柴油-甲醇二元燃料缸内燃烧数值模拟研究

摘要

以往的研究表明,在柴油机上应用柴油-甲醇二元燃料燃烧(DMDF)的方式能够大幅度缓解对我国对柴油的依赖。这种燃烧方式是通过发动机进气歧管中喷射甲醇,缸内直喷柴油实现的。在前期发动机试验和反应动力学研究的基础上,进行了有针对性的柴油-甲醇二元燃料台架试验,根据台架试验结果分析了柴油-甲醇二元燃料的燃烧特征。在此基础上,在KIVA软件中建立了基于雷诺平均模型(RANS)的燃烧模型,以及基于大涡模拟(LES)的燃烧模型,并对两者进行了对比分析。主要工作分为以下几个方面。
　　首先,在柴油-甲醇二元燃料台架试验的研究中,分别进行了低甲醇比例、高甲醇比例、相同IMEP、不同燃料比例和相同甲醇比例不同进气温度的试验,以观察二元燃料燃烧时可能会发生的现象。结果表明甲醇对柴油着火有抑制作用,这种作用在甲醇比例超过40％时更加明显,但是当进气温度过高时,会发生甲醇先于柴油自燃的现象。排放方面,甲醇的加入能够有效降低发动机的碳烟排放,甲醇对碳烟的降低作用最高可达96.49%。加入微量的甲醇即可促使NO大量转化为NO2,相同IMEP下,NOx随甲醇的加入略有下降。根据试验分析,将二元燃料缸内燃烧按燃烧特征归纳为三个区,为建立数值模型提供理论基础。
　　其次,在基于RANS的燃烧模型建立中,同时考虑湍流混合和化学反应对燃烧过程的影响,使用湍流耗散时间尺度来表征湍流的混合程度,并首次提出使用熵增来反映化学反应进行的程度。另外,在二元燃料骨架机理的基础上发展了碳烟、NO和NO2排放模型。使用不同的试验工况,在两个分辨率不同的网格上进行模型验证。表明低甲醇比例时,该模型能够较好的预测燃烧过程,但当甲醇比例高于60%时,RANS模型得到的缸压比试验值偏低。不同进气温度时,RANS对发生甲醇自燃的工况预测得到的着火时刻有所延迟。
　　第三,对一个LES燃烧模型进行发展,使其能够用于模拟二元燃料的燃烧,并对RANS模型与LES模型进行了对比研究。结果表明,LES在大多数工况下能够实现较好的燃烧预测,仅在对甲醇自燃的工况模拟得到的缸压有所偏差。使用碳原子标记法,实现了将二元燃料中柴油和甲醇放热率的分开计算。该方法的应用对柴油-甲醇二元燃料燃烧过程的分析提供了新的途径。
　　综上,在甲醇比例低于60%时,使用RANS燃烧模型可兼顾计算精度和计算速度,而在甲醇比例高于60%时,使用LES燃烧模型可获得更高的计算精度。通过以上工作,建立的柴油-甲醇二元燃料燃烧模型为真正将模型应用于试验设计和产品开发打下坚实的基础。

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第一章 绪论

1.1内燃机先进燃烧技术的发展现状

1.2甲醇——具有前景的车用燃料

1.3甲醇在柴油机上应用的研究进展

1.4 本文结构及主要内容

第二章 柴油-甲醇二元燃料发动机台架试验

2.1试验台架及设备介绍

2.2试验结果与分析

2.3柴油-甲醇二元燃料燃烧特征分析

第三章 基于RANS的柴油-甲醇二元燃料缸内数值模拟

3.1可用于二元燃料燃烧的模型发展概述

3.2 RANS数值计算方法

3.3模拟结果与试验对比

第四章 RANS与LES模型柴油-甲醇燃烧模拟对比研究

4.1基于LES的燃烧模型

4.2程序中的其他模型

4.3 LES与RANS模拟结果的结果及对比分析

第五章 全文总结与展望

5.1全文总结

5.2进一步工作展望

参考文献

附录

发表论文和科研情况说明

致谢