缸内直喷式柴油/天然气双燃料转子发动机的数值模拟研究

摘要

天然气作为柴油的一种替代燃料，在发动机上应用己久，技术也已较为成熟，但把缸内直喷技术应用于柴油/天然气双燃料转子发动机，则未见到报道。本文以FLUENT软件为平台，结合自行编制的UDF程序，对天然气转子发动机的缸内气体流动和燃烧过程进行了数值模拟研究，并把所得结果与文献结果进行了对比，验证了模型的可靠性。在此基础上，对KKM502型转子发动机进行直喷化改造后，采用柴油/天然气双燃料时，缸内燃烧过程进行了模拟，研究内容包括：在纯柴油工作模式下，不同燃油喷射方向和不同负荷对燃烧及排放物生成的影响；在柴油/天然气双燃料工作模式下，以不同比例的天然气替代柴油时，其缸内燃烧过程和排放物生成量的变化情况。 本文的主要创新点及结论如下： (1)建立了转子发动机的二维动网格模型，并对其模型进行了修正，使其具有更好的网格适应性和收敛性。 (2)采用了更为精细的燃油喷雾模型，使其计算结果更具有可靠性。 (3)对KKM502型转子发动机采用缸内直喷技术改造后，在使用柴油做燃料时，不同燃油喷射方向对缸内燃烧过程及排放物生成量的影响进行了对比研究，所得结果表明：采用45°角的燃油喷射方向时，具有较好的动力性能，而排放性能稍差，随着角度的增加，排放性能会有所提高，动力性能则会开始下降。 (4)对KKM502型缸内直喷转子机，使用天然气作为柴油的替代燃料，在不同混合比下，其缸内燃烧过程及排放物生成情况进行了仿真对比研究。结果表明：随着天然气替代柴油的比例不断增加，总体NO和Soot生成量不断降低；当天然气替代率为35％时，具有最高的缸内平均温度；当天然气替代率为75％的时候，具有最高的缸内平均压力。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1转子发动机工作原理及技术特点

1.1.1工作原理

1.1.2技术特点

1.1.3应用情况

1.2国外研究概况

1.2.1美国研究概况

1.2.2德国研究概况

1.2.3英国研究概况

1.2.4日本研究概况

1.3国内研究概况

1.4本文的研究意义

1.5本文的主要研究内容

第二章计算流体力学综述及其在转子机模拟研究中的应用

2.1计算流体力学概述

2.1.1引言

2.1.2 CFD的具体工作步骤

2.1.3 CFD的特点

2.1.4 CFD的分支

2.2常用CFD软件的比较

2.3转子发动机燃烧室内工作过程仿真的概况

2.3.1零维模型

2.3.2准维模型

2.3.3多维模型

2.4本章小结

第三章FLUENT软件及数学模型综述

3.1 FLUENT软件构成

3.2用FLUENT程序求解问题的步骤

3.3基本控制方程

3.4求解方法

3.4.1分离算法

3.4.2耦合算法

3.4.3方程的线性化与离散化

3.4.4差分格式

3.4.5亚松弛方法

3.5动网格技术

3.5.1动网格守恒方程

3.5.2动网格更新方法

3.5.3动态边界的运动方式

3.6本章小结

第四章转子发动机物理模型和边界条件

4.1基本假设

4.2湍流模型

4.2.1湍流模型概述

4.2.2 RNGk-ε湍流模型

4.2喷雾模型

4.3.1喷雾模型概述

4.3.2 DDM模型

4.3.3 FLUENT喷雾模型

4.4燃烧化学反应模型

4.4.1燃烧模型

4.4.2 NOx排放模型

4.4.3 Soot排放模型

4.5初始条件和边界条件

4.5.1速度边界条件

4.5.2温度边界条件

4.5.3湍流k-ε方程边界条件

4.5.4喷雾边界条件

4.6本章小结

第五章模拟对象及模型检验

5.1模拟对象及参数

5.2物理模型的建立

5.2.1几何模型的建立方法

5.2.2网格划分及动网格的设置

5.3计算结果及分析

5.3.1流场计算结果及其分析

5.3.2缸内湍流动能分布

5.3.3缸内平均性能参数及与文献结果的对比

5.3本章小结

第六章双燃料转子发动机的数值模拟

6.1模拟对象及参数

6.2几何模型的建立和网格划分

6.3燃油喷射方向对柴油转子发动机燃烧过程的影响

6.3.1不同燃油喷射方向时燃烧室的缸内平均性能变化曲线

6.3.2不同燃油喷射方向对燃烧室缸内温度场的影响

6.3.3不同燃油喷射方向燃烧室内NO瞬时密度的分布情况

6.3.4不同燃油喷射方向时燃烧室内Soot瞬时密度分布情况

6.4负荷变化对燃烧过程的影响

6.4.1负荷变化对缸内平均性能参数的影响

6.4.2不同负荷状况下缸内瞬时温度分布

6.4.3不同负荷状况下缸内NO和Soot瞬时浓度分布

6.5柴油/天然气不同油气比情况

6.5.1不同油气比时燃烧室缸内平均性能变化曲线

6.5.2不同柴气比时燃烧室缸内瞬时温度分布情况

6.5.3不同柴气比时燃烧室缸内瞬时NO和Soot分布情况

6.6本章小结

第七章结论与建议

7.1研究结论及主要创新点

7.2今后工作的建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目

致谢