喷雾式汽车加热器燃烧器的流动和燃烧研究

摘要

汽车加热器是低温条件下发动机冷起动，车厢供暖，挡风玻璃除霜的重要辅助装置，在国内外均有良好的应用前景。国外的汽车加热器的研究和应用的起步较早，发展到现在技术已很成熟，产品种类也很丰富。与国外相比国内的加热器研究起步较晚，从刚开始的仿制阶段发展到今天已具备了独立研发和生产新型汽车加热器的能力。山东大学在汽车加热器方面的研究走在国内其他高校的前列，其与河北宏业机械股份有限公司合作，共同开发了多种型号的汽车加热器，并获得多项发明专利，拥有自主知识产权。 新型加热器的研制往往采用理论与经验相结合的方法，先设计试制出样机，然后根据样机试验进一步改进和确定新产品的各项技术指标。这种研发模式存在成本高，周期长的不足。随着计算机技术的不断发展和进步，数值模拟技术也日趋完善，在各个工程技术领域发挥着越来越重要的作用，正指导着新产品的设计和完善。在已经批量生产的产品的优化方面，数值模拟技术同样起着不可替代的作用。本课题就是运用CFD流体仿真软件Star-CD对河北宏业机械股份有限公司的YJP-Q32型喷雾雾化式汽车加热器进行优化设计，并对计算结果进行了试验对比验证。 整个课题的研究工作可分为理论研究、数值模拟和试验验证三部分。理论研究部分主要查阅了国内外有关燃油雾化及混合燃烧的文献和有关CFD数值模拟技术理论方法的文献，以对后续的数值模拟和加热器结构改进提供理论指导和借鉴。数值模拟部分又可分为建模、计算和结果后处理三部分工作。计算的几何模型是根据该型号加热器的技术图纸经过适当简化用Pro-e软件得到，网格模型用Star-CD软件自带的工具包获得。计算条件和边界条件的设定则主要参考Star-CD软件的帮助文件完成。结果后处理则根据模拟计算所要考察的结构的关键部分进行分析对比。主要进行了燃烧器内助燃风流动计算和45°、60°、80°三种喷雾锥角下的喷雾和燃烧排放计算。试验验证是在课题组自行搭建的加热器试验台上完成，主要研究了不同工况下加热器的热效率和排放情况。 通过燃烧器内的助燃风流动模拟计算发现该燃烧器后部存在旋流较弱的问题，不利于燃烧过程后期的掺混，从而导致燃烧室后部及燃烧筒内的燃烧温度场分布不均匀，局部高温造成后燃期生成浓度较高的NO，造成NO排放较高。通过对三种喷雾锥角的燃烧计算结果进行对比，发现相同喷油量下80度喷雾锥角的最高燃烧温度较高，从而热效率较高，而且与其他两种喷雾锥角相比NO和炭烟排放没有明显升高，故80度喷雾锥角较好。这一计算分析结果也与试验结果一致。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章绪论

1.1汽车加热器的应用背景

1.1.1安全性和舒适性需求

1.1.2汽车排放法规的日益严格

1.1.3车辆快速冷起动的要求

1.1.4其他特殊用途

1.2汽车采暖系统的发展

1.2.1余热式供暖系统

1.2.2独立式供暖系统

1.3汽车加热器的研究现状

1.3.1国内研究现状

1.3.2国外研究现状

1.3.3国内外的技术差距

1.4课题的意义与任务

1.4.1课题的意义

1.4.2课题的任务

第二章汽车加热器简介

2.1汽车加热器的分类

2.1.1换热介质

2.1.2雾化方式

2.2汽车加热器热功率的选配

2.3汽车加热器工作原理

2.4汽车加热器运行控制

第三章燃烧器气体流动的数值模拟

3.1 CFD数值模拟简介

3.2燃烧器计算模型

3.2.1燃烧器几何模型

3.2.2网格模型

3.3边界条件

3.4离散方法

3.5差分格式

3.6计算方法

3.7湍流模型

3.8计算结果及分析

3.8.1流场考察位置

3.8.2速度场分布

3.8.3压力场分布

3.8.4湍动能分布

3.8.5分析小结

第四章喷雾燃烧理论及数值模拟

4.1雾化机理研究简介

4.2影响射流雾化的因素

4.3喷雾的理论模型

4.4液滴的二次破碎

4.5喷雾撞壁

4.5.1喷雾撞壁的影响

4.5.2喷雾撞壁模型

4.6喷雾液滴的描述

4.6.1液滴尺寸的评价

4.6.2液滴尺寸分布模型

4.7改善雾化质量的方法

4.8喷雾点火的着火方式

4.9燃烧反应的类型

4.10燃烧模型

4.11燃烧室配风与稳焰

4.11.1燃烧室配风

4.11.2稳焰原理及措施

4.12火焰长度

4.12.1影响因素

4.12.2调整方法

4.12.3小结

4.13燃烧污染物的生成机理

4.1 3.1主要污染物及危害

4.1 3.2生成机理

4.1 3.3污染物减排措施

4.14燃烧器喷雾燃烧数值模拟

4.14.1喷嘴坐标系的建立

4.14.2液滴轨迹控制模型

4.14.3燃烧模型

4.14.4各成份的属性

4.14.5点火方法

4.14.6排放模型

4.15.7计算结果分析对比

第五章加热器性能试验

5.1实验对象及目的

5.1.1加热器试验

5.1.2喷油泵及喷油嘴试验

5.2试验仪表及装置

5.2.1加热器试验台

5.2.2油泵试验台

5.3试验方法

5.3.1油泵油嘴试验

5.3.2加热器试验

5.4试验结果及分析

5.5试验结论

第六章全文总结及展望

6.1全文总结

6.2不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文