1、工程熱物理學科進展 第1頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三動力工程及工程熱物理學科進展講座 熱力學 傳熱與傳質(zhì) 燃燒學 多相流 內(nèi)流外流 新能源可再生能源第2頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒學燃燒學是研究著火、熄火、燃燒過程和機理的學科。燃燒是指燃料與氧化劑發(fā)生強烈化學反應，并伴有發(fā)光發(fā)熱的現(xiàn)象。燃燒不單純是化學反應，而是反應、流動、傳熱和傳質(zhì)并存、相互作用的復雜的物理化學現(xiàn)象。燃燒學的研究內(nèi)容包括燃燒過程的熱力學，燃燒反應的動力學，著火和熄火理論，預混氣體的層流和湍流燃燒，氣體、液體和固體燃料燃燒，液滴和煤粒燃燒、液霧、煤粉和流化床燃燒，

2、發(fā)動機燃燒，推進劑燃燒，超音速燃燒，爆震燃燒，邊界層和射流中的燃燒，湍流和兩相燃燒的數(shù)學模型，火災以及燃燒的激光診斷等。 第3頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒學 燃燒學依其研究內(nèi)容可劃分成 基礎(chǔ)燃燒學 氣液燃料燃燒 固體燃料燃燒 火災燃燒 燃燒診斷第4頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三動力工程及工程熱物理學科進展講座 概論 發(fā)動機燃燒 煤燃燒 火災燃燒第5頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三目前全世界能源總消費量約為130億噸標準煤，化石能源占85%以上工業(yè)國家能源消費早期經(jīng)歷了由煤炭向石油、天然氣等優(yōu)質(zhì)能源轉(zhuǎn)變，再進

3、一步向可再生能源過渡為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，歐洲、日本等正大力發(fā)展風電、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源，每年增長率達30%以上世界能源發(fā)展趨勢第6頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三美國能源部對世界常規(guī)石油產(chǎn)量高峰值的預測0102030405060701900192519501975200020252050207521002125歷史中 (3,003)低 (2,248)高 (3,896) 2 % 需求增長率下降率: R/P = 10(高) 2047(中) 2037(低) 2026十億桶/年第7頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三世界能源發(fā)展趨勢（續(xù)）化石燃料

4、峰值在2030左右2060年左右可再生能源接近總能源消費量的一半可再生能源核 能水 電天然氣石 油煤 炭傳統(tǒng)生物能B.tce第8頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三世界能源發(fā)展趨勢（續(xù)）人均能源消費量與人均GDP的增長有很強的相關(guān)性從世界范圍看，人均GDP達1萬美元（中等發(fā)達國家水平）以前，人均能源消費量增長較快，其值約為4噸標煤，其后增長變緩在人均GDP達1萬美元階段，日本人均能源消費量為4.25噸標煤 (1980年)，韓國為4.07噸標煤(1997年)，而美國為8噸標煤 (1960年)第9頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三00500010000

5、15000200002500030000100002000030000400005000060000萬噸油當量GDP/（1990年蓋凱）億美元日本 意大利 法國 德國 英國 韓國 + 中國臺灣60000500004000030000200001000000 5000 10000 15000 20000 25000 30000萬噸油當量典型工業(yè)化國家/地區(qū)能源消費總量與GDP總量的關(guān)系第10頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三世界能源發(fā)展趨勢（續(xù)）05,00010,00015,00020,00025,00019601970197519801985199019951999美元

6、/人美國（人均PPP）日本韓國中國0.002.004.006.008.0010.0012.00噸標煤/人美國（人均能源消費）日本韓國中國第11頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三國際能源科技發(fā)展計劃 面向21世紀的可持續(xù)發(fā)展，美國、歐洲、日本等倡導了一系列新的能源科技發(fā)展計劃Vision 21,FutureGen - 發(fā)展以煤氣化為基礎(chǔ)的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，以實現(xiàn)煤的高效、清潔利用，制氫和實現(xiàn)CO2近零排放。Generation IV - 開發(fā)新一代先進核能技術(shù)，國際核電呈復蘇趨勢。FreedomCar - 發(fā)展氫能和燃料電池技術(shù)，逐步實現(xiàn)向氫能經(jīng)濟過渡。Grid 2030 -

7、發(fā)展高度安全可靠的超級電網(wǎng)技術(shù)。 可再生能源快速增長，到本世紀中將成為能源供應的重要組成部分。第12頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三2002年我國能源狀況一次能源消費量為14.8億噸標準煤，產(chǎn)量為13.87億噸標準煤，為世界第二大能源消費國一次能源以煤為主，占近70%人均能源消費水平還很低，只有世界平均水平的一半發(fā)電裝機容量3.57億千瓦，居世界第2位近年來我國能源需求已呈明顯增長的趨勢第13頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三未來我國能源需求預測2020年，我國一次能源需求值在2533億噸標煤之間，均值是29億噸標煤煤 炭：2129億噸石 油：

8、4.04.5億噸天然氣 ：16002000億立方米發(fā)電裝機容量：8.69.5億千瓦2050年要達到目前中等發(fā)達國家水平，人均能源消耗應達3.0噸標煤以上， 能源需求總量約為50億噸標煤第14頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三我國能源面臨的矛盾與挑戰(zhàn)1、供需矛盾尖銳，石油安全問題凸現(xiàn) 我國人均能源可采儲量遠低于世界平均水平 2020年需大量進口石油和天然氣 我國煤炭資源豐富，但探明程度低，可供建礦的精查儲量嚴重不足 到2050年，我國能源供應將更為嚴峻，國內(nèi)常規(guī)能源難以滿足需求的增長第15頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三2050 年中國常規(guī)能源供

9、應情景分析煤炭: 占50%以下，年產(chǎn)35億噸，相當于目前全世界產(chǎn)量的80%石油：2020年達到2億噸的高峰，之后逐年下降，2050年約1.2億噸天然氣: 估計約2000億m3水電: 400MW核電: 340MW，相當于目前全世界核電的裝機容量 全部常規(guī)能源供應只相當于33億噸標煤第16頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三未來我國能源供應情景分析第17頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三全國石油產(chǎn)量高峰約億噸，將出現(xiàn)在2010-2020年間2050年以前全國石油年產(chǎn)量可保持在1億噸以上未來50年全國石油產(chǎn)量預測（翁氏模型法）第18頁，共80頁，2022

10、年，5月20日，20點17分，星期三我國能源面臨的矛盾與挑戰(zhàn)（續(xù)） 我國能源效率約為31.2%，與先進國家相差10個百分點，主要工業(yè)產(chǎn)品單位能耗比先進國家高出20-50%以上目前，我國正面臨著重化工業(yè)新一輪增長，國際制造業(yè)轉(zhuǎn)移以及城市化進程加速的新情況，經(jīng)濟發(fā)展對能源的依賴度增大，能源翻一番保GDP翻兩番的任務(wù)艱巨2、能源利用效率低下，節(jié)能任務(wù)十分艱巨第19頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三我國能源面臨的矛盾與挑戰(zhàn)（續(xù)）從環(huán)境容量看，二氧化硫為1620萬噸，氮氧化物為1880萬噸，到2020年，如不采取措施，兩者的排放量將分別達到4000萬噸和3500萬噸我國CO2的排

11、放量已成為世界第2位，未來將面臨巨大的國際壓力3、環(huán)境污染嚴重，可持續(xù)發(fā)展面臨較大壓力第20頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略與目標2020年：力爭能源翻一番，實現(xiàn)GDP翻兩番節(jié)能優(yōu)先、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高能效，建設(shè)節(jié)能型社會以煤為主，依靠科技進步，走出一條具有中國特色的煤炭高效、清潔開發(fā)利用道路采取綜合措施，推進替代燃料技術(shù)發(fā)展和應用，建立石油安全保障體系第21頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三“三步走”發(fā)展階段與目標（續(xù)）2035年：能源多元化發(fā)展初具規(guī)模加速發(fā)展核能，力爭在2035年左右使核電在發(fā)電中比重達到16%，成為“核電大

12、國”積極發(fā)展風能、生物質(zhì)能和太陽能，可再生能源實現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展氫能燃料電池汽車實現(xiàn)商業(yè)化應用第22頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三“三步走”發(fā)展階段與目標（續(xù)）2050年：初步實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展煤炭在一次能源中比重減小到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，使其占有比重超過30%氫燃料動力汽車成為交通運輸?shù)闹匾M成部分，大量減少石油的進口第23頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三基礎(chǔ)燃燒學基礎(chǔ)燃燒學研究的主要任務(wù)建立并發(fā)展受流動、傳熱傳質(zhì)和化學反應相互作用控制的燃燒過程的理論描述方法和數(shù)學物理模型；尋求數(shù)學物理模型

13、在各種條件下的數(shù)值解和在某些特定條件下的分析解，發(fā)展相關(guān)的數(shù)值計算方法和理論分析方法；將燃燒理論模型應用于煤燃燒、發(fā)動機燃燒和火災等工程實際燃燒問題的研究中。第24頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三基礎(chǔ)燃燒學 研究與發(fā)展趨勢 燃燒化學反應動力學和層流燃燒的研究 湍流-復雜化學反應相互作用的理論模型研究 湍流多相燃燒的理論模型研究 湍流燃燒的大渦模擬和直接模擬研究 燃燒理論在工程實際燃燒問題中的應用研究第25頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三固體燃料燃燒 固體燃料燃燒 煤燃燒 固體廢棄物燃燒（垃圾燃燒） 研究與發(fā)展趨勢煤的清潔燃燒煤燃燒中的污染物生

14、成、遷移及控制燃燒過程數(shù)值計算多聯(lián)產(chǎn)資源化利用 CO2減排技術(shù) 第26頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三火災燃燒火災的發(fā)生、發(fā)展和防治的規(guī)律既不具有完全的確定性，也不是完全隨機的，而是兼有確定性和隨機性的雙重特點。所謂確定性，是指對于周圍環(huán)境和火源條件均給定的火災，它的發(fā)生發(fā)展的過程及其規(guī)律都是確定的；隨機性是指從總體上來看，火災的發(fā)生原因、發(fā)火形式、發(fā)生環(huán)境、可燃物種類及其分布等諸多因素是不確定的。研究手段 實驗模擬和計算機模擬 第27頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三火災燃燒重點和主要任務(wù) 針對火災形成與發(fā)展的共性科學問題 城市重大火災的預防

15、與控制 重點工程（地下工程、森林生態(tài)工程、煤田 與礦井、工業(yè)企業(yè)）火災的預防與控制 火災孕育、發(fā)生和發(fā)展乃至突變成災的過程火災系統(tǒng)和外界環(huán)境、人相互作用機理與規(guī)律第28頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三發(fā)動機燃燒從燃燒發(fā)動機已經(jīng)有100年歷史，近2030年來燃燒發(fā)動機的技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，發(fā)動機的熱效率獲得明顯提高，排放得到有效控制燃燒基礎(chǔ)研究的進展和燃燒控制技術(shù)的提高對燃燒發(fā)動機的改進起到了至關(guān)重要的作用。 第29頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三發(fā)動機燃燒目前為止燃燒發(fā)動機仍主要依靠石油類燃料;石油資源的短缺和石油燃燒所帶來的大氣污染問

16、題已成為全世界面臨的重大問題;燃燒發(fā)動機的研究將主要集中在現(xiàn)有石油類燃料發(fā)動機的節(jié)能和污染物控制、石油替代燃料發(fā)動機、可再生能源發(fā)動機和新型燃燒方式發(fā)動機上;目標是通過石油類燃料發(fā)動機節(jié)能延長石油資源的使用期，開發(fā)燃燒發(fā)動機的石油替代燃料實現(xiàn)發(fā)動機的燃料替代，開發(fā)新型發(fā)動機燃燒技術(shù)實現(xiàn)高效清潔燃燒;為實現(xiàn)上述目標，需要在發(fā)動機燃燒方面開展系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)研究和應用基礎(chǔ)研究，為發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展提供理論支撐和技術(shù)創(chuàng)新源泉。 第30頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機 內(nèi)燃機高效、清潔燃燒一直是內(nèi)燃機研究與發(fā)展中的關(guān)鍵問題能源（主要是石油資源）匱乏和環(huán)境惡化是當前人

17、類面臨的兩大挑戰(zhàn)汽車及內(nèi)燃機既是石油資源的主要消耗者，也是大氣特別是城市大氣污染的主要來源隨著我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展和汽車保有量的不斷增加，燃料的使用量也將大幅度增加，節(jié)約能源與降低汽車尾氣污染已成為我國當前迫切需要解決的主要問題研究開發(fā)高效低污染發(fā)動機和清潔代用燃料發(fā)動機對提高能源利用效率，降低城市空氣污染，保護環(huán)境有十分重要的現(xiàn)實意義和深遠的社會經(jīng)濟效益第31頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機我國煤炭資源相對豐富，但石油資源非常短缺，而近年來石油需求直線上升，我國從1993年開始成為石油進口國，1999年進口石油4000萬噸，2003年進口石油達9300萬

18、噸，到2004年增至1.2億噸，占國內(nèi)原油需求總量的35%,中國已成為世界上主要的石油進口國。根據(jù)國際能源機構(gòu)預測，2010年中國石油消費的61%、2020年石油消費量的76.9%要依靠進口。我國目前的石油進口量已超過石油消費量的30%，隨著我國經(jīng)濟的進一步發(fā)展和汽車擁有量的增加，石油資源的供給矛盾將更加突出并影響到我國經(jīng)濟發(fā)展和能源戰(zhàn)略安全問題。因此，提高石油類燃料發(fā)動機節(jié)能和開發(fā)石油替代燃料發(fā)動機就成為我國今后需要重點解決的關(guān)鍵問題。第32頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機石油類燃料的主要消費者是汽車，我國汽車保有量達1650萬輛（不含農(nóng)用車）并且每年以1

19、5%速度增長，這些汽車大部分集中在大中城市，汽車尾氣排放是造成城市大氣污染的主要來源。據(jù)環(huán)保部門統(tǒng)計，2002年我國機動車排放占城市大氣污染的比例為：北京市一氧化碳(CO)達63%，氮氧化合物(NOx)達40%，碳氫化合物(HC)達74%；上海市一氧化碳(CO)達86%，氮氧化合物(NOx)達56%，碳氫化合物(HC)達96%。目前北京市的汽車保有量約為200萬輛，遠遠低于洛杉磯和東京，但其排放量卻與這兩個城市相當，因此，石油類燃料燃燒污染物控制也將是我國今后迫切需要解決的主要問題。第33頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機燃燒污染物控制既涉及到現(xiàn)有石油類燃料（

20、柴油、汽油、天然氣、液化石油氣）的潔凈利用技術(shù)，也涉及到開發(fā)和研制高效清潔新型石油替代燃料，如二甲醚、甲醇、乙醇、汽油醇，生物柴油、煤制柴油（FT油）、氫氣等，這些石油替代燃料可從煤，植物、生物質(zhì)中制取，對緩解石油燃料短缺起到一定的補充作用。因此，我國今后緩解石油類能源緊張的主要途徑仍將是提高現(xiàn)有石油類燃料的利用效率（節(jié)能）和研究開發(fā)各種高效清潔的石油替代燃料兩方面。第34頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機從煤炭中合成柴油和汽油可制備高品質(zhì)、低污染的發(fā)動機燃料，西部地區(qū)煤炭資源豐富，通過將煤轉(zhuǎn)化成柴油和汽油，既可緩解我國石油資源短缺問題，也可為高效低污染發(fā)動機

21、提供高品質(zhì)燃料。從煤中大規(guī)模制取二甲醚制造成本低，二甲醚被認為是未來實現(xiàn)柴油機超低污染的最具前途的替代燃料。氫能被認為是石油燃料后的主要能源，天然氣發(fā)動機存在燃燒速率慢、燃油經(jīng)濟性差的缺點，采用天然氣+氫氣混合燃料發(fā)動機將實現(xiàn)發(fā)動機的高效低污染燃燒過程，也為氫能在發(fā)動機上的應用提供一條新的途徑。因此，集中力量開展汽車發(fā)動機上石油類燃料的節(jié)能和研究開發(fā)高效清潔的汽車發(fā)動機石油替代燃料至關(guān)重要。第35頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三Diesel Combustion Conceptual ModelFuel goes through a two-stage oxidati

22、on processSoot is formed in the fuel-rich premixed zoneliquid core350Krich fuel/air mixture( =2 to 4)premixed combustion(1700K)soot growth & coagulationstoich fuel/air mixturediffusion flame(2500K)fuel evaporation750Kend of compression900K40 barformation of soot precursors & sootpartial soot oxidati

23、onJ.Dec, SAE 970873第36頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三發(fā)動機燃燒過程第37頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三第38頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒圖像 Diesel Diesel+CO2第39頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機 近幾年，國內(nèi)外在發(fā)動機研究方面開展了大量的研究工作，歸納起來，主要反映在以下幾個方面：柴油機燃燒集中在直噴柴油機上，研究重點已逐漸轉(zhuǎn)移到采用共軌燃油供給方式的高壓噴霧燃燒柴油機上。柴油機多段噴射燃燒已較好地解決了燃油經(jīng)濟性、排放和燃燒噪

24、聲之間的矛盾，高壓共軌式柴油機多采用燃油多段噴射技術(shù)。柴油機的發(fā)展趨勢是直噴化、高壓噴射化、電子控制化和轎車發(fā)動機柴油機化。傳統(tǒng)汽油機技術(shù)已比較成熟，汽油機燃燒研究主要集中在稀混合氣燃燒和缸內(nèi)直噴汽油機燃燒兩方面。日本等國在用的汽車中已有一部分采用缸內(nèi)直噴汽油機，隨著排氣后處理技術(shù)的成熟，汽油機缸內(nèi)直噴化將成為提高燃油經(jīng)濟性的重要途徑。汽油機污染物控制研究主要集中在起動工況，快速激活尾氣后處理裝置上。第40頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機代用燃料發(fā)動機研究主要集中在天然氣、二甲醚、醇類燃料、生物質(zhì)燃料和混合燃料方面。二甲醚作為柴油的替代燃料由于無煙燃燒而實現(xiàn)

25、了柴油機的低污染化，在天然氣+氫氣發(fā)動機上也開展了一些前期性研究工作。西安交通大學開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的二甲醚清潔燃料汽車。均質(zhì)壓燃著火(HCCI)發(fā)動機是近5年來國際上研究的熱點問題，也是基礎(chǔ)研究在內(nèi)燃機中集中體現(xiàn)的方面。均質(zhì)壓燃著火燃燒方式實現(xiàn)了低溫燃燒和均質(zhì)混合氣燃燒，從而實現(xiàn)了超低排放和無煙燃燒，解決了柴油機高NO排放和燃燒冒煙問題。英國和美國在HCCI發(fā)動機上已取得長足的進展，預計商用HCCI發(fā)動機汽車將在5-10年左右的時間投入市場。第41頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機二、學科體系、研究范圍和任務(wù) 燃燒發(fā)動機: 燃料化學燃燒機械能燃燒科學在實

26、際工程上的應用，屬工程熱物理學科主干領(lǐng)域。研究范圍: 火花點火式發(fā)動機燃燒、壓燃式發(fā)動機燃燒、氣體燃料發(fā)動機燃燒、燃氣輪機燃燒、特種發(fā)動機燃燒等;研究主要目的: 如何高效低污染地組織燃燒過程，提高燃燒裝置的熱能轉(zhuǎn)換效率，研發(fā)適應不同燃料的燃燒裝置以及開發(fā)新型的燃燒裝置，為機動車、農(nóng)業(yè)和工程機械、船舶、機車等提供動力源。 第42頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機發(fā)動機燃燒在相構(gòu)成上: 多相燃燒、單相燃燒;在燃燒形式上: 預混燃燒、擴散燃燒、預混/擴散并存燃燒；發(fā)動機燃燒涉及到許多基礎(chǔ)科學領(lǐng)域數(shù)學（燃燒過程的數(shù)學模型和數(shù)值解法）物理（混合氣形成、噴霧過程、燃料蒸發(fā)

27、過程）化學（著火過程、火焰發(fā)展過程、火焰熄滅與淬熄、爆震、化學反應動力學、顆粒物的成因、燃燒污染物的生成與催化凈化）力學（流體力學，材料力學、振動力學、結(jié)構(gòu)力學）光學（激光測量、光學成像）材料（耐高溫材料、耐磨性材料、導熱性材料、陶瓷材料）燃料學（燃料組成、燃料理化性能如燃料餾程、自燃性能、抗爆性能）、催化（尾氣后處理、催化燃燒）熱物理學（熱力學、傳熱學、相變）大氣科學 (燃燒污染物在大氣中的擴散和運動規(guī)律)毒理學(燃燒污染物對人體的影響)。 第43頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機三、國外研究進展和發(fā)展趨勢國內(nèi)外在燃燒發(fā)動機方面開展了大量研究工作，歸納起來，

28、主要反映在以下幾個方面：第44頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機柴油機燃燒：集中在直噴柴油機上，包括低壓噴霧燃燒和高壓噴霧燃燒，重點已逐漸轉(zhuǎn)移到采用共軌燃油供給方式的高壓噴霧燃燒柴油機上，柴油機研究工作逐漸向細節(jié)和深層次發(fā)展，如噴霧特性從過去研究噴射距離、壁面作用、噴霧粒徑發(fā)展到研究噴霧的氣/液兩相場分布、濃度場分布；燃燒過程從過去基于壓力信息分析發(fā)展到基于光學信息分析，更多地從燃燒火焰和濃度、溫度場的角度來解析燃燒現(xiàn)象；柴油機排氣控制研究仍集中在NOx和顆粒物上，對人體有害的小顆粒（PM2.5或納米級顆粒）凈化研究引起越來越多的重視，可再生顆粒后處理裝置的再

29、生效率和使用壽命得到提高，柴油機燃燒模擬已取得較大進展，能預測濃度場、溫度場和燃燒產(chǎn)物的二維和三維燃燒模型，柴油機多段噴射燃燒已較好地解決了燃油經(jīng)濟性、排放和燃燒噪聲之間矛盾，高壓共軌式柴油機多采用燃油多段噴射技術(shù)。柴油機的發(fā)展趨勢是直噴化、高壓噴射化、電子控制化和轎車發(fā)動機柴油機化第45頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機汽油機燃燒：傳統(tǒng)汽油機技術(shù)已比較成熟，汽油機燃燒研究主要集中在稀混合氣燃燒和缸內(nèi)直噴汽油機燃燒兩方面。燃燒研究主要集中在火核形成、火焰發(fā)展、湍流燃燒以及相關(guān)數(shù)值模擬等方面，噴霧、缸內(nèi)氣流運動和燃燒室是實現(xiàn)良好燃燒的關(guān)鍵因素，研究工作主要集中在

30、這些方面目前人們對旋流噴霧特性和缸內(nèi)滾流的破碎過程已有了比較深入的認識，采用數(shù)值模擬已能很好地預測缸內(nèi)濃度場、溫度場、NO和OH生成情況。層狀混合氣湍流燃燒規(guī)律也有了一定的認識，缸內(nèi)直噴汽油機電子控制技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，可視化技術(shù)已廣泛應用在汽油機燃燒研究中。汽油機污染物控制研究主要集中在起動工況，快速激活尾氣后處理裝置上。 第46頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機代用燃料發(fā)動機燃燒： 代用燃料發(fā)動機研究主要集中在天然氣二甲醚醇類燃料生物質(zhì)燃料混合燃料第47頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機均質(zhì)壓燃著火發(fā)動機燃燒： 均質(zhì)壓

31、燃著火(HCCI)發(fā)動機是近年來國際上研究的熱點問題，均質(zhì)壓燃著火燃燒方式實現(xiàn)了低溫燃燒和均質(zhì)混合氣燃燒，從而實現(xiàn)了超低排放和無煙燃燒，解決了柴油機高NO排放和燃燒冒煙問題。HCCI燃燒過程控制比較困難，對混合氣濃度的要求也比較嚴格，負荷范圍受到限制。目前為止的研究工作主要集中在著火時刻的控制（包括采用廢氣再循環(huán)、改變?nèi)剂咸匦?、進氣混合氣特性等），燃燒過程的化學反應動力學，發(fā)動機運行工況的擴展，進、排氣控制和發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整等方面，其中數(shù)值模擬在HCCI發(fā)動機燃燒研究中發(fā)揮了重要作用。 第48頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機燃燒測量技術(shù)： 燃燒測量技術(shù)進

32、展主要反映在噴霧測量、流場測量、火焰測量和燃燒過程產(chǎn)物測量等方面。 采用粒子圖像測速(PIV)、粒子跟蹤測速(PTV)技術(shù)和激光多普勒(LDV)技術(shù)已能準確的測量缸內(nèi)氣體運動規(guī)律相位多普勒粒徑PDA(PDPA)技術(shù)和激光散射粒徑(LDSA)測量技術(shù)能測量出噴霧粒徑大小和分布規(guī)律利用高速攝影和紋影技術(shù)能測量出火焰發(fā)展和火焰面形狀，采用兩色法能獲得清晰的火焰圖像激光誘導熒光(LIF)技術(shù)可獲取混合氣濃度場、燃燒過程NO和OH分布，采用激光技術(shù)通過對柴油噴霧的紫外光和可見光兩次成像，獲得了燃油噴霧的液態(tài)區(qū)分布和氣態(tài)區(qū)分布。全息技術(shù)也被應用在噴霧特性的測量上已開發(fā)出用于缸內(nèi)輻射測量的傳感器，利用燃燒過

33、程離子信號可以檢測發(fā)動機的失火和燃燒狀況第49頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機紅外測溫系統(tǒng)可獲取火焰的溫度分布，根據(jù)光譜信息檢測缸內(nèi)NO濃度。在柴油機顆粒物測量中采用了激光誘導發(fā)熱法LII（Laser-Induced Incandescence），解決了顆粒質(zhì)量和尺寸同時測量的問題。利用激光誘導熒光法的柴油噴霧兩維成像技術(shù)，通過對火焰前鋒面中間基OH、CH和C2的發(fā)光光譜分析，較好地認識了火焰前鋒面處的化學反應過程。一些新興的內(nèi)燃機燃燒測量裝置也已推出，如采用光纖探針的火焰測量裝置、汽油機爆震光學測量裝置、燃燒火焰斷層掃描裝置。 第50頁，共80頁，2022

34、年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機燃燒模型 ：燃燒過程是一個多相化學反應氣體動力學(reacting gas dynamics)過程內(nèi)燃機燃燒在時間和空間上極為復雜，它具有強瞬變、強渦流、強壓縮和各相異性的特點。 第51頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機內(nèi)燃機燃燒模型研究方面近幾年進展不大，最大障礙是湍流的描述很困難，模型在平均速度計算方面比較準確，對湍流標尺計算誤差在30-40% ；此外對湍流與化學反應的互動關(guān)系的認識還不夠深入，首先是燃燒放熱引起燃燒室內(nèi)的密度差異，使湍流結(jié)構(gòu)復雜化；其次是燃燒導致溫度升高，使流體輸運系數(shù)變大，大大增加了動量、質(zhì)

35、量與能量的交換速率；再者燃燒化學反應十分復雜，同時要考慮反應的時空分布，這在目前幾乎是不可能的。因而目前燃燒過程的著火和火焰?zhèn)鞑サ热紵^程還主要依靠經(jīng)驗和半經(jīng)驗模型，這已成為內(nèi)燃機燃燒研究工作進一步發(fā)展的瓶頸。國外正在嘗試用DNS(direct numeric simulation)，即撇開模型而通過超大計算機直接求解來模擬內(nèi)燃機燃燒過程。柴油機當量比和缸內(nèi)氣體溫度的分布還算不準，導致NO和Soot預測不準確（溫度相差50K，NO誤差為10-20%），Soot模型和機理還不十分清楚。因此，目前提出的各種模型只有對比價值。第52頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機

36、內(nèi)燃機數(shù)值模擬仍是過去10年間研究的熱點問題，數(shù)值模擬已由過去的零維熱力學模型發(fā)展到二維、三維湍流燃燒模型。目前燃燒研究最活躍領(lǐng)域是在多維CFD程序中引入湍流燃燒的研究成果，建立湍流燃燒模型 。采用PDF (Probability density function)模型是最近幾年發(fā)展起來的求解湍流燃燒的新方法。PDF模型通過求解反應產(chǎn)物質(zhì)量分數(shù)的平均值及其變化量的輸運方程來求解湍流燃燒，但該方法要求采用精確的化學反應機理以描述湍流與化學反應之間的強烈的相互作用，對算法設(shè)計和計算機的要求很高。第53頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機噴霧模型(油束破碎,油滴碰撞,

37、合并,蒸發(fā),擴散混合)自燃模型（柴油機）或點火模型（汽油機）預混燃燒模型,湍流擴散燃燒模型,爆震預測模型和排放模型。油束破碎模型包括TAB(Taylor Analog Breakup)模型，Wave模型，Reitz-Diwarkar(GM_B)模型，F(xiàn)IPA模型，Huh-Gosman模型，KH-RT模型等，自燃模型包括Halstead的SHELL八步反應模型、IFP四步反應模型和Muller模型等，汽油機的預混湍流燃燒模型有化學反應動力學模型、特征時間尺度燃燒模型、火焰片燃燒模型和.火焰?zhèn)鞑ト紵Ｐ偷?。柴油機的湍流擴散燃燒模型有EBU(eddy break up)燃燒模型，擬序火焰片燃燒模型等

38、。第54頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機汽油機和氣體燃料發(fā)動機，湍流燃燒模型包括火焰片模型(Flamelet Model)、微元火焰燃燒模型、著火模型、爆震預測模型、湍流燃燒模型等。缸內(nèi)直噴汽油機方面，發(fā)展了旋流噴霧模型、燃油破碎模型、空氣卷吸模型、燃油蒸發(fā)模型、著火模型。柴油機方面，燃油破碎模型、空氣卷吸模型、燃油蒸發(fā)模型、著火模型。 HCCI發(fā)動機方面，主要采用化學反應動力學模型，化學反應動力學模型對簡單化學結(jié)構(gòu)的甲烷、二甲醚有一定的適用性，而對組分比較復雜的汽油、柴油上使用有一定的難度。數(shù)值模擬已由過去的零維熱力學模型發(fā)展到二維、三維燃燒模型。HCCI

39、發(fā)動機采用基于多級化學反應過程發(fā)展了一維、二維和多維HCCI燃燒模型。 第55頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機燃燒發(fā)動機其他方面： 汽油機的指示熱效率在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上還有8%提高的余地，達到41%，除改善燃燒外，發(fā)動機摩擦磨損還有降低25%可能。實現(xiàn)目標的方法是綜合性的，如直噴汽油機、采用可變氣門定時和升程、提高壓縮比，均質(zhì)混合氣壓燃著火HCCI也是一個發(fā)展方向。目前國際上對汽油機排放總的觀點是汽油機排放已基本解決，可以實現(xiàn)零排放。柴油機的指示熱效率在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上還有7%提高的余地，達到52%，發(fā)動機摩擦磨損還有降低15%可能。具體措施有增壓、燃燒控制和采用H

40、CCI燃燒方式。第56頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機 生物乙醇的研究在美國受到重視，生物乙醇由植物（速生灌木）通過微生物技術(shù)或生物化學技術(shù)來制備，屬可再生燃料。我國西部地域廣大，種植速生灌木既可提供原料，也可綠化環(huán)境，減少水土流失，實現(xiàn)能源、經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展。 氫氣是未來燃燒發(fā)動機最有前途的燃料，氫能在燃燒發(fā)動機上的規(guī)模利用將取決于氫能的規(guī)?；苽洹Ｈ細浒l(fā)動機升功率下降，燃燒控制比較困難，目前燃料成本仍然較高，距離規(guī)?；褂眠€有一定的距離。天然氣摻氫燃燒發(fā)動機將是氫能在燃燒發(fā)動機上應用最有前途和最具可行性的方式。 第57頁，共80頁，2022年，5月

41、20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機今后一段時間研究的重點仍將是柴油機和汽油機燃燒;代用燃料發(fā)動機是今后重點發(fā)展的方向新型燃燒發(fā)動機是今后拓展的主要方向不論哪種形式的發(fā)動機，都將把燃燒和排放作為一個有機整體一起來解決。第58頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三濃度和溫度不均勻是氮氧化物（NOx）和碳煙（soot)的生成的原因溫度NOx生成區(qū)碳煙生成區(qū)燃料射流燃燒室實現(xiàn)濃度和溫度的均勻化或部分均勻化是項目的總體目標第59頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三汽油機的熱效率比柴油機低30傳統(tǒng)汽油機均質(zhì)點燃式燃燒 高溫火焰NOx生成區(qū)第60頁，共80頁，2

42、022年，5月20日，20點17分，星期三現(xiàn)代內(nèi)燃機燃燒理論的核心學術(shù)目標燃燒邊界條件和燃料化學的協(xié)同控制（部分）均勻化可控的(攪拌)化學反應器燃燒邊界條件控制燃料化學控制燃料理化特性、燃料的焰前化學反應（過氧化、異構(gòu)化過程等）自燃著火控制燃燒溫度控制燃燒速度控制同時大幅度減少PM、NOx和大幅度節(jié)能溫度、壓力、濃度、成份（活化基、惰性物質(zhì)）第61頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三 稀擴散燃燒概念、BUMP(Bump up mixing process)燃燒室柴油機燃料的最優(yōu)化學當量比 和碳煙生成界線Ref：F.Pischinger and et al, VDIBeri

43、chte No.174,1988NOx生成區(qū)碳煙生成區(qū)第62頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三Reduced chemical kinetic model developmentLi et al. modelDetermine particular aldehydes （RCHO） and small hydrocarbons （Rs） Sub-model for low temperature reactions Griffiths et al. modelEliminate several reactions, add two oxidization reactio

44、ns related to CO and CH3O Sub-model for high temperature reactionReduced chemical kinetic model of n-heptane Sub-model for large molecules decomposing directly to small moleculesLinkLink第63頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機五、發(fā)展目標、重點研究領(lǐng)域根據(jù)國內(nèi)外發(fā)展趨勢，結(jié)合我國具體情況，我國內(nèi)燃機學科發(fā)展應主要圍繞內(nèi)燃機節(jié)能，研究開發(fā)低污染石油替代燃料和降低發(fā)動機污染進行。今

45、后應重點研究的領(lǐng)域有：第64頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機柴油機和汽油機燃燒理論與污染物控制技術(shù)研究研究對象：直噴柴油機，汽油機，缸內(nèi)直噴汽油機重點研究課題：高效低污染內(nèi)燃機燃燒理論與污染物控制技術(shù)缸內(nèi)直噴汽油機的燃燒理論與燃燒控制技術(shù)冷起動等動態(tài)過程燃燒污染物控制技術(shù)的基礎(chǔ)性研究稀薄混合氣燃燒的基礎(chǔ)性研究著火和燃燒過程的數(shù)值模擬研究研究目標和意義：完善和發(fā)展柴油機、汽油機燃燒基礎(chǔ)理論，開發(fā)高效低污染柴油機、汽油機，緩解石油供需矛盾，降低汽車尾氣污染，為我國經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展提供支撐。第65頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒

46、發(fā)動機石油替代燃料發(fā)動機燃燒與排放基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究研究對象：煤基合成燃料油（煤基合成F-T油、煤基合成二甲醚、煤基合成醇類燃料）發(fā)動機，生物質(zhì)燃料發(fā)動機，混合燃料發(fā)動機，天然氣發(fā)動機重點研究課題：煤基合成燃料油發(fā)動機混合氣形成規(guī)律與燃燒、排放基礎(chǔ)理論及發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)研究生物質(zhì)燃油發(fā)動機燃燒與排放基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究天然氣(天然氣/氫氣)發(fā)動機燃燒基礎(chǔ)理論與燃燒控制技術(shù)研究清潔混合燃料的設(shè)計理論與發(fā)動機燃燒、排放基礎(chǔ)性研究。噴霧、著火和燃燒過程的數(shù)值模擬研究研究目標和意義：完善和發(fā)展石油替代燃料發(fā)動機燃燒基礎(chǔ)理論，開發(fā)高效低污染石油替代燃料發(fā)動機，實現(xiàn)在發(fā)動機上柴油、汽油燃料的部分替代性

47、，為燃燒發(fā)動機提供新的燃料。第66頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機高效低污染內(nèi)燃機新型燃燒理論及發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)研究研究主要對象：內(nèi)燃機均質(zhì)壓燃著火燃燒方式；柴油機無煙低火焰溫度燃燒方式；供油系統(tǒng)（高壓噴射，共軌）；后處理技術(shù)，集成后處理技術(shù)（電控SCR+DPF），濃度場、溫度場先進測量方法（汽液兩相濃度場）。重點研究課題：內(nèi)燃機均質(zhì)壓燃著火理論與燃燒控制技術(shù)研究柴油機無煙低火焰溫度燃燒理論與控制技術(shù)研究柴油機集成后處理方法及相關(guān)基礎(chǔ)性研究內(nèi)燃機噴霧和燃燒先進測試技術(shù)的研究混合氣形成、著火和燃燒過程的數(shù)值模擬研究研究目標和意義：發(fā)展內(nèi)燃機新燃燒理論與先進測試技

48、術(shù)，提高我國內(nèi)燃機研究工作的國際競爭力。提供實用的排氣后處理技術(shù)，為內(nèi)燃機尾氣污染控制提供技術(shù)支撐。 第67頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三燃燒發(fā)動機內(nèi)燃機節(jié)能理論與關(guān)鍵技術(shù)研究研究主要對象：摩擦磨損，氣體流動，傳熱與傳質(zhì)，燃燒控制，廢氣能量利用，增壓技術(shù)，隨車診斷技術(shù)，發(fā)動機性能和排放實時監(jiān)控技術(shù)。重點研究課題：內(nèi)燃機摩擦磨損降低方法、傳熱規(guī)律及發(fā)動機可靠性研究汽油機增壓、能量綜合利用理論和技術(shù)研究內(nèi)燃機燃燒診斷、控制的原理和技術(shù)研究研究目標和意義：提高燃油的利用效率和發(fā)動機經(jīng)濟性，提供滿足更高排放法規(guī)的發(fā)動機診斷和控制技術(shù)。第68頁，共80頁，2022年，5月20

49、日，20點17分，星期三液體火箭發(fā)動機燃燒第69頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三Liquid InjectionGas InjectionHeat UpGasificationDroplet Gasification and DiffusionTurbulent MixingChemical KineticsTurbulence/Droplet InteractionTurbulence/Reaction InteractionGas DynamicsChemical KineticsFlow SeparationDroplet FormationLiquid Jet ImpingementFan FormationSecondary BreakupCoalescenceLiquid Mixing and ReactionInjectionAtomizationVaporizationMixing & ReactionExpansion 液體火箭發(fā)動機燃燒過程第70頁，共80頁，2022年，5月20日，20點17分，星期三液體火箭發(fā)動機燃燒問題1，液體火箭發(fā)動機燃燒室的長徑比小，燃燒過程很大程度上取決于初始條件；2，噴注器流量大，可達每秒