气相混合物燃烧过程特性的研究是内燃机燃烧过程精细控制的前提。采用预混点燃模式的汽油机由于燃料无法短时间内充分蒸发与扩散,因此往往在缸内形成不均匀浓度场,采用扩散燃烧模式的柴油机因其燃料及喷油特性,燃烧过程中存在过浓区与稀薄区,而对于新型的均质压燃燃烧模式而言,采用浓度分层燃烧来控制其放热率也是一条重要的技术路径,因此燃烧室内部均存在一定意义上的浓度分层这一情况广泛的存在于内燃机的燃烧过程中。研究火焰跨浓度分层传播过程对内燃机燃烧过程的分析具有重大意义。基于此目标,本课题设计、搭建了一套径向浓度分层燃烧装置,进行了燃烧装置的验证工作,并将该燃烧器投入了实际应用中,进行了针对火焰跨浓度传播的实验研究。本课题具体内容包括:1.燃烧器系统的搭建。所开发的燃烧器系统以McKenna层流火焰燃烧器的结构作为基本构型发展而来,在原本单一浓度混合气预混腔的基础上增加了混合气浓度分层机构,将多路不同浓度的混合气进行排布,形成环状嵌套的浓度分层混合气,从燃烧口处流出,形成径向浓度分层。燃烧器系统包含:1)燃烧器本体、2)混合气供给系统、3)冷却系统、4)点火系统、5)火焰温度传感系统、6)光学观测系统。其中燃烧器本体主要包含:(1)底座、(2)分层机构、(3)透气金属盘、(4)冷却水套。在进行燃烧器本体设计过程中,首先通过热力学计算确定了燃烧器透气金属盘尺寸,进而确定整个燃烧器的尺寸链;其次对燃烧器分层机构的结构以及工作原理进行了阐明。完成燃烧器本体的设计后,对燃烧器系统的其它部分进行了搭建,其中光学观测系统通过一面三棱镜和一面反射镜达到了同时将火焰的侧方图像以及上方图像传递给光学分析设备的效果。2.燃烧器系统的验证实验。设计了针对燃烧器本体、冷却系统、混合气供给系统、光路系统的针对验证实验,以及系统准确性验证实验。1)燃烧器本体验证实验中,将定性配置的稀、浓、极稀三种混合气以不同的组合方式通入燃烧器的1、3、5层中进行燃烧,在第一层浓第五层稀、第三层浓第五层稀等工况下,燃烧器表面火焰出现了明显分层,燃烧器本体可用性得到验证。2)冷却系统验证实验中,以混合气当量比1.0,来流速度20.91cm/s这一最大热负荷工况为实验工况,持续进行了两小时的燃烧实验,并在前30分钟每半分钟测量冷却水套外壁温度,冷却水套外壁温度升高速度逐渐降低,第24至第30分钟时稳定在27℃-28℃之间,两小时后升高至31℃,始终低于100℃,冷却系统功能性得到验证。3)在燃烧器系统整体试运行实验中,进行了8种不同混合气供给方案下的燃烧实验,并利用光路系统采集了8个工况下的火焰图像,利用温度传感系统采集了4个工况下的火焰温度分布数据,光学图像能够清晰完整的显示火焰的侧视图与俯视图,光路系统通过验证,不同层位的火焰亮度与混合气供给系统的配制浓度符合混合气浓度越高火焰亮度越高的一般规律,混合气供给系统通过验证,不同工况下的火焰温度分布于1147K-826K之间,且不同位置处的火焰温度分布与其它研究中的结果向符合,燃烧器温度传感系统通过验证。4)燃烧器系统准确性验证中,对燃烧器产生的甲烷-空气火焰的稀可燃极限进行了测定,测定结果位于当量比0.45-0.5范围内,其它研究结果位于范围0.46-0.5当量比范围内,实验结果与其它研究相符合,燃烧器系统准确性通过验证。3.燃烧器系统的实际应用。利用燃烧器进行火焰跨浓度梯度传播实验,实验目标为:探究分层方式、整体浓度分布、分层梯度对于火焰传播过程中火焰半径、传播速度、放热百分比曲线的影响。实验方案中,设计了均质、内高外低、外高内低、中间浓度低内外浓度高共4种混合气供给方式,并在每种供给方式下设计了最高浓度从1.0当量比至0.8当量比的不同整体浓度分布的工况,以及从0.1当量比到0.2当量比的不同浓度梯度的工况,通过高速相机以500pps的拍摄速度,336×800的分辨率对火焰点燃的瞬间进行拍摄,并利用图像处理手段得到火焰的半径、传播速度、放热百分比随时间的变化情况。例如内中外三层混合气均为1.0当量比浓度的工况下,火焰扩散过程中共拍下5张图像,每张火焰图像中俯视图的火焰半径分别为5.066mm、9.983mm、15.049mm、19.668mm、25.032mm,计算得到的火焰传播速度分别为2.53m/s、2.46 m/s、2.53 m/s、2.31 m/s、2.68 m/s,每张图像中火焰的放热百分比分别为2.03%、14.72%、35.16%、63.17%、100%。实验得到了以下结论:火焰沿径向传播过程中,其传播与放热速度对内层低浓度以及外层低浓度的分层方式较为敏感,对中层低浓度的分层方式敏感性不高;当内层浓度低于0.7当量比时,火焰的初期传播过程会出现明显的迟缓现象,当外层浓度低于0.6当量比时,火焰的末期传播过程会出现明显的迟缓现象;浓度梯度的大小对内层低浓度以及外层低浓度的分层方式影响不大,对中层低浓度的分层方式有较为明显的影响。