柴油机缸内流体流动数值分析

摘要

柴油机由于能量密度高，燃油消耗率低，燃油经济性好，功率和转速范围宽广，在家用轿车、交通运输和工程机械中得到广泛的应用。但是由于能源危机和环境污染等问题日益严重，柴油机节能和降低排放成为柴油机研究人员所追求的目标。柴油机内部气流运动组织是否合理，不仅影响发动机的动力性和经济性指标，而且影响其排烟、排污、噪声和工作的可靠性。据此，要改进燃烧和减轻污染，就必须研究内燃机工作过程中的气流运动。本文以某柴油机为研究对象，利用流体流动和传热动力学方程为基础的数值计算方法对柴油机的进排气过程和压缩过程进行了仿真分析。 以某缸径为240mm的机车柴油机气缸及进排气道建立计算几何模型，利用数值计算方法对不同转速、不同燃烧室形状的气缸内速度场、温度场以及压力场的分布进行了仿真。计算中流动控制方程为连续性方程、动量方程和能量方程，紊流模拟采用k-ε两方程湍流模型，数值计算采用有限体积法，差分格式为迎风差分格式，速度一压力耦合采用SIMPLE算法。由于内燃机工作时进排气阀以及活塞都处于运动状态中，对这一部分运用了动网格守恒方程。对柴油机缸内气流在不同冲程的运动状态进行了仿真，并且在此基础上对不同转速、不同燃烧室形状、不同配气相位时气缸内部的气流运动的影响进行了分析研究。 通过计算分析发现：燃烧室的形状对缸内气流组织影响较大，收口深坑型燃烧室更有利于在压缩过程中形成涡流；在高转速情况下，缸内气流的平均温度、平均压力、平均速度以及湍流动能都要高于在低转速的工况；转速对内燃机的换气过程有较大的影响，在不同的转速工况下应采取不同的配气相位，高转速时，进气阀提前开启角应减小，滞后关闭角应加大，排气阀提前开启角应加大，滞后关闭角应减小。低转速时与之相反。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1研究的背景

1.2研究的意义

1.3国内外研究现状

1.4研究方法

第2章数值模拟方法

2.1流动与传热问题的控制方程

2.1.1连续性方程

2.1.2动量方程

2.1.3能量方程

2.1.4动网格守恒

2.2湍流的数值模拟

2.2.1湍流数值模拟方法

2.2.2湍流模型

2.3数值计算方法

2.3.1有限体积法

2.3.2差分格式

2.3.3用有限体积法离散控制方程

2.4代数方程组的求解

2.4.1直接解法

2.4.2迭代解法

2.4.3压力修正和SIMPLE算法

第3章柴油机缸内模拟计算工况与条件

3.1几何模型的建立

3.2计算工况及初始条件

3.3网格生成

3.4边界条件

3.4.1压力入口边界条件

3.4.2压力出口边界条件

3.4.3固壁边界条件

第4章柴油机缸内流场计算分析

4.1排气过程

4.1.1排气过程中的压力变化

4.1.2排气过程中的温度变化

4.1.3排气过程中的速度变化

4.2进气过程

4.2.1进气过程缸内气体压力变化

4.2.2进气过程温度变化

4.2.3进气过程中的质量流量的变化

4.2.4进气过程的速度变化

4.2.5进气过程缸内涡流形成过程

4.3压缩过程

4.3.1压缩过程中的压力

4.3.2压缩过程中的温度

4.3.3压缩过程中的气流速度的变化

4.3.4压缩过程中的涡流

第5章不同参数对缸内流体流动的影响

5.1不同燃烧室形状对缸内流场的影响

5.1.1浅ω型燃烧室

5.1.2深ω型燃烧室

5.1.3平底深坑型燃烧室

5.1.4球形燃烧室

5.2不同转速下缸内气流变换情况

5.2.1在不同转速下缸内平均温度的变化

5.2.2不同转速下缸内平均压力变化

5.2.3不同转速下缸内气流速度变化

5.2.4不同转速下缸内平均湍流动能变化

5.3不同工况下不同的配气相位对换气过程的影响

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文