快速压缩(膨胀)机的湍流问题和光学诊断优化方法

吴东远， 李雪松， 董雪， 许敏

(1. 上海交通大学汽车电子控制技术国家工程实验室， 上海 200240；2. 明尼苏达大学托马斯·墨菲发动机研究实验室， 明尼阿波利斯 55414)

快速压缩(膨胀)机的湍流问题和光学诊断优化方法

吴东远1， 李雪松2， 董雪1， 许敏1

(1. 上海交通大学汽车电子控制技术国家工程实验室， 上海 200240；2. 明尼苏达大学托马斯·墨菲发动机研究实验室， 明尼阿波利斯 55414)

回顾了典型快速压缩(膨胀)机的基本原理和结构特征，并阐述了快速压缩(膨胀)机运行时缸内存在的湍流问题。此外，结合各研究实例中的典型测试方法，重点介绍了在快速压缩(膨胀)机研究中用于速度场、温度和浓度测量的光学诊断技术，并阐述了目前光学诊断技术应用于快速压缩(膨胀)机的测试能力及其局限性。

快速压缩(膨胀)机； 光学诊断； 湍流； 流场测量

随着世界范围内对环境问题以及能源可持续发展的进一步关注，利用新能源，例如电能、氢能、或天然气等其他替代能源驱动车辆的方法正在受到较多的关注。然而，不可否认的是，新技术尚存在各种各样的问题，利用新兴能源是否可以降低排放仍有待探讨。传统碳氢燃料发动机在很长的一段时间内仍将在汽车行业中处于主导地位。因此，实现节能减排不应只是依赖新式能源，同时也应针对现有内燃机技术进行改良，以实现能源优化利用的目的。

在直喷汽油机系统中，随着排放标准的日趋严格，研究者们越来越多地关注颗粒物排放较多的工况，如冷起动[1]。此外，随着压缩比的提高，爆震诊断也成为近年来的研究重点。无论是控制颗粒物排放还是抑制爆震，都需要对缸内燃烧的瞬态过程进行充分研究。例如，为寻求减少颗粒物排放的途径，需要对燃烧反应中某些关键自由基以及炭黑颗粒的瞬态浓度及温度分布有充分的掌握。近些年来，国际上越来越多的学者选择采用快速压缩(膨胀)机(rapid compression(expansion)machine)作为试验平台。快速压缩(膨胀)机是针对内燃机特点设计的试验设备。相比于光学发动机，其燃烧室结构更简单，因此更适合用来验证计算模型；而且缸盖的可视化设计更易于进行缸内诊断；此外，快速压缩(膨胀)机的起始条件以及壁温等边界条件更容易控制。

快速压缩机与一般单缸内燃机相似，通过控制活塞运动以实现可控燃烧。为了更精确地控制活塞运动，快速压缩(膨胀)机一般利用液压控制和气压控制实现预期燃烧。快速压缩(膨胀)机多被用于反应机理研究，然而相比其他燃烧分析设备，如激波管以及管式反应器，应用快速压缩(膨胀)机进行机理分析尚存在一定的局限性。造成这种局限性的主要原因之一是快速压缩(膨胀)机运行过程中在缸内存在的湍流问题。尽管快速压缩(膨胀)机设计的初衷是消除湍流的影响进行均质燃烧， 然而目前的快速压缩(膨胀)机设计并不能完全有效消除湍流。这一观点也逐渐被学术界加以讨论并给予认可[2-6]。

目前，对于快速压缩机内残余湍流的研究仍处于发展阶段。Grogan等[2]对快速压缩机缸内湍流Re数及Da数进行了研究，并将缸内燃烧情况按Re数和Da数进行燃烧区域划分。本研究对多台不同的快速压缩(膨胀)机进行工况分析，认为列举的快速压缩(膨胀)机试验中均存在一定程度的湍流干扰，并不能完全实现预期的均质燃烧。同样的结论也被Jeffery等人[3]加以深入探讨。因此，深入了解快速压缩(膨胀)机内的湍流现象对提高设备性能、深化理论理解等具有重要意义；同时，此项研究会为新一代燃烧模式以及新一代车用发动机的研制和开发奠定重要的理论基础，从而有助于实现我国能源战略与发展要求。

由于缸内燃烧的强烈瞬态特性，传统诊断手段，如热电偶，由于其侵入性及不理想的时间响应等问题，很难被应用在快速压缩(膨胀)机的研究中[7]。其他类型传感器，例如压力传感器，仅能提供有限的整体设备运行信息，而不能提供空间解析能力。近年来，随着激光和成像技术的发展，光学诊断凭借其非侵入式、高时间/空间分辨率、选择性强的特点，受到了学术界的广泛关注。目前，光学诊断技术已被广泛应用在光学发动机及快速压缩(膨胀)机缸内的瞬时温度测量、中间产物浓度测量、速度场测量、喷雾诊断、炭烟诊断等方面。虽然光学诊断技术正在受到科研界的进一步重视，但目前其仍具有局限性。

因此，本综述将对目前快速压缩(膨胀)机的现状和其存在的湍流问题加以介绍，并对应用于快速压缩(膨胀)机的光学诊断技术的测试能力及其局限性加以总结。

1 快速压缩(膨胀)机原理简介

快速压缩(膨胀)机保留实际发动机中活塞—气缸结构，不同之处在于活塞不再由曲柄连杆机构驱动，而是由其他方式(主要为液压或气压)驱动。相比实际单缸发动机，快速压缩(膨胀)机能够保证混合气温度、压力、组分等初始状态按试验者的要求配置，没有残余废气以及进气行程引起的湍流等其他干扰因素。另外，一般而言，快速压缩(膨胀)机缸盖处通常没有类似发动机中的配气机构，需要试验前充入试验要求的混合气体进行预混燃烧。但近年来也有利用快速压缩机进行直喷燃烧分析的尝试[8-9]。

世界范围内目前有多家研究机构设计并搭建了各自的快速压缩(膨胀)机设备[10-17]。一种典型的快速压缩机的结构设计见图1。该快速压缩机主要由气压腔、液压腔和燃烧室三部分串联组成。连杆将燃烧室活塞、液压腔活塞以及气压腔活塞耦合在一起。试验前气压腔和液压腔均充入高压介质相互平衡，电磁阀控制液压腔泄压，平衡破坏，活塞得以开始运动。活塞的减速和制动依靠液压腔内配合间隙很小的环槽结构形成很大的液压油剪切力来实现。当缸内发生燃烧反应甚至爆震，气压腔内的高压空气也足以将活塞一直保持在上止点位置。本类快速压缩机的优点是设计相对成熟，控制灵敏度和精确度较高；而其缺点是设计加工难度较大、控制液压气压传动相对困难、进行多次压缩膨胀过程困难等。同时还有针对已有快速压缩(膨胀)机的改进设计，例如利用机械方式进行传动[18]，或者利用自由活塞运动方式的设计(见图2)[7,19]。

图1 典型液压/气压快速压缩机主体装配图[10]

图2 自由活塞快速压缩机示意图[7]

快速压缩(膨胀)机中最常见的诊断方法为利用压力传感器进行缸内压力实时监控，同时，针对燃烧产物的采样，气相色谱分析也是常见的分析诊断手段。对快速压缩(膨胀)机的其他重要参数，例如温度、反应瞬时中间产物分布和燃烧室内速度场等，应用传统的测量方法并不能得到满意的测量结果。在传统测量方法中(如热电偶测温法或热线测速法)，探测器均需要伸入燃烧腔，这不仅会对燃烧产生影响，同时由于燃烧的恶劣环境，探测器的正常工作状态也经常难以维系。为对缸内温度进行分析测量，研究人员常应用绝热核心假设(adiabaticcorehypothesis)进行缸内温度估算[13,20-21]：

式中：T1和Tc分别为燃烧腔初始温度和压缩后绝热核心温度；p1和pc为初始压力和压缩压力；γ为绝热指数。绝热核心假设认为在快速压缩机压缩过程当中，燃烧腔中心部分经历了绝热等熵的压缩过程，快速压缩机热边界层并不对其造成影响。尽管绝热核心假设经常被应用于快速压缩机相关理论分析，但数篇文献从数值模拟上和试验分析中均证明了绝热核心假设的应用局限性[6,13,22]。快速压缩机应用平活塞在压缩过程中产生的上行涡流引起壁面低温气体侵入温度较为均匀的核心部分，由此导致绝热核心的破坏(见图3)。为应对此问题，研究者一般会在活塞设计中加入容纳近壁面涡流的环槽结构，用于抑制该涡流对燃烧室中心区域的侵入。即便如此，因燃烧腔设计和活塞运动带来的湍流仍然会导致温度分布的不均匀，而以上扰动很难通过绝热核心假设来表达。因此现阶段，快速压缩(膨胀)机的设计尚不能完美实现流场与化学反应解耦，这也要求研究人员对燃烧腔内残余湍流及预混气的非均质性进行定量分析，从而实现深化理论分析和优化试验设计的目的。

图3 应用粒子成像测速法分析燃烧腔内涡流现象[6]

2 光学诊断在湍流及不均质性诊断中的应用

光学诊断技术因其优异的响应性、非侵入性、多维性等能力，已成为广泛应用的燃烧诊断技术。一般而言，该技术使用脉冲激光或连续激光作为光源，利用光学相机或光学传感器作为探测器，获得光学诊断信息，从而分析燃烧或者流场性质。光学诊断技术常利用各类光学现象进行测量分析，例如基于光线吸收的吸收光谱技术，基于散射的拉曼散射、瑞利散射和多重散射技术，基于受激放大辐射的激光诱导荧光技术，基于化学荧光的诊断技术，等等。这些技术旨在解决反应流中的重要参数测量问题，例如温度测量、浓度测量、速度场分析、光学性质分析等。

然而，现有光学技术在时间和空间解析度、可测工况范围等方面仍不能完全满足对快速压缩(膨胀)机的测量需求， 因此现有光学诊断技术仍需要进一步完善。本研究将从不同的测量目的，包括速度场、温度场和浓度场测量上介绍具有代表性的光学技术及其在应用中的能力和局限性。

2.1 快速压缩(膨胀)机中的速度场测量

尽管针对发动机的速度场测量十分普遍，应用于快速压缩(膨胀)机中的速度场测量却并不是十分常见。这主要是因为学术界认为快速压缩(膨胀)机内的速度场较为简单且易于估计，因此未能对速度场测量给予足够的重视。然而，近年来数量有限的速度场分析均揭露了快速压缩(膨胀)机中可观的湍流问题。因此可以预计今后将会有更多的针对快速压缩(膨胀)机中速度场的分析。

快速压缩(膨胀)机中的测速方法主要为粒子成像测速法(particle imaging velocimetry, PIV)。粒子成像测速法常利用片状激光或大直径激光束照射探测区域，并在探测区域添加示踪粒子，通过观测不同时间点示踪粒子对激光的散射来推断探测区域的流场。粒子成像测速法主要具有空间和时间解析率高、能够解析二维和三维速度场分布等优点。

在粒子成像测速法相关工作中，Guibert等人[5]以一台装有活塞位置传感器、以液压伺服阀控制的快速压缩机为研究对象，采用粒子成像测速法研究了湍流的形成和分布情况。该研究中使用的RCM主体部分由直径不相等的压缩腔和燃烧室组成，燃烧腔采用石英玻璃环作为光学窗口。为产生不同特征的湍流，试验中在燃烧室和压缩腔之间加入一张孔板，通过改变孔板上孔的数量和大小来形成不同特征的湍流。试验中采用粒子成像测速法对燃烧腔内速度场进行分析。该方法利用527 nm片状激光作为光源，使用淀粉TWR/溶胶R972混合物作为示踪粒子。试验中分别使用1-己烯、PRF90、甲基环戊烷、PFR100四种滞燃期差别较大的燃料，来分析滞燃期与湍流衰减时间对燃烧点火的影响。该研究通过粒子成像测速法证实了燃烧腔内湍流的存在，也推断了燃烧腔内湍流强度对判定快速压缩机点火燃烧区域(体积式燃烧或混合式燃烧)具有显著的影响。在其他研究[6]中，作者还利用粒子成像测速法证实了活塞运动过程中上升涡流的侵入和湍流衰减等现象。Ben-Houidi等人[23]也应用粒子成像测速法观测到了同样的上行涡流现象(见图4)。

在以上试验中，粒子成像测速法可以高速(高至10 kHz)测量缸内二维流场，并清晰显示出燃烧腔内存在的涡流等湍流现象。然而粒子成像测速法仍然存在其不足之处。首先，粒子成像测速法由于应用光的弹性散射现象，干扰信号和噪声不易被排除；其次，常用示踪粒子由于其化学性质，在燃烧过程中会同时参与反应，导致燃烧阶段流场无法识别。

图4 粒子成像测速法和甲苯激光诱导荧光测温法结果[23]

2.2 快速压缩(膨胀)机中的温度场测量

由于快速压缩(膨胀)机中温度场的不均匀性，对燃烧腔内的温度场测量是目前相对比较热门的研究课题。温度测量是燃烧诊断需要解决的关键问题之一，目前也有多种光学诊断技术被应用于快速压缩(膨胀)机的温度分布诊断中。

在已有测温方法中，应用比较普遍的是激光诱导荧光测温法(Laser-induced fluorescence thermometry)和瑞利散射测温法(Rayleigh scattering thermometry)。激光诱导荧光测温法主要利用示踪物质(如丙酮或甲苯)的荧光量子产率受温度变化而影响的物理现象进行温度测量，其优势是可以进行高空间解析度的二维温度测量。

Mittal等[13]应用激光诱导荧光测温法对一台快速压缩机设备进行了近似定量测温的研究。研究中使用的荧光物质为丙酮，并利用279 nm激光激发。该研究对温度为室温273 K、压力4.4 MPa的丙酮/氮气混合气体进行了标定，发现标定误差仅±4 K。之后该研究又利用上述标定方法、绝热假设和实测压力数据对燃烧腔内温度分布进行了近似定量分析。试验得出的温度分布结果表明活塞环槽结构(见图5a)有效地减小了燃烧腔内的温度差异(见图5b与图5c)，图中横坐标0表示气缸中心。

图5 丙酮PLIF试验装置和结果[13]

Strozzi等[24]应用了激光诱导荧光法对一台方形活塞快速压缩机设备进行了测温。这项研究采用甲苯为示踪物质，波长266 nm的激光为激发光源。该研究利用现有的甲苯荧光量子产率随温度变化的曲线，测量了甲苯荧光光谱受燃烧腔内压力变化的影响，从而实现了对快速压缩机压缩过程中的温度测量。该试验结果证明了绝热核心假设与甲苯测温法的一致性，但是也表明快速压缩机在运行过程存在三个阶段的非稳态气动热过程以及冷区域，从而也表明了对快速压缩机进行温度标定的重要性。

激光诱导荧光测温法尽管已经在快速压缩(膨胀)机的测温中得到了初步的满意结果，但其仍存在其不足之处。首先，与粒子成像测速法类似，常用的示踪物质会在压缩过程中通过热分解[25]或者氧猝灭[26]过程逐渐消耗，进而影响荧光的形成以及信噪比；在燃烧过程中示踪物质会参与化学反应以致测量无法正常进行。其次， 诱导荧光法测温的灵敏区间范围较小，同时本方法的灵敏度会随温度升高而降低。最后，加入示踪物质的浓度必须维持在一个合适的范围之内，浓度过低会导致信号强度过低，而浓度过高将导致示踪物质改变燃料的化学性质。

除激光诱导荧光测温法之外，瑞利散射测温法也是常见的快速压缩机测温方法。瑞利散射测温法主要是通过散射现象推断物质的数量密度，从而根据气体定律计算温度分布。然而，瑞利散射测温法同样也是利用光的弹性散射现象，因此噪声和干扰极大地影响了其精度。为克服以上缺点，能够有效移除背景噪声的过滤瑞利散射(filteredRayleighscattering, FRS)方法更经常被应用于实际工况下的温度测量。过滤瑞利散射方法通过吸收效应移除与入射激光相同波长的背景光，吸收介质一般为碘蒸气[27]或汞蒸气[28]。

Clarkson等[29]同时采用一维瑞利散射和平面激光诱导荧光测温法对燃烧室的温度场进行了测定。试验中使用过氧化二叔丁基(di-t-butyl peroxide，DTBP)，因为该燃料反应过程中自然生成丙酮，因此丙酮被当做激光诱导荧光法的示踪物质。该研究中这两种方法均未进行标定，所以没有实现定量测量以及比较。但从试验结果上来看，瑞利散射信号未能分辨出此时燃烧室核心区与边缘区约50 K的温度差异，而激光诱导荧光测温法体现了这一不均匀性，这指出了激光诱导荧光相比瑞利散射测温的性能优越性。

可调谐半导体激光吸收光谱技术(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy, TDLAS)作为常见和相对低成本的激光测温技术，也被利用于快速压缩(膨胀)机的温度测量应用。可调谐半导体激光吸收光谱技术是一种视线上平均的(line-of-sight)温度和物质量浓度测量技术，常被用于小分子物质，如二氧化碳、水蒸气、一氧化氮等的温度和物质量浓度测量。该技术可以实现较高的时间分辨率(20～100 kHz)，温度计算过程简便易行，抗干扰能力也比较突出。

Uddi等[30]利用双线可调谐半导体激光吸收光谱技术对一台快速压缩机设备进行了定量测温的研究。 该试验采用较低频率的激光源(100 Hz)对7.6 μm附近水的吸收光谱进行了分析测量，结果表明标定温度误差在5 K以内，实际温度测量不确定性在500～1 300 K，0.1～2 MPa工况下为0.6%～1.6%，此测量能力很大程度上超过了其他的光学温度测量方法。

可调谐半导体激光吸收光谱技术可在其他方法不适用的工况下进行测量，一般也不需要添加额外的示踪物质，但该技术的缺点也十分明显。视线测量技术只能得到激光沿程温度和量浓度的平均值，也就是说该技术不具有良好的空间解析能力。这个问题对于应用该技术对快速膨胀机进行瞬时状态测量，尤其对温度的不均匀性测量是一个巨大挑战。

还有其他光学技术也常被应用于温度测量，例如相干反斯托克斯—拉曼散射等方法，但是由于其在快速压缩膨胀机测温中的应用并不广，因此不在此进行赘述。

2.3 快速压缩(膨胀)机中的浓度测量

快速压缩(膨胀)机中的浓度测量对象常为燃烧中间产物，如OH，CH等。常用的诊断方法为激光诱导荧光技术或化学荧光技术。一般来讲，浓度场一般用来分析火焰燃烧情况，推断温度等其他物理量以及反应的进程等，并非测量的最终目的。

M. Pöschl等人[31]应用化学荧光方法在一台快速压缩膨胀机设备上研究了缸内温度不均匀性对爆震的影响(见图6)。本试验采用帧率15 000 fps的高速相机配以窄带滤光片捕捉OH和CH化学荧光信号。图6中p1和p2为布置于燃烧室不同位置的压力测点，没有爆震发生时两者重合。从图6中可以看到冷焰过程中出现较强的CH信号，OH信号则出现在随后发生的主燃烧阶段前期。研究还尝试在缸盖上布置50束光学纤维用于捕捉火焰化学发光信号，这些纤维能覆盖到活塞光学窗口外的环形盲区。此测量用于对温度不均匀性进行合理的评估。

图6 缸压曲线与OH，CH发光信号[31]

化学荧光诊断技术的最大优势是不需要使用外部光源，仅靠火焰自身辐射作为诊断依据。然而化学荧光技术同样是一种视线测量技术，该技术得到的测量结果是三维火焰在二维摄像机上的投影，并不能真实合理反映火焰空间分布，所以一般此方法更经常被应用于火焰定性分析过程中。

3 结束语

本研究主要介绍了现有快速压缩(膨胀)机存在的问题和相应的光学诊断检测方法。快速压缩(膨胀)机是用于深度优化内燃机设计、改善燃烧状况的重要试验设备。改进优化快速压缩(膨胀)机的工作性能会大幅提高对内燃机工作状况的理解，从而实现高效、清洁燃烧的目的。

本研究介绍的现有针对快速压缩(膨胀)机的常见的光学诊断方法，主要涵盖了速度场测量，温度场测量，以及中间产物浓度测量等多个方面。现阶段，光学诊断方法能有效地对快速压缩(膨胀)机工况进行诊断测量，并得到高分辨率的测量数据。同时，光学诊断方法也验证了燃烧腔内湍流和温度不均匀性的客观存在。然而，目前并没有一种合适的光学测量方法可以完全满足对快速压缩(膨胀)机燃烧过程的诊断。更进一步说，尽管当前有多种光学诊断方法，目前并没有一种合适的技术可以完全满足广义燃烧过程的多种诊断需求。合适的光学测温方法应具备高时间/空间分辨率，能在比较广的工况下完成测量，同时最低程度地改变反应过程(无示踪物质或少示踪物质)。目前光学测量的应用仍存在一系列瓶颈和挑战，此类问题将是光学诊断技术发展需要解决的重要问题。

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[编辑： 袁晓燕]

Turbulence Fault and Optical Diagnosis of Rapid Compression or Expansion Machine

WU Dongyuan1, LI Xuesong2, DONG Xue1, XU Min1

(1. National Engineering Laboratory for Automotive Electronic Control Technology,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Thomas E Murphy Engine Research Laboratory, University of Minnesota, Minneapolis 55414, USA)

The working principle and structural feature of rapid compression or expansion machine were first reviewed and the turbulence problem during the compression or expansion was further described. Besides, the key optical diagnostic techniques for measuring the velocity, temperature and concentration were emphatically introduced and the capabilities and limitations of optical diagnostic method were summarized based on the typical test method of each research case.

rapid compression or expansion machine; optical diagnosis; turbulence; flow field measurement

2016-10-28；

2017-02-08

吴东远(1992—)，硕士，主要研究方向为快速压缩膨胀机开发设计与光学诊断；toneon@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.001

TK421.2

A

1001-2222(2017)01-0001-07