圖1.1 CFD輔助內燃機研發的過程

圖2.1 二沖程單缸發動機放熱率曲線（黑色）和噴油率曲線（藍色）。噴油持續期為1.5ms

［T_g=870K,ρ_g=22.8kg/m3,O₂=21%（體積分數）］

圖2.2 工況與圖2.1一致條件下的紋影圖像。豎直藍色線和紅色線分別表示液相長度和火焰浮起長度

圖2.3 柴油噴霧霧化示意圖［24］

圖2.4 噴霧區域示意圖［25］

圖2.5 不同種類的二次破碎示意圖［39］

圖2.6 非燃燒狀態下的液相長度和噴霧貫穿距[55]

圖2.7 噴孔直徑和噴油壓力對液相長度的影響[43]

圖2.8 噴霧貫穿距和噴霧錐角定義

圖2.9 著火過程中的甲醛PLIF（左側）和紋影圖像（右側）[14]

圖2.10 直噴式柴油機混合控制燃燒階段概念模型[15]

圖2.11 碳煙生成過程示意圖[107]

圖2.12 柴油機火焰中碳煙生成、氧化過程的概念模型[87,9]

圖2.13 回火過程的紋影圖像[13]

圖2.14 直噴式柴油機噴霧燃燒過程和對應的光學診斷技術

圖3.1 熱電偶測量預混火焰溫度

圖3.2 光學發動機中多重光學診斷技術同步測量示意圖

圖3.3 乙烯和空氣的預混火焰

圖3.4 紋影法光路布置和所測結果示意圖[2]

圖3.6 江蘇大學的定容燃燒彈

圖3.7 Sandia實驗室定容燃燒彈缸內壓力變化曲線［8］

圖3.8 幾個研究機構的定容燃燒彈

圖3.9 CMT實驗室的連續流動定壓燃燒彈及其剖視圖

圖3.10 美國Sandia實驗室的一款四沖程重型光學發動機

圖4.1 不同尺寸粒子的米散射強度示意圖

圖4.2 ECN組織不同機構米散射光路布置示意圖［1］

圖4.4 燃燒彈中多孔噴油器米散射光路布置示意圖

圖4.5 多孔噴霧米散射圖片處理劃分

圖4.8 噴霧軸線上的光學厚度分布［5］

圖4.9 “Z”形紋影技術布置

圖4.10 單孔柴油噴霧紋影布置示意圖［7］

圖4.11 單孔柴油噴霧紋影圖像

圖4.12 多孔噴油器雙通路紋影光路及其拍攝結果

a）雙通路紋影光路 b）拍攝結果

圖4.13 紋影噴霧“平均輪廓”圖像處理步驟［8］

圖4.14 二沖程光學發動機紫外光消光法

圖4.15 紋影法和紫外光消光法測試結果的比較

圖4.16 PIV測試原理示意圖

圖4.17 PIV測試系統示意圖

圖4.18 跨幀CCD相機曝光信號與激光脈沖信號時間序列［16］

圖4.20 PIV實驗速度場分布［27］

a）橫風速度分布 b）汽油噴霧速度場分布

圖4.21 基于PIV和LIF的噴霧速度測量［28］

a）噴霧整體結構 b）局部放大 c）氣相及液相的兩相速度分布

圖5.1 瑞利散射試驗光路布置圖

圖5.3 PLIF實驗光學裝置原理圖

圖5.4 激光，PLIF信號和ICCD相機拍攝門寬之間的時序示意圖

圖5.6 不同缸內溫度下熒光強度修正曲線

a） 天津大學［9］ b）威斯康星大學［8］ c) 埃因霍溫理工大學［11］

圖5.7 溫度不均勻性修正迭代流程［9］

圖5.8 熒光光譜以及帶通濾波片的透射率

圖5.9 示蹤粒子濃度與輻射光強的標定曲線

a）3PN產生的S_L b）3PN產生的S_s c）1MN產生的S_L d）1MN產生的S_s

圖5.10 LAS測試原理示意圖［17］

圖5.12 LAS實驗裝置布置示意圖

圖5.13 不同燃料的吸收光譜［22］

圖5.16 通過LAS測得的液相與氣相燃油濃度分布示例

圖6.1 高速自然發光法示意圖

圖6.2 高速自然發光法圖片示例（環境溫度750K）

注：圖像左上角數值所示為圖片灰色區域內最大灰度值［1］

圖6.3 兩種環境溫度（900K,750K）

注：下灰色區域最大強度值隨時間變化［1］

圖6.4 燃燒狀態下的高速紋影光路

圖6.6 紋影法定義著火延遲期示意圖

圖6.7 化學發光法光路示意圖

圖6.8 OH*化學發光圖像和火焰浮起長度獲得方法［11］

圖6.9 甲醛/PAH-PLIF和對應工況下的紋影圖

圖7.1 雙色法實驗布置示意圖

a）單個相機+立體鏡 b）兩個相機同步拍攝

圖7.2 彩色高速數碼相機芯片上的顏色過濾矩陣［4］

圖7.3 燃燒彈中鎢帶燈進行雙色法標定

圖7.4 燃燒彈中鎢帶燈進行雙色法標定

圖7.5 雙色法波長在550nm和650nm的求解區域［14］

圖7.6 激光誘導熾光法中傳熱、傳質過程示意圖［15］

圖7.7 立體角定義

圖7.8 激光誘導熾光法光路布置示意圖

圖7.9 LII信號強度和碳煙溫度與激光能量密度的關系［15］

圖7.10 柴油火焰中碳煙濃度二維分布［17］

a）瞬態下的碳煙濃度二維分布和連續點激光相對噴油器的位置 b）噴油過程中光電二極管捕捉到的點激光強度以及對應的KL_LEM值

b）噴油過程中光電二極管捕捉到的點激光強度以及對應的KL_LEM值

圖7.11 消光法原理示意圖

圖7.12 定容燃燒彈和光學發動機中LEM實驗布置圖［23］

a）燃燒彈 b）光學發動機

圖7.13 倒拖工況下和對應燃燒工況下激光投影到屏幕上的圖像［23］

a）倒拖工況 b）燃燒工況

圖7.14 LEM噴霧軸線測量［14］

圖7.15 DBI光學布置示意圖

圖7.16 LED燈打開、關閉相鄰兩張照片示例

圖7.18 背景光分別為藍光和綠光而得到的KL分布比值(KL_藍光/KL_綠光)［25］

圖7.19 CER技術原理示意圖［26］

圖7.20 CER技術光路示意圖

圖7.21 三種工況下DBI和LEM噴霧軸線上KL值比較［27］

圖7.22 三種工況下DBI和雙色法噴霧軸線上的KL值比較（4000μs ASOE）［27］

a）LS b）MS c）HS

圖8.1 光路布置示意圖

圖8.2 三種燃料的狀態關系（T_g=900K，ρ_g=22.8kg/m3）實線表示C₁₂H₂₆非燃燒工況

a）為溫度與混合分數的關系 b）為密度與混合分數的關系

圖8.3 紋影圖像處理得到的非燃燒和燃燒工況下噴霧貫穿距、貫穿距比值和貫穿速度，豎直虛線表示著火時刻（Spray A工況）

a）噴霧貫穿距 b）貫穿距比值 c）貫穿速度

圖8.4 非燃燒工況下由式（8-2）得到的理論k值與實驗擬合值的比較。噴霧錐角θ=24°

圖8.5 不同時刻下燃燒噴霧紋影輪廓和非燃燒與燃燒噴霧徑向寬度（SprayA工況）

a）紋影輪廓 b）徑向寬度

圖8.6 Spray A工況下燃燒與非燃燒噴霧的徑向半徑（噴霧貫穿距97mm）

圖8.7 Spray A工況下燃燒與非燃燒噴霧輪廓的線性擬合

圖8.8 Spray A工況下燃燒與非燃燒噴霧的錐角

圖8.9 Spray A工況下燃油特性對噴霧貫穿速度的影響。豎直虛線為試驗著火時刻

a）貫穿距 b）試驗貫穿速度 c）模擬貫穿速度

圖8.10 燃油特性對試驗常數k的影響

圖8.11 環境氣體溫度、氧體積分數和噴油壓力對噴霧貫穿速度k值的影響。實心圖標為試驗值,空心圖標為模擬值

a）溫度 b）氧體積分數 c）噴油壓力

圖8.12 不同環境溫度和氧含量局部燃燒與非燃燒密度比和混合分數的函數關系。燃油PRF0，密度ρ_g=22.8kg/m3

圖8.13 一維模型計算得到的噴霧貫穿速度的k值與試驗值的比較

圖8.14 ΔR隨環境溫度氧體積分數和噴油壓力的變化。實線表示試驗值，虛線表示模擬值

a）環境溫度 b）氧體積分數 c）噴油壓力

圖8.15 燃油特性對的影響

圖8.16 CER實驗布置示意圖

圖8.17 OH*層析重建圖像和原始圖像(p_inj=150MPa，ρ_g=22.8kg/m3，T_g=1000K，［O₂］=15%)

a）重建圖像 b）原始圖像

圖8.18 IXT圖像示例。豎直黑色虛線表示碳煙時間平均的區間

a）p_inj=150MPa，ρ_g=22.8kg/m3，T_g=1000K，［O₂］=15%b)p_inj=100MPa，ρ_g=22.8kg/m3，T_g=900K，［O₂］=15%

b）p_inj=100MPa,ρ_g=22.8kg/m3,T_g=900K,[O₂]=15%

圖8.19 不同消光波長下距離噴霧軸線1mm處軸向溫度的分布和距離噴嘴65mm處徑向溫度分布(p_inj=150MPa，ρ_g=22.8kg/m3，T_g=1000K，［O₂］=15%)

a）軸向溫度分布 b）徑向溫度分布

圖8.20 消光波長和輻射波長都為660nm時的信噪比(p_inj=150MPa，ρ_g=22.8kg/m3，T_g=1000K，［O₂］=15%)

圖8.21 不同輻射波長下距離噴霧軸線1mm處軸向溫度的分布和距離噴嘴65mm處徑向溫度分布(p_inj=150MPa，ρ_g=22.8kg/m3，T_g=1000K，［O₂］=15%)

a）軸向溫度分布 b）徑向溫度分布

圖8.22 假設的在噴霧中心對稱面上K的分布和投影的輻射強度，以及在噴霧中心對稱面假設的和重建的碳煙溫度分布

a）輻射強度 b）溫度

圖8.23 重建的碳煙體積分數和碳煙溫度與原始輸入數據的關系

a）碳煙體積分數 b）碳煙溫度

圖8.24 火焰對稱面碳煙體積分數（f_v）和溫度（T）分布。豎直虛線表示火焰浮起長度，紅色曲線表示OH*輪廓

a）p_inj=150MPa，ρ_g=22.8kg/m3，T_g=900K，［O₂］=15%

b）p_inj=1500bar，ρ_g=22.8kg/m3，T_g=1000K，［O₂］=15%

c）p_inj=100MPa，ρ_g=22.8kg/m3，T_g=900K，［O₂］=15%

d）p_inj=150MPa，ρ_g=22.8kg/m3，T_g=900K，［O₂］=21%

圖8.25 噴霧軸線上碳煙體積分數和溫度的分布

a）物理絕對坐標 b）火焰坐標

圖8.26 兩個環境溫度工況下的?-T圖和它們的相對分布（p_inj=1500bar,ρ_g=22.8kg/m3,[O₂]=15%）

a）T=900K b）T=1000K c)碳煙相對分布

圖8.27 兩個噴油壓力工況下軸線上碳煙體積分數和碳煙溫度分布(T_g=900K，ρ_g=22.8kg/m3，［O₂］=15%)

圖8.28 兩個噴油壓力工況下的?-T圖和它們的相對分布（T_g=900K,ρ_g=22.8kg/m3,[O₂]=15%）

a）p_inj=150MPa b）p_inj=100MPa c）碳煙相對分布

圖8.29 不同氧體積分數下噴霧軸線上碳煙體積分數和溫度的分布

a）物理絕對坐標 b）火焰坐標

圖8.30 碳煙體積分數徑向分布（p_inj=150MPa，T_g=900K，ρ_g=22.8kg/m3）

a）不同氧濃度下，在0.42火焰坐標處碳煙體積分數徑向分布 b）火焰坐標下KL的軸向分布

圖8.31 兩個氧濃度工況下的?-T圖（p_inj=150MPa,T_g=900K,ρ_g=22.8kg/m3）

圖8.32 非燃燒工況下噴霧貫穿距

a）噴霧間隔的影響 b）第一次噴霧脈寬的影響

圖8.33 紋影法和OH*化學發光法得到的兩個噴霧脈沖的著火延遲期和火焰浮起長度。藍色代表第一次噴霧結果，紅色表示第二次噴霧結果

圖8.34 標準工況(500-500-500)下燃燒噴霧發展過程。黑色曲線代表紋影圖像得到的噴霧輪廓，紅色曲線代表由OH*圖像得到的對稱面上的OH*自由基輪廓

圖8.35 標準工況（500-500-500）的m_soot（x,t）云圖、I_OH（x,t）圖輪廓以及噴霧貫穿距

圖8.36 噴霧間隔不同工況，總體碳煙量，平均碳煙溫度和m_soot（x,t）云圖輪廓（基于時間ASOI2）

a）總體碳煙量 b）平均碳煙溫度 c）云圖

圖8.37 第一次噴霧持續時間不同工況下總體碳煙量，平均碳煙溫度和m_soot（x,t）云圖輪廓（基于時間ASOI2）

a）總體碳煙量 b）平均碳煙溫度 c）云圖

圖8.38 紋影成像和UV-LA的光路布置

圖8.39 PIV光路布置示意圖

圖8.40 PIV測試面的分布

圖8.41 NO工況下氣缸內的熱力學條件

圖8.42 CC測試截面上平均氣流速度場隨時間的變化

圖8.43 不同截面上的速度場分布

圖8.44 由紋影成像得到的正十二烷（C₁₂H₂₆）和混合燃油（mix）在NO1500和LD1500工況下的噴霧貫穿距

圖8.45 NO1500工況下紋影成像和UV-LA技術的比較

圖8.46 NO工況下紋影法和UV-LA測得的噴霧貫穿距的比較（T_g=870K，O₂=0,p_inj=150MPa，ρ_g=22.8kg/m3）

圖8.47 正十二烷（C₁₂H₂₆）和混合燃油（mix）在NO1500和LD1500工況下的液相長度

圖8.48 非燃燒工況下與ECN噴霧貫穿距的比較

圖8.49 UV-LA測得的噴霧輪廓隨時間變化以及PIV測得速度流線（SA1500）

圖8.50 SA1500工況下非燃燒噴霧（左圖）和燃燒噴霧（右圖）的瞬態發展

圖8.51 SA1500工況下的燃燒噴霧貫穿距與ECN數據的對比

圖8.52 SA工況噴霧貫穿距與氧濃度的敏感性（p_inj=150MPa，T_g=900K，ρ_g=22.8kg/m3）

圖8.53 SA工況下不同氧濃度時的著火延遲期和火焰浮起長度（p_inj=150MPa，T_g=900K，ρ_g=22.8kg/m3）

a）著火延遲期 b）火焰浮起長度

圖8.54 不同環境溫度下的著火延遲期和火焰浮起長度（p_inj=150MPa，O₂=21%，ρ_g=22.8kg/m3）

a）著火延遲期 b）火焰浮起長度

圖8.55 SA工況下m_soot（x,t）云圖和總體碳煙質量與ECN數據的對比（p_inj=150MPa，T_g=900K，O₂=21%，ρ_g=22.8kg/m3）

a）發動機 b）ECN c）總體碳煙質量

圖8.56 碳煙測試光路示意圖

圖8.58 與圖8.57對應循環的放熱率（AHRR）曲線和40次循環的平均值t（C12，LT500）

圖8.59 應用輻射圖像判斷碳煙/非碳煙循環的步驟（C12,LT500）

a）單個噴油循環每幀圖像的灰度值的積分 b）不同循環的總體輻射強度

圖8.60 每循環總體碳煙量與總體碳煙輻射強度的關系（C12,LT500）

圖8.61 所有工況的碳煙循環概率

圖8.62 噴霧軸向速度（實線）與環境氣體軸向速度（虛線）的對比（T_a=760K，ρ_a=19.3kg/m3）

圖8.63 正十二烷在LT500工況下OH*圖像六次噴霧的示例

圖8.64 正十二烷不同工況下的LOL和對應的Φ_H。誤差條表示循環波動

圖8.65 由DBI圖像所有循環平均得到的三種噴油壓力下的噴霧軸線上的KL值（3800μs ASOI）

a）LT，正十二烷 b）MT，正庚烷

圖8.66 光路偏折效應對正庚烷KL值的影響（3800μs ASOI，LT工況）

a）所有碳煙循環平均得到的軸線上KL值 b）LT1000工況下的軸線上KL值

圖8.67 DBI與雙色法在噴霧軸線上KL值對比

a）HT500，C12（碳煙循環概率=100%）b）LT500，C12（碳煙循環概率=92.5%）

c）HT500，C7（碳煙循環概率=96.7%）d）MT1000，C7（碳煙循環概率=23.3%）

圖8.68 模型中簡化的非燃燒噴霧（左圖,t=t_SOC-）在著火時刻向燃燒噴霧（右圖t=t_SOC+）瞬態變化的過程

圖8.69 由公式計算得到的關于徑向膨脹的簡化描述（）。膨脹參考區間,分別假定LOL=17mm不變,S_SOC變化，以及假定S_SOC=32mm不變,LOL變化