直喷式柴油机火焰浮起长度及其不对称性的数值模拟研究

摘要

直喷式柴油机的燃烧特点决定了其尾气中含有大量的碳烟颗粒。直喷式柴油机的火焰浮起长度(Flame Lift-Off Length)被认为是影响碳烟生成的一个重要参数。柴油机缸内由于存在高转速涡流以及喷油油束贴壁影响等因素，火焰浮起长度呈现非对称的特性。这与定容燃烧弹内相对静止的环境下火焰浮起长度基本为轴对称的情况有显著差异。本文主要以数值模拟的方法研究了直喷式柴油机缸内湍流扩散燃烧火焰浮起长度及其不对称性的相关问题。
　　 本文以Sandia国家实验室的光学发动机为原型建立了一个三维数值模拟模型，并验证了该模型的有效性。然后建立了一个评价火焰浮起长度及其不对称性的评价平面系，该评价平面系包括两个平面和一个角度。以此平面系为基础定义了几个评价火焰浮起长度不对称性的相关参数，为研究火焰浮起长度及其不对称性提供了基础和评价体系。
　　 在所建立的三维数值模拟模型中对火焰浮起长度及其不对称性进行数值模拟研究，计算结果用所建立的评价体系来进行评价研究。本文以单参数变化为主要方式分别研究了贴壁程度、涡流转速、进气温度、进气密度、氧浓度和燃油温度等参数对于火焰浮起长度及不对称性的影响。
　　 模拟的结果发现贴壁程度和涡流转速是产生火焰浮起长度不对称性的基础，但其对火焰浮起长度的影响并不显著；初始进气温度和初始进气密度对于火焰浮起长度的影响比较明显，且两者对火焰浮起长度的不对称性的影响呈现多样化的规律特性；氧浓度的小范围变化对火焰浮起长度及不对称性的影响较弱；初始喷油温度的升高会造成火焰浮起长度的减小，但不对称性的变化并不明显。
　　 最后本文对可视化柴油机燃烧动态激光成像的台架设计做了研究。给出了关键零部件的设计和工艺方案，并给出了光路系统可用的重要零部件、仪器和工具的参考型号及其相关参数。对整个试验台架及系统的同步控制给出了一个概念策略，为以后建立光学试验台架奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2柴油机可悬浮颗粒物排放控制的意义及方法

1.3火焰浮起长度及其相关概念介绍

1.4柴油机火焰浮起长度的研究现状

1.4.1实验研究现状

1.4.2数值模拟研究现状

1.5柴油机的数值模拟研究概述

1.5.1零维模型

1.5.2准维模型

1.5.3多维模型

1.6本课题的研究意义和内容

第二章数值模拟模型的建立及相关子模型和算法

2.1计算模型的建立

2.1.1光学发动机的基本特征及其几何参数

2.1.2计算网格的建立及初始条件的设定

2.1.3子模型的选择

2.1.4算法的选择

2.2三维数值模型的子模型及算法

2.2.1基本守恒方程

2.2.2 RNG k-ε湍流模型

2.2.3喷嘴模型

2.2.4雾化模型／液滴破碎模型

2.2.5液滴碰撞模型

2.2.6沸腾模型

2.2.7 shell自燃模型

2.2.8 LATCT EBU模型

2.2.9 PISO算法

2.3三维计算模型的其他相关设置

2.3.1计算松弛因子的设置

2.3.2计算步长的设定

2.3.3输出数据的设置

第三章柴油机火焰浮起长度及其不对称性的数值模拟结果分析

3.1评价方案的制定

3.1.1评价平面系的建立

3.1.2度量标准及度量方法

3.1.3相关参数的定义

3.2模型的可靠性验证

3.2.1空转倒拖运转的验证

3.2.2放热率曲线与缸压曲线的验证

3.2.2缸内燃烧火焰分布及特征的验证

3.3数值模拟结果分析

3.3.1火焰浮起长度及不对称性随时间变化的特征

3.3.2贴壁干扰对于火焰浮起长度及不对称性的影响

3.3.2缸内涡流对于火焰浮起长度及不对称性的影响

3.3.3初始进气温度对于火焰浮起长度及不对称性的影响

3.3.4初始进气密度对于火焰浮起长度及不对称性的影响

3.3.5初始氧浓度对于火焰浮起长度及不对称性的影响

3.3.6初始喷油温度对于火焰浮起长度及不对称性的影响

3.4空气卷吸率估算公式的修正

3.5本章小结

第四章柴油机缸内燃烧动态激光成像系统开发的探索研究

4.1柴油机的可视化方案

4.1.1光学发动机的概述

4.1.2加长活塞的设计

4.1.3加长缸体的设计

4.1.4可视化窗口的设计

4.1.5其他零件及辅助设备

4.2光路与拍摄系统的设计与选择

4.2.1 PLIF技术和PLII技术简介

4.2.3激励激光器的选择

4.2.4整形光路的设计

4.2.5滤光片的选择

4.2.6信号接收器及其他附件

4.3同步控制与整体布局

第五章全文总结与工作展望

5.1全文总结

5.2今后工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

附录

致谢