点火与火焰之间的理论联系为改进燃烧发动机提供了路线图

2024年1月18日发表在《流体物理学》杂志上的一项研究由来自东北大学的研究人员从理论上将点火和火焰与燃烧系统中的爆燃联系起来，为稳定、高效的燃烧引擎开启了新的设计路径。他们认为可能存在任意数量的稳态解。

该研究直接应对了减少二氧化碳排放挑战，提高燃烧引擎效率问题。东北大学流体科学研究所的Youhi Morii表示：“更好地理解燃烧动力学还将支持更安全、更可持续的工程解决方案的发展。”

燃烧动力学涉及复杂的流体和化学反应耦合。研究人员利用计算流体动力学来帮助他们更好地理解和控制这一过程。

他们认为，如果可以利用在稳定状态下稳定运行并对小扰动有一定容忍范围的系统，将简化燃烧室结构和控制，并增加新型燃烧器设计商业化的可行性。

为了探索这一概念，东北大学的研究人员考虑了一个简单的一维反应流系统，在这里未燃烧的预混气体从左入口边界进入燃烧室，而燃烧的气体或火焰从右出口边界流出。

到目前为止的工作理论认为，只有当入口速度与火焰波（以亚音速传播）的速度或爆轰波的速度相匹配时，才存在稳态解。

然而，最近的研究强调了“自燃协助火焰”的重要性，这意味着可能存在任意数量的稳态解，这些解影响了气体在火焰前停留的时间。东北大学的研究人员认为，通过理论的桥梁，成功地连接了点火和火焰之间的差距，揭示了当他们考虑到“自燃反应波”时可能存在额外的稳态解。

因此，稳态解不仅仅存在于入口速度与火焰波或爆轰波的速度相匹配的两个点，而且在更广泛的区域内也存在。

该团队进一步将理论扩展到涉及超音速入口速度的情景。在超音速领域，传统理解是只有当入口速度与爆轰波速度相匹配时才可能存在稳态解。然而，研究人员认为，由于自燃反应波源自零维点火，因此它应该独立于入口速度。

通过从理论上将点火和火焰联系起来，引擎现在可以从新的角度来考虑。考虑点火现象提供了更稳定燃烧的可能性，引发了比传统引擎更高效的引擎概念。

尽管理论和数值结果提供了一个新的引擎概念，但尚未经过实验证明。因此，该团队计划通过进一步的实验验证将研究成果应用到实际引擎中。