类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的通讯作者为Zheng Chen（邮箱：chenzheng@hnu.edu.cn），第一作者为Bin Liao，其他作者包括Fan Zhang、Tao Qin、Xianyan Lin和Yong Guo。研究团队来自湖南大学机械与运载工程学院能源与动力工程系（a、c单位）及湖南工程学院机械工程学院（b单位）。论文发表于《Applied Thermal Engineering》第233卷（2023年），文章编号121193，2023年7月20日在线发表。

学术背景
研究领域为航空活塞发动机燃烧优化，聚焦二冲程航空煤油直喷发动机的喷射策略对混合气形成与燃烧特性的影响。背景问题包括：航空煤油因高黏度、低挥发性导致雾化困难，传统高压共轨系统在小型航空发动机中布置受限；同时，航空煤油低辛烷值易引发爆震（knock），限制发动机功率输出。研究目标是通过计算流体力学（CFD）模拟，分析空气辅助直喷（AADI, Air-Assisted Direct Injection）系统中喷射压力、单次/双次喷射策略对混合气分布、燃烧性能及爆震倾向的影响，为航空煤油发动机设计提供理论依据。

研究流程与方法
1. 模型建立与验证
- 喷雾模型：基于空气辅助喷射器实物（环形喷嘴结构，参数见表2）建立CFD模型，采用动态网格技术模拟针阀启闭过程（图1-3）。通过恒容弹喷雾实验（图6）验证模型准确性，喷雾贯穿距模拟误差%（图7-8）。
- 发动机模型：基于二冲程航空煤油发动机（参数见表3）构建三维模型，使用CONVERGE软件模拟。网格采用自适应加密（AMR）和局部加密（如喷油器、点火源周围），湍流模型选用大涡模拟（LES），蒸发模型为Frossling，燃烧模型采用SAGE详细化学反应机理（RP-3航空煤油三组分替代燃料：73%十二烷、14.7%三甲基环己烷、12.3%正丙苯）。

1. 喷射策略模拟

   • 喷射压力影响：对比4 bar、6 bar、8 bar混合气喷射压力下喷雾特性（图11-12）。结果显示，高压（8 bar）促进涡环结构形成（增强气流运动，图13），但活塞顶液膜质量增至0.27 mg（图17）；6 bar压力下燃料蒸发质量与8 bar接近，液膜积累较少（图15-16）。
     
   • 喷射时序影响：单次喷射（-160°CA ATDC）与双次喷射（第一次-180°CA ATDC，第二次-90/-80/-70°CA ATDC）对比。双次喷射通过延迟第二次喷射时序（如-70°CA ATDC），实现混合气分层（图18），标准偏差σ从单次0.1808增至0.3210（表6），爆震指数（KI）降低（图25）。
     

2. 爆震监测方法
   在缸盖设置8个监测点（图5），通过快速傅里叶变换和巴特沃斯带通滤波（3-25 kHz）提取压力振荡信号，计算峰值压力振幅（PPmax）及爆震指数（KI，公式1-2）。

主要结果
1. 喷射压力影响：6 bar为最优压力，平衡雾化效果（SMD降低）与液膜控制（0.15 mg）。8 bar虽提升湍流动能（TKE，图14），但液膜质量显著增加（图17）。
2. 喷射策略影响：单次喷射混合气均匀性高，但爆震倾向强（KI=0.89 bar）；双次喷射延迟第二次喷射至-70°CA ATDC时，燃烧压力峰值降低（图20），放热速率减缓（图21），爆震抑制效果最佳（KI降低约30%）。
3. 机理分析：双次喷射通过分层混合气减少缸内末端混合气浓度（图22），降低自燃风险；同时，延迟喷射延长燃料蒸发时间，增强火花塞附近冷却效应（图23）。

结论与价值
1. 科学价值：揭示了空气辅助喷射涡环结构对混合气形成的促进作用，明确了双次喷射分层燃烧抑制爆震的机理。
2. 应用价值：为航空煤油二冲程发动机优化喷射参数（推荐6 bar喷射压力、双次喷射策略）提供直接依据，助力小型无人机动力系统轻量化与高性能化。

研究亮点
1. 创新方法：首次将动态网格技术应用于空气辅助喷射器针阀运动模拟，结合LES湍流模型与SAGE化学反应机理，提升喷雾与燃烧模拟精度。
2. 重要发现：双涡环结构（近场与远场）对混合气扩散的协同作用（图11-12），以及双次喷射时序对爆震的非线性影响机制（图25）。

其他价值
研究得到湖南省自然科学基金（2018JJ2041）支持，数据保密但模型方法可复用于其他重油直喷发动机研究。