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火焰燃烧电离产生的离子电流信号包含了丰富的燃烧信息，离子电流信号特征与燃料燃烧运行工况密切相关，采用离子电流法来监测内燃机的运行参数与传统监测技术相比具有极大的经济和技术优势。利用内燃机缸内混合气燃烧电离产生的离子电流信号可以实现对内燃机多个燃烧运行参数同时进行在线监测，内燃机可以根据电流信号有效的反馈信息及时对运行工况进行调整，从而实现对内燃机点火及燃烧过程的精确控制，因此离子电流法作为一种新型的燃烧在线监测方法已成为内燃机燃烧测控领域的研究热点。内燃机与可再生能源的搭配将对现有的能源体系产生深远的影响，近年来以天然气掺氢混合气体燃料为代表的清洁可再生气体燃料逐渐成为发动机替代燃料的研究热点。为了利用离子电流法对气体燃料燃烧过程进行有效的在线监测，提升气体燃料的燃烧品质以期实现良好的动力性、经济性和排放性;为此有必要对天燃气掺氢混合气体燃料的层流燃烧特性和燃烧过程的离子电流特性进行深入的研究，结合燃烧过程中的火焰传播图像进一步揭示混合气燃烧特性与离子电流特性的相关性，为气体发动机开发设计和利用离子电流信号实现对燃料燃烧过程的精确控制提供理论依据和基础实验数据。
本文以不同初始工况下天然气/H2/CO2混合气体层流火焰的燃烧特性、离子电流特性、燃烧特性与离子电流特性的相关性为研究重点，开展了层流预混火焰燃烧特性与离子电流特性的实验和数值模拟计算研究。研究工作阐明了混合气初始参数对层流火焰燃烧特性和离子电流特性的影响，揭示了火焰发展演变过程中的火焰电离机理，得到了火焰传播过程与离子电流波形之间的内在关联，构建了离子电流数值计算模型，获得了离子电流特性与混合气燃烧质量、燃烧压力和燃烧放热率之间的相关性。
开展了定容燃烧弹内天然气/H2/CO2混合气体层流火焰燃烧特性的实验研究。搭建了定容燃烧弹离子电流测量系统实验平台，开发设计了离子电流采集和数据处理程序，结合高速纹影摄影系统实现了对层流火焰燃烧数据和离子电流数据的动态采集;分析了不同初始工况下火焰半径、层流燃烧速度与火焰拉伸率随燃烧持续时间的变化趋势，结合燃烧过程的火焰传播图像获得了初始参数对火焰燃烧特性的影响规律。
开展了混合气层流火焰燃烧过程中离子电流形成机理研究，建立了离子电流计算模型。基于火焰发展不同阶段的火焰电离机理，分别建立了火焰化学电离反应期、火焰热电离反应期的离子电流计算模型;分析了火焰半径、化学反应动力学、电离平衡、热力学、电离能、电极几何结构和电场对离子电流特性的影响，揭示了电离能、电离率、温度和当量比对带电离子生成浓度的影响规律;采用两区域燃烧模型对离子电流进行了数值求解，获得了不同工况下离子电流随燃烧持续时间的演变规律并分析验证了计算模型的正确性。
开展了定容燃烧弹内天然气/H2/CO2混合气层流火焰燃烧过程离子电流特性的实验研究。分析了混合气不同初始参数对离子电流特性的影响，揭示了火焰发展不同阶段与离子电流波形的火花点火期、化学电离反应期和热电离反应期之间的内在关联;分析了电场电压、电极直径、电极间隙和电极有效测量面积对离子电流波形特征的影响，获得了混合气不同初始参数下离子电流波形特征随燃烧持续时间的演变规律。
开展了定容燃烧弹内天然气/H2/CO2混合气体燃烧质量、燃烧压力、燃烧放热率与离子电流特性的相关性研究。基于离子电流信号特征与燃烧质量之间的相关性，构建了利用离子电流波形参数结合韦伯函数计算燃烧过程已燃质量分数新方法，该方法可依据具体燃烧过程来获取已燃质量分数的形状因子和效率因子，减小了误差，提高了计算精度。基于燃烧过程离子电流信号和燃烧压力信号的相关性，揭示了离子电流化学电离峰值时刻及其热电离流一阶导数峰值时刻与燃烧压力升高率最大值时刻和燃烧压力峰值时刻的对应关系，进而为基于离子电流信号实现对点火提前角的反馈调节提供了新方法。基于离子电流信号与燃烧放热率之间的相关性，揭示了火焰电离反应机理、带电离子浓度和放热率之间的内在关联，获得了燃烧放热率波形与离子电流波形之间的相关性，为基于离子电流信号来分析获取燃烧热效率特性提供了理论依据和新的技术路径。
本文以不同初始工况下天然气/H2/CO2混合气体层流火焰的燃烧特性、离子电流特性、燃烧特性与离子电流特性的相关性为研究重点，开展了层流预混火焰燃烧特性与离子电流特性的实验和数值模拟计算研究。研究工作阐明了混合气初始参数对层流火焰燃烧特性和离子电流特性的影响，揭示了火焰发展演变过程中的火焰电离机理，得到了火焰传播过程与离子电流波形之间的内在关联，构建了离子电流数值计算模型，获得了离子电流特性与混合气燃烧质量、燃烧压力和燃烧放热率之间的相关性。
开展了定容燃烧弹内天然气/H2/CO2混合气体层流火焰燃烧特性的实验研究。搭建了定容燃烧弹离子电流测量系统实验平台，开发设计了离子电流采集和数据处理程序，结合高速纹影摄影系统实现了对层流火焰燃烧数据和离子电流数据的动态采集;分析了不同初始工况下火焰半径、层流燃烧速度与火焰拉伸率随燃烧持续时间的变化趋势，结合燃烧过程的火焰传播图像获得了初始参数对火焰燃烧特性的影响规律。
开展了混合气层流火焰燃烧过程中离子电流形成机理研究，建立了离子电流计算模型。基于火焰发展不同阶段的火焰电离机理，分别建立了火焰化学电离反应期、火焰热电离反应期的离子电流计算模型;分析了火焰半径、化学反应动力学、电离平衡、热力学、电离能、电极几何结构和电场对离子电流特性的影响，揭示了电离能、电离率、温度和当量比对带电离子生成浓度的影响规律;采用两区域燃烧模型对离子电流进行了数值求解，获得了不同工况下离子电流随燃烧持续时间的演变规律并分析验证了计算模型的正确性。
开展了定容燃烧弹内天然气/H2/CO2混合气层流火焰燃烧过程离子电流特性的实验研究。分析了混合气不同初始参数对离子电流特性的影响，揭示了火焰发展不同阶段与离子电流波形的火花点火期、化学电离反应期和热电离反应期之间的内在关联;分析了电场电压、电极直径、电极间隙和电极有效测量面积对离子电流波形特征的影响，获得了混合气不同初始参数下离子电流波形特征随燃烧持续时间的演变规律。
开展了定容燃烧弹内天然气/H2/CO2混合气体燃烧质量、燃烧压力、燃烧放热率与离子电流特性的相关性研究。基于离子电流信号特征与燃烧质量之间的相关性，构建了利用离子电流波形参数结合韦伯函数计算燃烧过程已燃质量分数新方法，该方法可依据具体燃烧过程来获取已燃质量分数的形状因子和效率因子，减小了误差，提高了计算精度。基于燃烧过程离子电流信号和燃烧压力信号的相关性，揭示了离子电流化学电离峰值时刻及其热电离流一阶导数峰值时刻与燃烧压力升高率最大值时刻和燃烧压力峰值时刻的对应关系，进而为基于离子电流信号实现对点火提前角的反馈调节提供了新方法。基于离子电流信号与燃烧放热率之间的相关性，揭示了火焰电离反应机理、带电离子浓度和放热率之间的内在关联，获得了燃烧放热率波形与离子电流波形之间的相关性，为基于离子电流信号来分析获取燃烧热效率特性提供了理论依据和新的技术路径。