转子发动机是往复式活塞发动机之外的又一种高效内燃机,因其结构简单、零部件少、运转平稳、可燃用多种燃料等优点而被广泛应用于军事和民用领域。近年来,随着传统石油能源危机和环境污染问题的加剧,多种新型替代燃料被广泛尝试应用在了转子发动机上,比如:天然气、氢气、生物柴油等。其中,天然气作为一种储量丰富、清洁、高效的气体燃料被认为转子发动机理想燃料之一。但是,转子发动机狭长的燃烧室和单向流动不利于燃烧火焰向周围快速传播,而当燃用天然气时,天然气较慢的燃烧速度会进一步加剧这一问题。对此,通过在天然气转子发动机掺混氢气进行燃烧可以有效解决天然气燃烧速度慢的问题。此外,不可忽略的是,转子发动机的独特结构和运行方式导致了其径向密封漏气的固有缺陷,而一旦采用天然气和氢气这两种气体燃料,气体燃料会因径向密封的缺陷而产生严重的泄露。因此,在考虑径向密封漏气的前提下深入研究天然气掺氢转子发动机的工作过程,对该型转子发动机性能的提升具有重要的学术和实用价值。本文以端面进气天然气掺氢转子发动机为研究对象,通过分析现有的研究动态,明确了提升该型发动机燃烧效率的研究重点应该聚集在缸内混合气的形成和燃烧机理上。为此,本文中建立了考虑径向密封漏气的天然气掺氢转子发动机数值模拟模型,并通过PIV(Particle Image Velocimetry)流场测试结果和缸压测试结果等实验数据对该模型进行了验证。以此为基础,深入研究了运行工况、结构参数对天然气掺氢转子发动机缸内流场发展、燃烧过程和污染物生成的影响。研究过程中取得的具有学术和实用价值的研究成果如下:(1)构建了考虑径向密封漏气工况的天然气掺氢转子发动机数值模拟动态模型。首先,在考虑到三个燃烧室之间的径向密封漏气的基础上,实现了对转子发动机三个燃烧室的同时建模以及网格划分。然后,以FLUENT软件为基础,完成了动网格程序的编写,实现了燃烧室内的三维网格运动,并添加了合适的湍流模型、燃烧模型和简化的化学反应机理,构建了考虑径向密封漏气的天然气掺氢转子发动机数值模拟动态模型。最后,通过PIV测试流场结果和缸压测试结果等实验数据,验证了该模型的可靠性。(2)揭示了径向密封漏气作用下燃烧室内的三维流场形成规律。通过数值模拟研究,首先发现了漏气缝隙大小对流场的影响规律为:在发动机的进气和压缩冲程,小漏气缝隙会增强燃烧室前端涡流的湍流强度,推迟整个燃烧室内涡流消散时间;大漏气缝隙会破坏燃烧室前端涡流,加快整个燃烧室内涡流的消散。然后,进一步发现了在漏气缝隙不变的情况下,以上漏气缝隙对流场的影响程度会随着转速的提高而减弱。(3)获得了氢气喷射位置对缸内混合气形成和燃烧过程的影响规律。在天然气喷射条件不变的情况下,通过数值模拟研究发现:当氢气喷嘴位于缸体中部位置时,在点火时刻可以使氢气主要分布在燃烧室的中前部,并且在火花塞的周围的浓度较高,同时氢气的向相邻燃烧室的泄漏量较少。这种氢气分布有利于燃烧过程初期火核的形成,并在火焰传播过程中加速位于燃烧室中前部天然气的燃烧。(4)阐明了氢气喷射角度对缸内混合气形成和燃烧过程的影响规律。在天然气喷射条件不变的情况下,同时当氢气喷嘴位于缸体中部位置时,通过数值模拟研究发现:为了使氢气尽可能多的分布在燃烧室的中前部并保证火花塞的周围的浓度较高,那么随着氢气喷射时刻的改变,氢气的喷射角度也应相应改变。具体为:当氢气在发动机进气冲程阶段进行喷射时,喷射角度应采用-30°。而当氢气在发动机压缩冲程阶段进行喷射时,喷射角度应采用+60°。本文为端面进气天然气掺氢转子发动机燃烧效率的提高提供了理论指导。同时,本文中提出的研究方法和相关结论也有助于开展其他种类燃料转子发动机的研发工作。