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缸内直喷天然气发动机燃气喷射数值模拟研究

作　者: 袁小飞
导　师: 张欣
学　校: 北京交通大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 缸内直喷天然气发动机喷射现象学子模型多维流动模型混合模拟方法
分类号: TK431
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

随着缸内直喷技术的成熟,把天然气和缸内直喷技术相结合已经成为一种新技术途径,缸内直喷天然气发动机既可提高燃料经济性和输出功率,又可避免缸内直喷汽油机形成的碳烟排放问题。对于直喷式发动机而言,燃料的喷射及其与空气的混合被认为是最重要的过程。开展缸内直喷天然气发动机燃气喷射数值模拟研究有助于发展缸内气体燃料喷射模型,有助于深入理解直喷天然气喷射及混合过程,同时也为进一步研究缸内直喷天然气发动机燃烧过程或者缸内直喷双燃料发动机工作过程的数值模拟研究奠定基础。本文采用开源CFD程序KIVA-3V对缸内直喷天然气发动机燃气喷射进行数值模拟研究。首先,对现象学子模型与多维流动模型混合模拟方法进行了研究。其次,基于KIVA-3V实现了现象学子模型与多维流动模型混合模拟方法,并进一步建立及验证了缸内直喷天然气发动机燃气喷射仿真模型。在前述工作的基础上,对缸内直喷天然气发动机燃气喷射进行数值求解,研究了天然气射流发展特性,并深入分析了主要的缸内流场参数以及喷射参数对喷射混合过程的影响。通过论文的工作,开发了基于KIVA-3V的现象学模型子程序,建立了现象学与多维流动混合模型,揭示了定容室内、单孔喷射和多孔喷射3种情形下天然气射流发展过程动态特性,以及关键的缸内流场参数和喷射参数对天然气喷射的影响规律。研究发现,混合模型能准确模拟亚音速和超音速两种流动状态下的气体射流；定容室内、单孔喷射和多孔喷射时,CH4浓度场、速度场、湍动能场、压力场和温度场的变化规律既有共同点又有明显差异；缸内压力、涡流比、喷射时刻、喷射压力和喷孔直径对天然气喷射的发展速率及分层混合气形成均有很大影响。本文为国家自然科学基金项目“低热值气体燃料发动机燃烧稳定性的基础研究”的一部分工作,项目编号50676008。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-10
1 绪论  10-20
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-18
    1.2.1 气体喷射模型的发展  11-13
    1.2.2 缸内直喷天然气发动机喷射混合过程的数值模拟研究  13-18
  1.3 论文主要研究内容  18-20
2 现象学子模型与多维流动模型混合模拟方法的研究  20-34
  2.1 瞬态气体射流的特性分析  20-26
    2.1.1 气体射流的分区结构  20-23
    2.1.2 缸内气体射流的特征  23-26
  2.2 缸内直喷天然气发动机喷射模型的研究  26-28
    2.2.1 多维流动模型  26-27
    2.2.2 气态球体喷射模型  27-28
    2.2.3 现象学与多维混合模型  28
  2.3 现象学子模型的建立  28-30
  2.4 现象学子模型与多维流动模型混合模拟方法  30-33
  2.5 本章小结  33-34
3 仿真模型的建立及验证  34-46
  3.1 现象学子模型与多维流动模型混合模拟方法的实现  34-35
  3.2 计算网格的生成  35-37
  3.3 湍流模型的确定  37-39
  3.4 初始边界条件的设定  39-40
  3.5 两种流动状态下仿真模型的验证  40-42
    3.5.1 音速射流  41
    3.5.2 超音速射流  41-42
  3.6 现象学子模型敏感性分析  42-44
    3.6.1 敏感性分析方法  42-43
    3.6.2 敏感性分析结果  43-44
  3.7 本章小结  44-46
4 缸内直喷天然气发动机燃气喷射模拟分析  46-78
  4.1 定容室内天然气射流发展过程动态特性  46-51
  4.2 缸内天然气射流发展过程动态特性  51-65
    4.2.1 单孔喷射天然气射流特性  51-56
    4.2.2 多孔喷射天然气射流特性  56-65
  4.3 缸内流场参数对天然气多孔喷射的影响  65-71
    4.3.1 缸内压力对CH_4浓度场的影响  65-68
    4.3.2 初始涡流比对喷射过程的影响  68-71
  4.4 喷射参数对天然气单孔喷射的影响  71-75
    4.4.1 喷射时刻对CH_4浓度场的影响  71-72
    4.4.2 喷射压力对CH_4浓度场的影响  72-73
    4.4.3 喷孔直径对CH_4浓度场的影响  73-75
  4.5 本章小结  75-78
5 全文总结与展望  78-82
  5.1 全文总结  78-80
  5.2 研究展望  80-82
参考文献  82-86
作者简历  86-90
学位论文数据集  90

缸内直喷天然气发动机燃气喷射数值模拟研究

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