柴油机喷油嘴流固热耦合模拟研究

摘要

本文基于柴油机喷嘴内流动和沉积物形成情况的已有研究成果，重点对喷油结束后喷孔内的燃气倒流特性及喷嘴的温度分布开展研究，以分析喷嘴内沉积物的成因。随着柴油喷油间隔期的缩短以及多次喷射技术的逐渐普及，这一研究工程意义重大，有必要深入开展研究。目前，通过实验方法很难获取喷嘴内外的实际工作循环热力学参数，所以本文采用CFD手段对全循环工作过程柴油机喷孔内流及温度分布进行研究。
　　本研究对某款柴油发动机进行了BOOST一维性能模型的构建，根据额定性能指标矫正模型之后，仿真得到了CFD数值模拟所需的进排气端口压力和温度瞬态边界条件及其他相关参数，为喷嘴流固耦合数值模拟分析工作的开展打下了基础。采用多款软件联合开展了柴油机几何文件的构建及格式转换工作，详细论述了模型构建过程及导入CFD之前的文件转换过程，论述了文件转换过程的优势和必要性。本文提出通过将曲面建模、模型文件格式转换、导入CFD几何文件修补等环节分软件分步处理的方式，可大幅提升复杂模型开展CFD计算的前期工作效率。针对CFD软件设定不同区域边界及初始计算条件，设定了湍流、喷雾、点火和燃烧模型参数并制定了计算结果输出规则。开展基于柴油机工作循环缸内流场的喷嘴沉积物成因分析。在额定功率转速工况开展整个工作循环缸内流场的数值模拟研究，分析缸内流场及热力学参数的循环变动特点，着重分析喷嘴周围瞬变高温高压的燃气流场流动对喷孔及压力室内区域的冲击和热力学影响，进而开展了由于喷孔射流后燃气倒流冲击产生的高温沉积物成因分析。基于CFD软件的super-cycle流固耦合计算技术，开展喷嘴缸内尖端部分的流固耦合模拟研究。利用内燃机周期性工作特点，对喷嘴耦合系统周期性瞬态传热展开计算，进而得出转矩为最大值时内燃机整个工作循环内不同时刻的耦合温度分布。分析缸内燃气在整个工作循环中对喷嘴的加热作用，同时根据喷嘴固体内部在工作循环中的温度分布规律，分析导致喷嘴内外沉积物形成的原因。

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第1章 绪论

1.1 选题背景及课题来源

1.2 柴油机喷油嘴流固热耦合模拟的研究现状

1.3 本文研究内容

第2章 柴油机性能模拟及CFD边界条件的确定

2.1 内燃机性能仿真理论基础

2.2 性能仿真模型建立及参数设置

2.3 缸内数值模拟边界条件和初始条件提取

2.4 本章小结

第3章 缸内数值模型构建及计算前期处理

3.1 CONVERGE的计算文件结构

3.2 几何文件模型的建立

3.3 区域边界划分与流固域分配

3.4 压缩比校核及调整

3.5 网格划分

3.6 数值模拟参数设定

3.7 数据监测点布局及输出设置

3.8 本章小结

第4章 基于缸内循环的喷孔气体倒流模拟分析

4.1 数值模拟基本控制方程

4.2 三维湍流模型

4.3 并行计算设置及载荷平衡机制

4.4 速度与精度制衡的数值模拟策略制定

4.5 缸内数值模拟流场分析

4.6 本章小结

第5章 基于缸内循环热力环境的喷嘴流固耦合传热分析

5.1 喷嘴流固耦合传热分析的必要性

5.2 喷嘴流固耦合的热边界条件

5.3 基于Super-Cycling的流固耦合求解原理

5.4 基于Super-Cycling的流固耦合求解设置

5.5 基于Super-Cycling的喷嘴流固耦合分析

5.6 本章小结

第6章 全文总结与研究展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果