增长率下降率:R/P=10(高)2047(中)2037(低)2026十亿桶/年第7页，共80页，2023年，2月20日，星期一世界能源发展趋势（续）化石燃料峰值在2030左右2060年左右可再生能源接近总能源消费量的一半可再生能源核能水电天然气石油煤炭传统生物能B.tce第8页，共80页，2023年，2月20日，星期一世界能源发展趋势（续）人均能源消费量与人均GDP的增长有很强的相关性从世界范围看，人均GDP达1万美元（中等发达国家水平）以前，人均能源消费量增长较快，其值约为4吨标煤，其后增长变缓在人均GDP达1万美元阶段，日本人均能源消费量为4.25吨标煤(1980年)，韩国为4.07吨标煤(1997年)，而美国为8吨标煤(1960年)第9页，共80页，2023年，2月20日，星期一0050001000015000200002500030000100002000030000400005000060000万吨油当量GDP/（1990年盖凯）亿美元□日本●意大利○法国△德国

英国━韩国+中国台湾6000050000400003000020000100000050001000015000200002500030000万吨油当量典型工业化国家/地区能源消费总量与GDP总量的关系第10页，共80页，2023年，2月20日，星期一世界能源发展趋势（续）05,00010,00015,00020,00025,00019601970197519801985199019951999美元/人美国（人均PPP）日本韩国中国0.002.004.006.008.0010.0012.00吨标煤/人美国（人均能源消费）日本韩国中国第11页，共80页，2023年，2月20日，星期一国际能源科技发展计划

面向21世纪的可持续发展，美国、欧洲、日本等倡导了一系列新的能源科技发展计划Vision21,FutureGen-发展以煤气化为基础的多联产技术，以实现煤的高效、清洁利用，制氢和实现CO2近零排放。GenerationIV-开发新一代先进核能技术，国际核电呈复苏趋势。FreedomCar

-发展氢能和燃料电池技术，逐步实现向氢能经济过渡。Grid2030-发展高度安全可靠的超级电网技术。可再生能源快速增长，到本世纪中将成为能源供应的重要组成部分。第12页，共80页，2023年，2月20日，星期一2002年我国能源状况一次能源消费量为14.8亿吨标准煤，产量为13.87亿吨标准煤，为世界第二大能源消费国一次能源以煤为主，占近70%人均能源消费水平还很低，只有世界平均水平的一半发电装机容量3.57亿千瓦，居世界第2位近年来我国能源需求已呈明显增长的趋势第13页，共80页，2023年，2月20日，星期一未来我国能源需求预测2020年，我国一次能源需求值在25~33亿吨标煤之间，均值是29亿吨标煤煤炭：21~29亿吨石油：4.0~4.5亿吨天然气：1600~2000亿立方米发电装机容量：8.6~9.5亿千瓦2050年要达到目前中等发达国家水平，人均能源消耗应达3.0吨标煤以上，能源需求总量约为50亿吨标煤第14页，共80页，2023年，2月20日，星期一我国能源面临的矛盾与挑战1、供需矛盾尖锐，石油安全问题凸现

我国人均能源可采储量远低于世界平均水平2020年需大量进口石油和天然气我国煤炭资源丰富，但探明程度低，可供建矿的精查储量严重不足

到2050年，我国能源供应将更为严峻，国内常规能源难以满足需求的增长第15页，共80页，2023年，2月20日，星期一2050年中国常规能源供应情景分析煤炭:占50%以下，年产35亿吨，相当于目前全世界产量的80%石油：2020年达到2亿吨的高峰，之后逐年下降，2050年约1.2亿吨天然气:估计约2000亿m3水电:400MW核电:340MW，相当于目前全世界核电的装机容量

全部常规能源供应只相当于33亿吨标煤第16页，共80页，2023年，2月20日，星期一未来我国能源供应情景分析第17页，共80页，2023年，2月20日，星期一全国石油产量高峰约1.7-2.1亿吨，将出现在2010-2020年间2050年以前全国石油年产量可保持在1亿吨以上未来50年全国石油产量预测（翁氏模型法）第18页，共80页，2023年，2月20日，星期一我国能源面临的矛盾与挑战（续）

我国能源效率约为31.2%，与先进国家相差10个百分点，主要工业产品单位能耗比先进国家高出20-50%以上目前，我国正面临着重化工业新一轮增长，国际制造业转移以及城市化进程加速的新情况，经济发展对能源的依赖度增大，能源翻一番保GDP翻两番的任务艰巨2、能源利用效率低下，节能任务十分艰巨第19页，共80页，2023年，2月20日，星期一我国能源面临的矛盾与挑战（续）从环境容量看，二氧化硫为1620万吨，氮氧化物为1880万吨，到2020年，如不采取措施，两者的排放量将分别达到4000万吨和3500万吨我国CO2的排放量已成为世界第2位，未来将面临巨大的国际压力3、环境污染严重，可持续发展面临较大压力第20页，共80页，2023年，2月20日，星期一“三步走”发展战略与目标2020年：力争能源翻一番，实现GDP翻两番节能优先、优化结构、提高能效，建设节能型社会以煤为主，依靠科技进步，走出一条具有中国特色的煤炭高效、清洁开发利用道路采取综合措施，推进替代燃料技术发展和应用，建立石油安全保障体系第21页，共80页，2023年，2月20日，星期一“三步走”发展阶段与目标（续）2035年：能源多元化发展初具规模加速发展核能，力争在2035年左右使核电在发电中比重达到16%，成为“核电大国”积极发展风能、生物质能和太阳能，可再生能源实现规模化发展氢能燃料电池汽车实现商业化应用第22页，共80页，2023年，2月20日，星期一“三步走”发展阶段与目标（续）2050年：初步实现能源可持续发展煤炭在一次能源中比重减小到50%以下2035年后，新增的能源需求主要由可生能源和核能等新能源提供，使其占有比重超过30%氢燃料动力汽车成为交通运输的重要组成部分，大量减少石油的进口第23页，共80页，2023年，2月20日，星期一基础燃烧学基础燃烧学研究的主要任务建立并发展受流动、传热传质和化学反应相互作用控制的燃烧过程的理论描述方法和数学物理模型；寻求数学物理模型在各种条件下的数值解和在某些特定条件下的分析解，发展相关的数值计算方法和理论分析方法；将燃烧理论模型应用于煤燃烧、发动机燃烧和火灾等工程实际燃烧问题的研究中。第24页，共80页，2023年，2月20日，星期一基础燃烧学

研究与发展趋势燃烧化学反应动力学和层流燃烧的研究湍流-复杂化学反应相互作用的理论模型研究湍流多相燃烧的理论模型研究湍流燃烧的大涡模拟和直接模拟研究燃烧理论在工程实际燃烧问题中的应用研究第25页，共80页，2023年，2月20日，星期一固体燃料燃烧固体燃料燃烧煤燃烧固体废弃物燃烧（垃圾燃烧）研究与发展趋势煤的清洁燃烧煤燃烧中的污染物生成、迁移及控制燃烧过程数值计算多联产资源化利用CO2减排技术

第26页，共80页，2023年，2月20日，星期一火灾燃烧火灾的发生、发展和防治的规律既不具有完全的确定性，也不是完全随机的，而是兼有确定性和随机性的双重特点。所谓确定性，是指对于周围环境和火源条件均给定的火灾，它的发生发展的过程及其规律都是确定的；随机性是指从总体上来看，火灾的发生原因、发火形式、发生环境、可燃物种类及其分布等诸多因素是不确定的。研究手段实验模拟和计算机模拟第27页，共80页，2023年，2月20日，星期一火灾燃烧重点和主要任务针对火灾形成与发展的共性科学问题城市重大火灾的预防与控制重点工程（地下工程、森林生态工程、煤田与矿井、工业企业）火灾的预防与控制火灾孕育、发生和发展乃至突变成灾的过程火灾系统和外界环境、人相互作用机理与规律第28页，共80页，2023年，2月20日，星期一发动机燃烧从燃烧发动机已经有100年历史，近20~30年来燃烧发动机的技术取得了突飞猛进的发展，发动机的热效率获得明显提高，排放得到有效控制燃烧基础研究的进展和燃烧控制技术的提高对燃烧发动机的改进起到了至关重要的作用。

第29页，共80页，2023年，2月20日，星期一发动机燃烧目前为止燃烧发动机仍主要依靠石油类燃料;石油资源的短缺和石油燃烧所带来的大气污染问题已成为全世界面临的重大问题;燃烧发动机的研究将主要集中在现有石油类燃料发动机的节能和污染物控制、石油替代燃料发动机、可再生能源发动机和新型燃烧方式发动机上;目标是通过石油类燃料发动机节能延长石油资源的使用期，开发燃烧发动机的石油替代燃料实现发动机的燃料替代，开发新型发动机燃烧技术实现高效清洁燃烧;为实现上述目标，需要在发动机燃烧方面开展系统深入的基础研究和应用基础研究，为发动机技术的不断发展提供理论支撑和技术创新源泉。

第30页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机

内燃机高效、清洁燃烧一直是内燃机研究与发展中的关键问题能源（主要是石油资源）匮乏和环境恶化是当前人类面临的两大挑战汽车及内燃机既是石油资源的主要消耗者，也是大气特别是城市大气污染的主要来源随着我国汽车工业的迅速发展和汽车保有量的不断增加，燃料的使用量也将大幅度增加，节约能源与降低汽车尾气污染已成为我国当前迫切需要解决的主要问题研究开发高效低污染发动机和清洁代用燃料发动机对提高能源利用效率，降低城市空气污染，保护环境有十分重要的现实意义和深远的社会经济效益第31页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机我国煤炭资源相对丰富，但石油资源非常短缺，而近年来石油需求直线上升，我国从1993年开始成为石油进口国，1999年进口石油4000万吨，2003年进口石油达9300万吨，到2004年增至1.2亿吨，占国内原油需求总量的35%,中国已成为世界上主要的石油进口国。根据国际能源机构预测，2010年中国石油消费的61%、2020年石油消费量的76.9%要依靠进口。我国目前的石油进口量已超过石油消费量的30%，随着我国经济的进一步发展和汽车拥有量的增加，石油资源的供给矛盾将更加突出并影响到我国经济发展和能源战略安全问题。因此，提高石油类燃料发动机节能和开发石油替代燃料发动机就成为我国今后需要重点解决的关键问题。第32页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机石油类燃料的主要消费者是汽车，我国汽车保有量达1650万辆（不含农用车）并且每年以15%速度增长，这些汽车大部分集中在大中城市，汽车尾气排放是造成城市大气污染的主要来源。据环保部门统计，2002年我国机动车排放占城市大气污染的比例为：北京市一氧化碳(CO)达63%，氮氧化合物(NOx)达40%，碳氢化合物(HC)达74%；上海市一氧化碳(CO)达86%，氮氧化合物(NOx)达56%，碳氢化合物(HC)达96%。目前北京市的汽车保有量约为200万辆，远远低于洛杉矶和东京，但其排放量却与这两个城市相当，因此，石油类燃料燃烧污染物控制也将是我国今后迫切需要解决的主要问题。第33页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机燃烧污染物控制既涉及到现有石油类燃料（柴油、汽油、天然气、液化石油气）的洁净利用技术，也涉及到开发和研制高效清洁新型石油替代燃料，如二甲醚、甲醇、乙醇、汽油醇，生物柴油、煤制柴油（FT油）、氢气等，这些石油替代燃料可从煤，植物、生物质中制取，对缓解石油燃料短缺起到一定的补充作用。因此，我国今后缓解石油类能源紧张的主要途径仍将是提高现有石油类燃料的利用效率（节能）和研究开发各种高效清洁的石油替代燃料两方面。第34页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机从煤炭中合成柴油和汽油可制备高品质、低污染的发动机燃料，西部地区煤炭资源丰富，通过将煤转化成柴油和汽油，既可缓解我国石油资源短缺问题，也可为高效低污染发动机提供高品质燃料。从煤中大规模制取二甲醚制造成本低，二甲醚被认为是未来实现柴油机超低污染的最具前途的替代燃料。氢能被认为是石油燃料后的主要能源，天然气发动机存在燃烧速率慢、燃油经济性差的缺点，采用天然气+氢气混合燃料发动机将实现发动机的高效低污染燃烧过程，也为氢能在发动机上的应用提供一条新的途径。因此，集中力量开展汽车发动机上石油类燃料的节能和研究开发高效清洁的汽车发动机石油替代燃料至关重要。第35页，共80页，2023年，2月20日，星期一DieselCombustionConceptualModelFuelgoesthroughatwo-stageoxidationprocessSootisformedinthefuel-richpremixedzoneliquidcore~350Krichfuel/airmixture(=2to4)premixedcombustion(~1700K)sootgrowth&coagulationstoichfuel/airmixturediffusionflame(~2500K)fuelevaporation~750Kendofcompression~900K~40barformationofsootprecursors&sootpartialsootoxidationJ.Dec,SAE970873第36页，共80页，2023年，2月20日，星期一发动机燃烧过程第37页，共80页，2023年，2月20日，星期一第38页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧图像

DieselDiesel+CO2第39页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机

近几年，国内外在发动机研究方面开展了大量的研究工作，归纳起来，主要反映在以下几个方面：柴油机燃烧集中在直喷柴油机上，研究重点已逐渐转移到采用共轨燃油供给方式的高压喷雾燃烧柴油机上。柴油机多段喷射燃烧已较好地解决了燃油经济性、排放和燃烧噪声之间的矛盾，高压共轨式柴油机多采用燃油多段喷射技术。柴油机的发展趋势是直喷化、高压喷射化、电子控制化和轿车发动机柴油机化。传统汽油机技术已比较成熟，汽油机燃烧研究主要集中在稀混合气燃烧和缸内直喷汽油机燃烧两方面。日本等国在用的汽车中已有一部分采用缸内直喷汽油机，随着排气后处理技术的成熟，汽油机缸内直喷化将成为提高燃油经济性的重要途径。汽油机污染物控制研究主要集中在起动工况，快速激活尾气后处理装置上。第40页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机代用燃料发动机研究主要集中在天然气、二甲醚、醇类燃料、生物质燃料和混合燃料方面。二甲醚作为柴油的替代燃料由于无烟燃烧而实现了柴油机的低污染化，在天然气+氢气发动机上也开展了一些前期性研究工作。西安交通大学开发了具有自主知识产权的二甲醚清洁燃料汽车。均质压燃着火(HCCI)发动机是近5年来国际上研究的热点问题，也是基础研究在内燃机中集中体现的方面。均质压燃着火燃烧方式实现了低温燃烧和均质混合气燃烧，从而实现了超低排放和无烟燃烧，解决了柴油机高NO排放和燃烧冒烟问题。英国和美国在HCCI发动机上已取得长足的进展，预计商用HCCI发动机汽车将在5-10年左右的时间投入市场。第41页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机二、学科体系、研究范围和任务

燃烧发动机:燃料化学燃烧机械能燃烧科学在实际工程上的应用，属工程热物理学科主干领域。研究范围:火花点火式发动机燃烧、压燃式发动机燃烧、气体燃料发动机燃烧、燃气轮机燃烧、特种发动机燃烧等;研究主要目的:如何高效低污染地组织燃烧过程，提高燃烧装置的热能转换效率，研发适应不同燃料的燃烧装置以及开发新型的燃烧装置，为机动车、农业和工程机械、船舶、机车等提供动力源。第42页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机发动机燃烧在相构成上:多相燃烧、单相燃烧;在燃烧形式上:预混燃烧、扩散燃烧、预混/扩散并存燃烧；发动机燃烧涉及到许多基础科学领域数学（燃烧过程的数学模型和数值解法）物理（混合气形成、喷雾过程、燃料蒸发过程）化学（着火过程、火焰发展过程、火焰熄灭与淬熄、爆震、化学反应动力学、颗粒物的成因、燃烧污染物的生成与催化净化）力学（流体力学，材料力学、振动力学、结构力学）光学（激光测量、光学成像）材料（耐高温材料、耐磨性材料、导热性材料、陶瓷材料）燃料学（燃料组成、燃料理化性能如燃料馏程、自燃性能、抗爆性能）、催化（尾气后处理、催化燃烧）热物理学（热力学、传热学、相变）大气科学

(燃烧污染物在大气中的扩散和运动规律)毒理学(燃烧污染物对人体的影响)。

第43页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机三、国外研究进展和发展趋势国内外在燃烧发动机方面开展了大量研究工作，归纳起来，主要反映在以下几个方面：第44页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机柴油机燃烧：集中在直喷柴油机上，包括低压喷雾燃烧和高压喷雾燃烧，重点已逐渐转移到采用共轨燃油供给方式的高压喷雾燃烧柴油机上，柴油机研究工作逐渐向细节和深层次发展，如喷雾特性从过去研究喷射距离、壁面作用、喷雾粒径发展到研究喷雾的气/液两相场分布、浓度场分布；燃烧过程从过去基于压力信息分析发展到基于光学信息分析，更多地从燃烧火焰和浓度、温度场的角度来解析燃烧现象；柴油机排气控制研究仍集中在NOx和颗粒物上，对人体有害的小颗粒（PM2.5或纳米级颗粒）净化研究引起越来越多的重视，可再生颗粒后处理装置的再生效率和使用寿命得到提高，柴油机燃烧模拟已取得较大进展，能预测浓度场、温度场和燃烧产物的二维和三维燃烧模型，柴油机多段喷射燃烧已较好地解决了燃油经济性、排放和燃烧噪声之间矛盾，高压共轨式柴油机多采用燃油多段喷射技术。柴油机的发展趋势是直喷化、高压喷射化、电子控制化和轿车发动机柴油机化第45页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机汽油机燃烧：传统汽油机技术已比较成熟，汽油机燃烧研究主要集中在稀混合气燃烧和缸内直喷汽油机燃烧两方面。燃烧研究主要集中在火核形成、火焰发展、湍流燃烧以及相关数值模拟等方面，喷雾、缸内气流运动和燃烧室是实现良好燃烧的关键因素，研究工作主要集中在这些方面目前人们对旋流喷雾特性和缸内滚流的破碎过程已有了比较深入的认识，采用数值模拟已能很好地预测缸内浓度场、温度场、NO和OH生成情况。层状混合气湍流燃烧规律也有了一定的认识，缸内直喷汽油机电子控制技术也得到了长足的发展，可视化技术已广泛应用在汽油机燃烧研究中。汽油机污染物控制研究主要集中在起动工况，快速激活尾气后处理装置上。

第46页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机代用燃料发动机燃烧：

代用燃料发动机研究主要集中在天然气二甲醚醇类燃料生物质燃料混合燃料第47页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机均质压燃着火发动机燃烧：

均质压燃着火(HCCI)发动机是近年来国际上研究的热点问题，均质压燃着火燃烧方式实现了低温燃烧和均质混合气燃烧，从而实现了超低排放和无烟燃烧，解决了柴油机高NO排放和燃烧冒烟问题。HCCI燃烧过程控制比较困难，对混合气浓度的要求也比较严格，负荷范围受到限制。目前为止的研究工作主要集中在着火时刻的控制（包括采用废气再循环、改变燃料特性、进气混合气特性等），燃烧过程的化学反应动力学，发动机运行工况的扩展，进、排气控制和发动机结构参数的调整等方面，其中数值模拟在HCCI发动机燃烧研究中发挥了重要作用。第48页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机燃烧测量技术：

燃烧测量技术进展主要反映在喷雾测量、流场测量、火焰测量和燃烧过程产物测量等方面。采用粒子图像测速(PIV)、粒子跟踪测速(PTV)技术和激光多普勒(LDV)技术已能准确的测量缸内气体运动规律相位多普勒粒径PDA(PDPA)技术和激光散射粒径(LDSA)测量技术能测量出喷雾粒径大小和分布规律利用高速摄影和纹影技术能测量出火焰发展和火焰面形状，采用两色法能获得清晰的火焰图像激光诱导荧光(LIF)技术可获取混合气浓度场、燃烧过程NO和OH分布，采用激光技术通过对柴油喷雾的紫外光和可见光两次成像，获得了燃油喷雾的液态区分布和气态区分布。全息技术也被应用在喷雾特性的测量上已开发出用于缸内辐射测量的传感器，利用燃烧过程离子信号可以检测发动机的失火和燃烧状况第49页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机红外测温系统可获取火焰的温度分布，根据光谱信息检测缸内NO浓度。在柴油机颗粒物测量中采用了激光诱导发热法LII（Laser-InducedIncandescence），解决了颗粒质量和尺寸同时测量的问题。利用激光诱导荧光法的柴油喷雾两维成像技术，通过对火焰前锋面中间基OH、CH和C2的发光光谱分析，较好地认识了火焰前锋面处的化学反应过程。一些新兴的内燃机燃烧测量装置也已推出，如采用光纤探针的火焰测量装置、汽油机爆震光学测量装置、燃烧火焰断层扫描装置。第50页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机燃烧模型：燃烧过程是一个多相化学反应气体动力学(reactinggasdynamics)过程内燃机燃烧在时间和空间上极为复杂，它具有强瞬变、强涡流、强压缩和各相异性的特点。第51页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机内燃机燃烧模型研究方面近几年进展不大，最大障碍是湍流的描述很困难，模型在平均速度计算方面比较准确，对湍流标尺计算误差在30-40%；此外对湍流与化学反应的互动关系的认识还不够深入，首先是燃烧放热引起燃烧室内的密度差异，使湍流结构复杂化；其次是燃烧导致温度升高，使流体输运系数变大，大大增加了动量、质量与能量的交换速率；再者燃烧化学反应十分复杂，同时要考虑反应的时空分布，这在目前几乎是不可能的。因而目前燃烧过程的着火和火焰传播等燃烧过程还主要依靠经验和半经验模型，这已成为内燃机燃烧研究工作进一步发展的瓶颈。国外正在尝试用DNS(directnumericsimulation)，即撇开模型而通过超大计算机直接求解来模拟内燃机燃烧过程。柴油机当量比和缸内气体温度的分布还算不准，导致NO和Soot预测不准确（温度相差50K，NO误差为10-20%），Soot模型和机理还不十分清楚。因此，目前提出的各种模型只有对比价值。第52页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机内燃机数值模拟仍是过去10年间研究的热点问题，数值模拟已由过去的零维热力学模型发展到二维、三维湍流燃烧模型。目前燃烧研究最活跃领域是在多维CFD程序中引入湍流燃烧的研究成果，建立湍流燃烧模型。采用PDF(Probabilitydensityfunction)模型是最近几年发展起来的求解湍流燃烧的新方法。PDF模型通过求解反应产物质量分数的平均值及其变化量的输运方程来求解湍流燃烧，但该方法要求采用精确的化学反应机理以描述湍流与化学反应之间的强烈的相互作用，对算法设计和计算机的要求很高。第53页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机喷雾模型(油束破碎,油滴碰撞,合并,蒸发,扩散混合)自燃模型（柴油机）或点火模型（汽油机）预混燃烧模型,湍流扩散燃烧模型,爆震预测模型和排放模型。油束破碎模型包括TAB(TaylorAnalogBreakup)模型，Wave模型，Reitz-Diwarkar(GM_B)模型，FIPA模型，Huh-Gosman模型，KH-RT模型等，自燃模型包括Halstead的SHELL八步反应模型、IFP四步反应模型和Muller模型等，汽油机的预混湍流燃烧模型有化学反应动力学模型、特征时间尺度燃烧模型、火焰片燃烧模型和.火焰传播燃烧模型等。柴油机的湍流扩散燃烧模型有EBU(eddybreakup)燃烧模型，拟序火焰片燃烧模型等。第54页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机汽油机和气体燃料发动机，湍流燃烧模型包括火焰片模型(FlameletModel)、微元火焰燃烧模型、着火模型、爆震预测模型、湍流燃烧模型等。缸内直喷汽油机方面，发展了旋流喷雾模型、燃油破碎模型、空气卷吸模型、燃油蒸发模型、着火模型。柴油机方面，燃油破碎模型、空气卷吸模型、燃油蒸发模型、着火模型。

HCCI发动机方面，主要采用化学反应动力学模型，化学反应动力学模型对简单化学结构的甲烷、二甲醚有一定的适用性，而对组分比较复杂的汽油、柴油上使用有一定的难度。数值模拟已由过去的零维热力学模型发展到二维、三维燃烧模型。HCCI发动机采用基于多级化学反应过程发展了一维、二维和多维HCCI燃烧模型。

第55页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机燃烧发动机其他方面：

汽油机的指示热效率在现有的基础上还有8%提高的余地，达到41%，除改善燃烧外，发动机摩擦磨损还有降低25%可能。实现目标的方法是综合性的，如直喷汽油机、采用可变气门定时和升程、提高压缩比，均质混合气压燃着火HCCI也是一个发展方向。目前国际上对汽油机排放总的观点是汽油机排放已基本解决，可以实现零排放。柴油机的指示热效率在现有的基础上还有7%提高的余地，达到52%，发动机摩擦磨损还有降低15%可能。具体措施有增压、燃烧控制和采用HCCI燃烧方式。第56页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机生物乙醇的研究在美国受到重视，生物乙醇由植物（速生灌木）通过微生物技术或生物化学技术来制备，属可再生燃料。我国西部地域广大，种植速生灌木既可提供原料，也可绿化环境，减少水土流失，实现能源、经济、社会的可持续发展。氢气是未来燃烧发动机最有前途的燃料，氢能在燃烧发动机上的规模利用将取决于氢能的规模化制备。燃氢发动机升功率下降，燃烧控制比较困难，目前燃料成本仍然较高，距离规模化使用还有一定的距离。天然气掺氢燃烧发动机将是氢能在燃烧发动机上应用最有前途和最具可行性的方式。

第57页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机今后一段时间研究的重点仍将是柴油机和汽油机燃烧;代用燃料发动机是今后重点发展的方向新型燃烧发动机是今后拓展的主要方向不论哪种形式的发动机，都将把燃烧和排放作为一个有机整体一起来解决。第58页，共80页，2023年，2月20日，星期一浓度和温度不均匀是

氮氧化物（NOx）和碳烟（soot)的生成的原因温度NOx生成区碳烟生成区燃料射流燃烧室实现浓度和温度的均匀化或部分均匀化是项目的总体目标第59页，共80页，2023年，2月20日，星期一汽油机的热效率比柴油机低30％传统汽油机均质点燃式燃烧高温火焰NOx生成区第60页，共80页，2023年，2月20日，星期一现代内燃机燃烧理论的核心学术目标燃烧边界条件和燃料化学的协同控制（部分）均匀化－可控的(搅拌)化学反应器燃烧边界条件控制燃料化学控制燃料理化特性、燃料的焰前化学反应（过氧化、异构化过程等）自燃着火控制燃烧温度控制燃烧速度控制同时大幅度减少PM、NOx和大幅度节能温度、压力、浓度、成份（活化基、惰性物质）第61页，共80页，2023年，2月20日，星期一

稀扩散燃烧概念、BUMP(Bumpupmixingprocess)燃烧室柴油机燃料的最优化学当量比和碳烟生成界线Ref：F.Pischingerandetal,VDIBerichteNo.174,1988NOx生成区碳烟生成区第62页，共80页，2023年，2月20日，星期一ReducedchemicalkineticmodeldevelopmentLietal.modelDetermineparticularaldehydes（RCHO）andsmallhydrocarbons（Rs）Sub-modelforlowtemperaturereactions

Griffithsetal.modelEliminateseveralreactions,addtwooxidizationreactionsrelatedtoCOandCH3O

Sub-modelforhightemperaturereactionReducedchemicalkineticmodelofn-heptaneSub-modelforlargemoleculesdecomposingdirectlytosmallmoleculesLinkLink第63页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机五、发展目标、重点研究领域根据国内外发展趋势，结合我国具体情况，我国内燃机学科发展应主要围绕内燃机节能，研究开发低污染石油替代燃料和降低发动机污染进行。今后应重点研究的领域有：第64页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机柴油机和汽油机燃烧理论与污染物控制技术研究研究对象：直喷柴油机，汽油机，缸内直喷汽油机重点研究课题：高效低污染内燃机燃烧理论与污染物控制技术缸内直喷汽油机的燃烧理论与燃烧控制技术冷起动等动态过程燃烧污染物控制技术的基础性研究稀薄混合气燃烧的基础性研究着火和燃烧过程的数值模拟研究研究目标和意义：完善和发展柴油机、汽油机燃烧基础理论，开发高效低污染柴油机、汽油机，缓解石油供需矛盾，降低汽车尾气污染，为我国经济和社会的可持续发展提供支撑。第65页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机石油替代燃料发动机燃烧与排放基础理论和关键技术研究研究对象：煤基合成燃料油（煤基合成F-T油、煤基合成二甲醚、煤基合成醇类燃料）发动机，生物质燃料发动机，混合燃料发动机，天然气发动机重点研究课题：煤基合成燃料油发动机混合气形成规律与燃烧、排放基础理论及发动机关键技术研究生物质燃油发动机燃烧与排放基础理论和关键技术研究天然气(天然气/氢气)发动机燃烧基础理论与燃烧控制技术研究清洁混合燃料的设计理论与发动机燃烧、排放基础性研究。喷雾、着火和燃烧过程的数值模拟研究研究目标和意义：完善和发展石油替代燃料发动机燃烧基础理论，开发高效低污染石油替代燃料发动机，实现在发动机上柴油、汽油燃料的部分替代性，为燃烧发动机提供新的燃料。第66页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机高效低污染内燃机新型燃烧理论及发动机关键技术研究研究主要对象：内燃机均质压燃着火燃烧方式；柴油机无烟低火焰温度燃烧方式；供油系统（高压喷射，共轨）；后处理技术，集成后处理技术（电控SCR+DPF），浓度场、温度场先进测量方法（汽液两相浓度场）。重点研究课题：内燃机均质压燃着火理论与燃烧控制技术研究柴油机无烟低火焰温度燃烧理论与控制技术研究柴油机集成后处理方法及相关基础性研究内燃机喷雾和燃烧先进测试技术的研究混合气形成、着火和燃烧过程的数值模拟研究研究目标和意义：发展内燃机新燃烧理论与先进测试技术，提高我国内燃机研究工作的国际竞争力。提供实用的排气后处理技术，为内燃机尾气污染控制提供技术支撑。

第67页，共80页，2023年，2月20日，星期一燃烧发动机内燃机节能理论与关键技术研究研究主要对象：摩擦磨损，气体流动，传热与传质，燃烧控制，废气能量利用，增压技术，随车诊断技术，发动机性能和排放实时监控技术。重点研究课题：内燃机摩擦磨损降低方法、传热规律及发动机可靠性研究汽油机增压、能量综合利用理论和技术研究内燃机燃烧诊断、控制的原理和技术研究研究目标和意义：提高燃油的利用效率和发动机经济性，提供满足更高排放法规的发动机诊断和控制技术。第68页，共80页，2023年，2月20日，星期一液体火箭发动机燃烧第69页，共80页，2023年，2月20日，星期一LiquidInjectionGasInjectionHeatUpGasificationDropletGasificationandDiffusionTurbulentMixingChemicalKineticsTurbulence/DropletInteractionTurbulence/ReactionInteractionGasDynamicsChemicalKineticsFlowSeparationDropletFormationLiquidJetImpingementFanFormationSecondaryBreakupCoalescenceLiquidMixingandReactionInjectionAtomizationVaporizationMixing&ReactionExpansion液体火箭发动机燃烧过程第70页，共80页，2023年，2月20日，星期一液体火箭发动机燃烧问题1，