基于非线性大涡模拟的甲醇发动机仿真研究

摘要

甲醇发动机作为一种新兴的清洁能源技术，为发动机节能减排提供了较大的帮助；大涡模拟随着计算资源的发展也逐步开始应用于工程当中，在甲醇发动机的缸内模拟和喷雾燃烧模拟中起到了重要作用，由于发动机缸内数值模拟的复杂性和瞬时变化特性，采用大涡模拟的方法能够满足计算资源的要求同时准确捕捉物理化学场的瞬态变化；预混燃烧和喷雾燃烧作为两种主要的燃烧方式，在发动机中应用较为广泛，甲醇裂解气缸内预混燃烧和甲醇喷雾燃烧在本文中都进行了详细的模拟分析；裂解气的缸内模拟是为了对汽油机进行改造，使其变为火花塞点火式甲醇发动机；对甲醇喷雾燃烧进行分析是为了对柴油机进行改造，使其变为压燃式甲醇发动机。 化学反应机理的分析，选择不同化学反应机理同着火延迟时间的实验值进行对比，得出了在不同环境条件下(温度、压力、当量比等)同实验值的匹配程度，结果表明在Sandia机理在以N2为惰性气体、高温高压的条件下同实验值匹配较好，同时该反应机理的组分和反应过程适中，能够满足计算资源的要求。 发动机缸内燃烧模拟分析，在化学反应机理选定后，模拟在不同甲醇裂解率条件下发动机缸内燃烧的情况，分析不同的甲醇裂解率对缸压和尾气排放的影响，选择两组不同的裂解率(0%、30%)进行分析对比，得出在不同条件下（发动机转速、过量空气系数、点火提前角）对发动机动力性和排放性的影响。 甲醇喷雾仿真模拟分析，选择不同的大涡模拟模型单方程粘性模型、Smagorinsky模型、梯度结构模型，分析在不同模型下对喷雾贯穿距的影响，结果表明梯度结构模型能够准确捕捉在气液两相界面处动能的传递，在计算喷雾贯穿距时，梯度结构模型的模拟值同实验值匹配最好。 甲醇喷雾燃烧过程分析，在建立准确的喷雾模型之后，模拟发动机缸内高温高压的环境使甲醇喷雾在缸内充分雾化蒸发后进行燃烧反应，结果表明液态拉格朗日粒子分布位置和速度具有随机性，不同模型条件下进行液态颗粒雾化分散及蒸发计算的结果不同，因此对气态甲醇的分布影响不同，特别是气体的湍动能差别较大，造成不同模型条件下气态甲醇同空气的混合程度不同。最后将准确的喷雾模型同压燃式发动机结合起来，进行缸压匹配并分析燃烧过程,分析结果后发现，在提前喷射(-140℃A)时甲醇和空气能够进行充分混合，近似为预混燃烧，有效的提高发动机的燃烧效率，并降低污染物排放。

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