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柴油机燃烧的数值模拟研究

作　者: 张克松
导　师: 王志明
学　校: 山东大学
专　业: 热能工程
关键词: 柴油机燃烧数值模拟表征燃料简化机理
分类号: TK421
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

为应对能源与环境的双重挑战,不断改进传统的柴油机燃烧是社会可持续发展的需要。随着计算科学的发展,数值模拟技术在内燃机的开发改进过程中的应用越来越广泛。近年来,提高燃油系统喷射压力、提高EGR率、提高进气压力成为各种新型柴油机燃烧的主要技术方向。这些技术的综合作用使柴油在缸内的雾化蒸发加快,并减慢了缸内的化学反应速率,延长了着火落后期,相较于传统的扩散燃烧,体现出更多的预混燃烧的特点,可以有效降低氮氧化物和颗粒物排放。传统的柴油燃烧数值模拟为降低对计算能力的要求,忽略或者简化其中的化学因素,主要关注油气混合过程,己不能适应新的燃烧模式。为了探索适用于新型柴油机燃烧模式的模拟方法,本文首先研究了液体燃料的高压喷射过程,重点关注喷射初始条件的设定。通过理论分析,引入一假想流体代替喷雾中的两相流,以此将流体的状态变化和运动规律解耦,并借助二阶单输出系统的阶跃响应函数模拟假想流体密度和动量的变化,建立了描述喷雾贯穿距和前锋速度的模型。对比文献中的研究结果,取得了较为满意的结果。模型中引入了密度时间常数和动量时间常数两个参数,当喷射压力提高或者环境压力提高时,上述两个时间常数都减小。基于信息熵的概念,把液体高压喷入气体的过程作为随机过程,分析其中的能量转换过程,得到了液滴破碎所遵循的物理约束条件,即液滴表面积的和与喷射初始时的动能成正比。在此基础上建立了描述液滴粒径分布的函数表达式,与文献中的研究结果进行了对比验证,获得了较为满意的结果。这证明液体高压喷射时,液滴的粒径可由统计学中常用的Rayleigh型分布描述,其参数为液滴的索特平均直径。在此基础上,利用定容弹和高速摄影技术研究了高压喷雾的发展,并应用上述模型和规律对喷射过程进行了三维数值模拟。对比喷雾形态和贯穿距发现,受计算方法的限制,在喷射开始的初始阶段模拟结果与实测结果相差偏大,但随着喷雾的发展,模拟结果与实测结果逐渐符合。然后以链式反应为基础,以燃烧过程中的过氧化烃基、酮类物质、链载体羟基、乙烯、甲醛等几种关键物质为主干,将各种烷基在高温下的分解反应概括为烷基直接分解成乙烯和甲基；以苯甲醛为关键中间产物,并将苯环的高温分解反应概括为加氧、脱碳、生成乙炔的反应,开发了较为精简实用的,仅包含26种组分、28个反应的正庚烷——甲苯氧化机理。在高压、高温、偏浓的环境下,其计算得到的滞燃期与文献中提供的实验数据符合的很好。将上述简化机理扩展到三维CFD计算中,并利用第二章中开发的喷雾模拟方法,利用温度、甲醛基(HCO)、乙炔(C2H2)的时空分布间接对比验证,其计算得到的低温火焰和高温火焰的发展过程均与定容燃烧弹内的柴油喷雾扩散燃烧过程符合的很好,而且能够较为准确的反映出EGR氛围中的燃烧状况。在此基础上,将四缸小型车用柴油机改造成为单缸研究用柴油机,搭建了相应的实验平台,并选择了三个工况进行了台架实验,其中两个使用高增压、高EGR和高压喷射的新型燃烧模式,另一个使用传统燃烧模式。利用前文建立的数值模拟计算方法,对上述三个工况的燃烧过程进行了数值模拟,得到的工况1和工况3的缸压曲线与实验数据符合的较好,但工况2因喷油规律不明有较大偏差。因表征燃料的限制,模拟得到的排放数据与实测数据差别较大,但其趋势基本一致。总的来说,本章的对比研究证明前文所建立的数值模拟适用于低温柴油机燃烧模式,可以为柴油机的开发改进提供有工程利用价值的依据。采用高增压、高EGR和高压喷射技术的新型燃烧模式,可以加快柴油液滴的雾化蒸发,提高缸内氧气的利用率,抑制了氮氧化物的生成；而且新型燃烧模式中,缸内缺氧区域的温度较低,抑制了颗粒物的生成。但是,在改善柴油机氮氧化物和颗粒物排放的同时,一氧化碳排放不可避免的升高。

全文目录

摘要  9-11
ABSTRACT  11-13
符号说明  13-14
第一章绪论  14-36
  1.1 前言  14-15
  1.2 柴油机燃烧的研究  15-35
  1.3 本文研究的主要内容  35-36
第二章燃料高压喷射过程的研究  36-58
  2.1 基于阶跃相应的一维喷雾模型  36-45
    2.1.1 理论分析与简化假设  36-40
    2.1.2 理论推导  40-42
    2.1.3 模型验证  42-45
  2.2 柴油喷雾粒径分布规律的研究  45-50
    2.2.1 理论分析  46-48
    2.2.2 实验验证  48-50
  2.3 柴油喷雾实验及其三维数值模拟  50-56
    2.3.1 实验设备简介  50-53
    2.3.2 三维模型设定  53-54
    2.3.3 喷雾三维模拟计算的验证  54-56
  2.4 小结  56-58
第三章柴油表征燃料扩散燃烧的研究  58-79
  3.1 扩散燃烧数值模拟研究概述  58-59
  3.2 柴油表征燃料燃烧的简化机理研究  59-70
    3.2.1 柴油表征燃料的选择  59-61
    3.2.2 正庚烷的低温氧化和高温分解  61-64
    3.2.3 甲苯的氧化及苯环的分解  64-65
    3.2.4 柴油表征燃料简化机理  65-67
    3.2.5 正庚烷简化机理的验证  67-69
    3.2.6 甲苯简化机理的验证  69-70
  3.3 柴油扩散火焰的数值模拟及其实验验证  70-78
    3.3.1 定容燃烧弹系统  70-71
    3.3.2 三维数值模型的设定  71-72
    3.3.3 对比验证  72-78
  3.4 小结  78-79
第四章发动机台架实验及其数值模拟  79-100
  4.1 发动机台架的建设  79-82
  4.2 发动机计算模型的建立  82-86
  4.3 对比验证  86-91
  4.4 讨论  91-99
  4.5 小结  99-100
第五章总结与展望  100-102
参考文献  102-113
致谢  113-114
攻读博士学位期间发表的学术论文  114-115
学位论文评阅及答辩情况表  115

柴油机燃烧的数值模拟研究

内容摘要

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