汽车燃油辅助加热器数值模拟研究

摘要

在我国的一些北方地区，时常出现的极端低温情况，使得汽车性能变差。汽车燃油辅助加热器作为完全独立于发动机的加热装置，能够充分改善汽车冷启动。因此关于如何提高汽车燃油辅助加热器性能的研究具有重要的意义。本文利用数值模拟方法探究了各结构参数对汽车燃油辅助加热器性能的影响，并对原始模型进行了结构改进。主要工作与成果如下： （1）应用FLUENT软件对某汽车燃油辅助加热器进行了燃烧模拟，并对Y=0截面的温度场分布以及各组分分布进行了分析。结果显示，汽车燃油辅助加热器温度场均匀指数为50.48%，出口氮氧化物质量分数为2.25×10-7，出口平均CO质量分数为0.046，出口平均O2质量分数为0.039。模型内部温度场分布不均匀，火焰筒内后燃现象比较严重，整体CO、氮氧化物排放量不高但还有降低的空间。另外，由Y=0截面温度场和氮氧化物分布云图可以看出，在温度较高处，氮氧化物浓度比较高，可以推断出氮氧化物主要是由于局部温度过高所致，即产生的氮氧化物多为热力型。 （2）分析了各结构参数对于汽车燃油辅助加热器的单一性能（即温度场均匀指数、出口氮氧化物含量）的影响。结果发现，仅改变喷口半径R时，温度场均匀指数及出口氮氧化物含量总体均呈下降趋势。仅增大一二次风进风量比时，温度场均匀指数呈上升趋势，出口氮氧化物含量呈下降趋势。受导流板缩口位置的影响，仅改变喷口距离Lk时，燃烧室温度场均匀指数波动较大，出口氮氧化物含量呈现先减小后增大的趋势。仅改变燃烧室长度Lr时，温度场均匀指数及氮氧化物排放均有总体上升的趋势。 （3）鉴于某些具体的工程应用中对于汽车燃油辅助加热器的单一评价方式考虑得比较全面，且各单一性能指标可能产生互相影响的情况，本文针对已模拟计算过的不同结构参数的模型建立了一种综合性能评价方法，计算了选取的20个模型的综合性能得分并进行排序。综合评价指标中考虑的单一评价指标在温度场均匀指数、出口氮氧化物含量这两个评价指标的基础上加入了出口CO含量以及出口O2含量。结果显示，综合性能最优的模型各结构参数为R=1.0mm、一二次风进风量比为0.0605、Lk=31mm、Lr=157mm。 （4）针对改变结构参数对于解决汽车燃油辅助加热器后燃现象严重、温度分布不均匀效果不明显的问题，本文提出了一种改进的新结构，并选取三种新结构的参数，分析选择了流场效果最好的一种进行下一步模拟分析，并与改进前综合性能最优的模型进行了对比。结果表明，改进后的汽车燃油辅助加热器内部流体在燃烧室内形成了循环流动，燃烧室内温度场均匀指数比改进前提高了23.43%，柴油雾化更均匀，NOx排放降低了98.10%，CO降低了6.35%，O2利用率提高了11.34%。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 汽车燃油辅助加热器简介

1.2.1 工作原理

1.2.2 分类

1.3 国内外研究现状

1.3.1 汽车燃油辅助加热器研究现状

1.3.2 燃烧器结构优化研究现状

1.4 问题的提出与研究思路

1.5 本文主要研究内容

2 汽车燃油辅助加热器的数值模拟技术原理

2.1 物理模型

2.2 数学模型

2.2.1 控制方程

2.2.2 湍流模型

2.2.3 液滴模型

2.2.4 燃烧模型

2.2.5 辐射模型

2.2.6 NOx生成模型

2.3 边界条件

2.4 网格划分及网格独立性考核

2.4.1 网格划分

2.4.2 网格独立性考核

2.5 模拟结果分析

2.5.1 温度场分析及温度场均匀指数

2.5.2 氮氧化物分布分析

2.5.3 一氧化碳分布分析

2.5.4 柴油雾化分析

2.5.5 氧气分布分析

2.6 本章小结

3 汽车燃油辅助加热器结构参数对性能的影响

3.1 喷口半径对性能的影响

3.1.1 喷口半径结构参数

3.1.2 喷口半径对单一性能的影响

3. 2一二次风进风量比对性能的影响

3.2.1 一二次风进风量比结构参数

3.2.2 一二次风进风量比对单一性能的影响

3. 3喷口距离对性能的影响

3.3.1 喷口距离结构参数

3.3.2 喷口距离对单一性能的影响

3. 4燃烧室长度对性能的影响

3.4.1 燃烧室长度结构参数

3.4.2 燃烧室长度对单一性能的影响

3.5 不同结构参数的汽车燃油辅助加热器综合性能评价

3.5.1 主成分分析

3.5.2 综合性能评价

3.5.3 评价结果分析

3.6 本章小结

4 汽车燃油辅助加热器结构改进

4.1 新结构的提出

4.2 网格划分

4.3 三种改进后模型冷态模拟结果对比

4.3.1 速度场对比

4.3.2 压力场对比

4.3.3 湍动能对比

4.3.4 改进后模型的流场分析

4.4 燃烧结果分析及对比

4.4.1 温度场分析及温度场均匀指数

4.4.2 氮氧化物分布分析

4.4.3 一氧化碳分布分析

4.4.4 柴油雾化分析

4.4.5 氧气分布分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 结论

5.2 本文创新点

5.3 工作不足和展望

参考文献

个人简历、在学校期间发表的学术论文及研究成果

致谢