超音速进气道燃油喷射雾化及燃烧数值模拟

摘要

内燃机的燃烧质量直接影响其动力性、经济性及排放特性等一系列性能指标，而燃油雾化的优劣是决定燃烧状况的关键环节。良好的雾化效果是实现高效燃烧的前提，对节能、净化具有十分重要意义。 传统意义上的燃油雾化是将燃油直接喷入气缸内，喷入方式多为直接喷射，目前多数研究方向为高压喷射和高压电控喷射。燃油进入气缸后与之前吸入的空气进行混合，二者到达一定的混合比例，缸内温度和压力等达到一定值时才开始燃烧。而本文则是针对燃油和空气在缸外预先混合进行一些试探性研究，其主要思想是用超音速的空气流与喷射燃油在所设计的缩放喷管内形成混合，该装置可分别安置在进气总管、进气歧管和进气道等位置。这样，雾化好的燃油及混合气被吸入气缸后进行下一步工作。 燃油与空气在缸外预先混合，在着火时的混合气要比原来柴油机混合得更加均匀，因此，在同样过量空气系数大于1的条件下工作，可以避开NO<,X>生成的条件，同时燃油和空气混合均匀可以减少颗粒和碳烟的生成，最终降低了环境的污染。目前的柴油机为了解决这一问题，正在研究和实施高压电控喷射，这需要较高的技术和成本。 本文选用双ω型燃烧室，使用STAR-CD软件分别对超音速气流进气道喷射方式和缸内直喷方式进行建模、划分网格、定义动网格、设定参数、计算、后处理，得到这两种喷射方式的燃油雾化模拟情况和缸内各时刻各位置的流场图，汇总分析，得出使用Laval喷管产生超音速气流能使柴油喷注很好雾化，其粒子索特平均直径远远小于缸内直喷方式得到的燃油雾化粒子索特平均直径。燃烧情况则由于雾化的影响二者差异很大，超音速气流进气道喷射方式使得燃油雾化均匀，经过计算，可成功压燃。缸内直喷方式则由于燃油雾化浓度不均，虽然能够实现柴油的自燃但局部的温度过高容易产生大量碳烟颗粒和NO<,X>。 综上所述，本文提出的超音速气流进气道喷射方式可视为一种对燃油喷雾及HCCI理论的数值实验优化方法。为解决柴油机燃烧及其带来的排放问题提供了有效的参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1燃油雾化过程的研究意义

1.1.1柴油机燃油雾化技术的研究现状

1.1.2降低柴油机排放的技术

1.1.3燃油雾化存在的问题

1.2燃油喷射雾化的研究方法

1.2.1粒子雾场测量法

1.2.2 CFD数值计算法

1.3本课题的研究内容

2流体力学基本理论和数学模型

2.1流体特性

2.1.1 连续性

2.1.2可压缩性

2.2内燃机缸内湍流流动模型

2.2.1缸内湍流流动特点

2.2.2湍流流动数学模型

2.3气液两相流动

2.3.1两相流动的理论研究

2.3.2扩散多相流模型

本章小结

3燃油喷雾模型

3.1喷雾场的结构

3.2油气两相喷雾动力学和热力学过程

3.2.1 Huh雾化模型及液滴形成

3.2.2 Reitz液滴的破裂模型

3.2.3液滴的碰撞和聚合

3.3喷雾与壁面相互作用

3.3.1液体碰壁形态

3.3.2 Bai喷雾碰壁模型

本章小结

4 Laval喷管三维实体模型的建立

4 1 Laval喷管形状及尺寸的确定

4 1.1喷管前后结构参数

4.1.2三维图形形成

4.2计算模型的整体形成

4 2 1 Laval喷管的网格划分

4.2.2 Laval与进气道的无缝粘合

本章小结

5数值模拟及结果分析

5.1计算模型的确定

5.1.1发动机的主要参数

5.1.2确定计算边界条件

5.2喷雾计算

5.2.1燃烧室的选用

5.2.2燃油雾化过程分析

5.2.3油滴直径计算及分布情况

5.3燃烧计算

5.3.1燃烧计算结果

5.3.2两种燃烧方式的结果比较

本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢