内燃机环境下液体燃料超临界喷射过程的数值模拟

摘要

本文以内燃机环境下燃料的超临界喷射为研究对象，着重考察燃料喷雾在超临界工况下的发展过程、实际气体状态方程Soave-Redlich-Kwong(SRK)和Peng-Robinson(PR)两个方程对超临界工况的适用性、以及气液混合层的可能位置及其演化特性。
　　针对Sandia实验室关于正庚烷喷雾的实验数据(www.sandia.gov/ecn)，基于Converge软件采用大涡模拟即LES(Large eddy simulation)和雷诺平均(RANS)方法对以正庚烷为燃料喷入超临界环境中的雾化过程进行了数值模拟。以实际气体状态方程SRK和PR方程为基础，重点研究了LES和RANS下两状态方程对超临界状态下燃料喷雾的正庚烷的质量分数、温度分布的影响; LES下燃料喷雾的质量分数随温度变化，并与实验结果进行对比;以及LES下的射流密度变化、密度梯度变化和蒸汽的质量分数等值线的分布。结果表明，LES下两状态方程计算的正庚烷的质量分数和温度分布有着很大的区别，而RANS方法下两者得到的结果区别很小;同一时间下PR方程模拟的燃料喷雾的贯穿距更大，但是SRK方程模拟的喷雾前端的涡状出现的更早;两状态方程下射流表面都有大的密度梯度;燃料质量分数随温度的变化符合实际的情况。
　　通过本文研究得出了以下的结论:RANS模型不太适用于内燃机喷雾湍流模拟;LES下的正庚烷的质量分数、温度、密度分布相互印证了正庚烷的质量分数在轴向和径向都是随着距离的增大而逐渐减小;PR方程对于超临界工况的计算可能更优于SRK方程;密度值的急剧变化验证了射流表面存在一个介于液体与气体之间的混合层;可以通过大密度梯度的位置来推测混合层的可能位置，混合层随着轴向距离的增大而向外移动;蒸汽的质量分数等值线图也印证之前得出的正庚烷的质量分数的变化情况。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 超临界喷雾的实验研究进展

1．2．2 超临界喷雾理论及数值模拟的研究进展

1．2．3 当前研究的不足及本文的工作

2 液体燃料的超临界喷射数值模拟方法

2．1 液体燃料喷雾的两种计算模型

2．2 VOF方法

2．2．1 控制方程

2．2．2 表面张力

2．3 湍流模型

2．3．1 雷诺平均N-S方程(RANS)

2．3．2 大涡模拟(LES)

2．4 实际气体状态方程

2．4．1 SRK方程

2．4．2 PR方程

2．5 本章小结

3 数值模拟的实施

3．1 Converge软件简介

3．2 模拟的实验对象

3．3 数值模拟的实施

3．4 本章小结

4 计算结果与讨论

4．1 正庚烷的质量分数

4．2 温度分布

4．3 密度分布

4．4 实验及数值计算验证

4．5 密度值及密度梯度值

4．6 小密度梯度区域

4．7 蒸汽的质量分数等值线

4．8 本章小结

结论

5．1 本文工作总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢