柴油喷雾撞壁混合气形成过程的数值模拟研究

摘要

燃油的雾化、破碎、蒸发和混合气形成的好坏严重影响着直喷式柴油机的点火、燃烧和排放性能。对于中小缸径直喷式柴油机，油束不可避免地会与燃烧室壁面相撞，在燃烧室壁面形成油膜，使燃油在壁面堆积，导致较高的HC和CO排放以及燃油消耗量的增加。均质充量压缩着火燃烧(HCCI)被证明是实现柴油机的超低NOx和微粒排放的有效途径。因此深入研究利用燃油碰壁的特性，改善碰壁后的燃烧室内燃油的浓度分布，使燃油空气均匀混合，实现HCCI燃烧解决以上问题的最好方法。 为了进一步深入研究喷雾碰壁过程，本课题利用大型CFD软件STAR-CD对柴油喷雾撞壁混合气形成的过程进行数值模拟研究。在对燃油平板撞壁特性研究的基础上，作者设计开发了新型燃烧室，它是通过控制碰壁的形式，如喷雾特性和碰壁区几何结构，来影响碰壁后油束的形状，发展方向和扩散程度，从而影响缸内混合气的形成和发展，实现高效燃烧的。本文重点对新型燃烧室内的喷雾撞壁混合过程进行研究。研究结果表明，新型燃烧室的凸台的加入，改变了碰壁后油束的形状和发展方向，燃油扩散程度加大，蒸发率增加，形成的混合气较为均匀，接近HCCI燃烧。 对燃油平板撞壁和新型燃烧室内燃油撞壁混合过程进行对比研究发现，燃油平板相撞后在壁面处形成壁面射流，靠近壁面处燃油浓度很高，很难与空气混合，而在新型燃烧室内，从喷孔喷出的高速燃油粒子在撞击凸台后分为两部分，一部分发生二次射流，油束发展方向改变，另一部分沿原来的喷射方向，由于燃油多次撞壁破碎及对空气卷吸量的增加，形成的混合气较为均匀；改变喷射角度，可改变撞壁后形成的混合气在燃烧室内的分布，影响混合气的质量，研究表明，在本文设计的燃烧室内燃油喷射角38度最佳；高温高压条件下，喷雾锥角较之常温常压下明显增大，喷射速度降低，与常温常压下相比，其燃油蒸发量增大，燃油分布面积明显减小。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2 HCCI简介

1.3 HCCI研究历史及现状

1.4 HCCI的特点

1.4.1热效率

1.4.2排放

1.4.3运行范围

1.5实施HCCI的主要困难

1.6 HCCI均质混合气的制备

1.6.1 HCCI中混合气制备的意义

1.6.2混合气的制备方法

1.7 STAR-CD简介

1.8本课题的提出及主要研究内容

第二章燃油喷射碰壁雾化数学模型以及物理模型

2.1数学模型

2.1.1控制方程的理论基础

2.1.2湍流模型

2.1.3微分方程的数值求解

2.1.4离散液滴的守恒方程

2.2物理模型

2.2.1 Reitz-Diwakar破碎模型

2.2.2蒸发模型

2.2.3 Huh雾化模型

2.2.4 Bai的撞壁模型

2.3本章小结

第三章燃油平板撞壁特性的研究

3.1燃油平板撞壁的物理模型与试验参数

3.2结果分析与讨论

3.2.1燃油平板撞壁的发展历程

3.2.2燃油平板撞壁过程中影响因素研究

3.3本章小结

第四章新型燃烧室的设计及模型的建立

4.1新型燃烧室的设计

4.2新型燃烧室几何模型的建立

4.3新型燃烧室内燃油喷雾撞壁的物理模型

4.4新型燃烧室内燃油喷雾撞壁的试验参数

4.5喷雾模型的参数设定

4.6燃烧室网格划分和边界条件处理

4.6.1燃烧室网格划分

4.6.2初始条件和边界条件

4.7本章小结

第五章新型燃烧室内混合气形成的计算及分析

5.1新型燃烧室内燃油撞壁混合过程的发展历程

5.2喷雾撞壁混合的影响因素研究

5.2.1喷射角度对喷雾撞壁混合过程的影响

5.2.2实际发动机工况下，新型燃烧室内喷雾撞壁混合过程的研究

5.3新型燃烧室内燃油撞壁混合过程与平板碰撞混合气形成的比较分析

5.4本章小结

第六章全文总结与工作展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

致 谢

攻读学位期间发表的论文