基于单组分燃油的柴油机喷雾燃烧过程数值模拟

摘要

CFD(computational fluid dynamics)三维数值模拟研发周期短、成本低、结果直观，使具体了解柴油机缸内气体流动、喷油雾化过程和燃烧过程成为可能。但是柴油雾化和燃烧模型因柴油组分的不同还有一定的局限性，本文为了建立耦合多组分燃料的柴油机喷雾燃烧模型，进行了单组分燃油特性及反应机理的初步研究。
　　首先通过台架性能试验分析柴油机的基本性能和常规排放数据，以及工作过程的气缸压力、放热率。通过三维造型软件Pro/E对4B26柴油机进行实体模型的构建，将stl文件导入FIRE软件，应用FAME Advanced Hybrid模块完成网格划分，并应用FAME Engine Plus模块生成动网格。选用合适的喷雾、燃烧和排放物生成模型，依据试验数据确定边界条件和初始条件，进行三维瞬态数值模拟，通过进气、燃烧和排放过程的模拟结果与试验测量值对比，误差都在5％以内，验证了模型有效。
　　通过缸内气体流动速度场和运动迹线的分析，总结了缸内滚流与涡流的形成和运动规律。围绕缸内流场、湍动能的变化，燃油破碎、蒸发和混合气浓度的变化，分析了柴油和单组分替代燃料对缸内喷油雾化过程的影响。通过燃油喷射过程缸内湍动能和涡流比的变化，分析柴油及其单组分替代燃油对缸内气体流动的影响，进而研究了对燃油喷雾粒子云图演变过程的影响。
　　结合柴油及其单组分燃油雾化过程，通过放热规律研究了燃料在预混燃烧期和扩散燃烧期的已燃和未燃燃料质量、平均缸内压力以及放热量，分析了单组分替代燃料对燃烧速率的影响。
　　并通过缸内平均温度和缸内温度在不同曲轴转角、不同位置的分布情况，研究了柴油及其单组分燃油的燃烧着火区域及扩散情况。结合缸内温度分布和氧浓度，分析了NO和soot排放物生成历程，进一步研究了单组分燃油的排放物生成机理。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 柴油机进气-喷雾-燃烧研究的发展与现状

1．2．1 试验研究

1．2．2 柴油机工作过程仿真模型的分类

1．2．3 柴油机工作过程模拟仿真技术

1．3 单组分燃油燃烧模拟的研究现状

1．3．1 柴油的品质参数

1．3．2 单组分燃油反应机理

1．3 课题主要研究内容

第二章 柴油机喷雾燃烧的数学模型

2．1 流动控制方程组

2．2 喷雾模型

2．2．1 喷雾模型基本控制方程

2．2．2 液滴蒸发模型

2．2．3 喷雾破碎模型

2．2．4 碰壁模型

2．3 燃烧模型

2．3．1 湍流燃烧模型

2．3．2 点火与燃烧子模型

2．4 排放物生成模型

2．4．1 NOx排放物模型

2．4．2 碳烟排放物模型

2．5 本章小结

第三章 柴油机燃烧模型的构建及试验验证

3．1 柴油机燃烧模型的构建

3．1．1 柴油机的基本参数

3．1．2 三维几何模型的建立

3．1．3 进气道-燃烧室网格划分

3．1．4 初始条件和边界条件的设置

3．2 柴油机台架性能试验

3．2．1 试验设备

3．2．2 试验方案

3．3 数值模拟结果分析与验证

3．3．1 进气过程分析

3．3．2 燃烧过程分析

3．3．3 排放性能分析

3．4 本章小结

第四章 基于单组分燃油的柴油机缸内喷雾过程分析

4．1 进气-压缩过程的缸内流场分析

4．1．1 速度场分析

4．1．2 瞬时涡流分析

4．1．3 湍动能分析

4．2 单组分燃油特性对喷雾特性和混合气分布的影响

4．2．1 对油滴破碎和蒸发的影响

4．2．2 对混合气分布的影响

4．3 单组分燃油特性对气相流场和燃油喷雾演变的影响

4．3．1 对缸内气体流动的影响

4．3．2 对燃油喷雾演变历程的影响

4．4 本章小结

第五章 基于单组分燃油的柴油机燃烧和排放过程分析

5．1 单组分燃油特性对燃烧速率的影响

5．1．1 对缸内燃油质量变化的影响

5．1．2 对缸内压力和放热率的影响

5．2 单组分燃油特性对缸内温度分布的影响

5．2．1 缸内平均温度

5．2．2 缸内温度场

5．3 单组分燃油特性对排放物生成变化的影响

5．3．1 NO生成变化分析

5．3．2 soot生成变化分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文