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气体燃料发动机工作过程的多维数值模拟

作　者: 王玉君
导　师: 张欣
学　校: 北京交通大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 数值模拟化学动力学燃烧过程并行计算
分类号: TK431
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 135次
引　用: 2次
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内容摘要

在油价持续上扬和环境污染日益严重的今天,气体燃料作为一种较具潜力的替代燃料在发动机上的应用,正受到越来越多的关注。然而由于气体燃料具有组分多,热值低的特点,相关研究尚处于起步阶段。深入研究气体燃料发动机的燃烧过程,分析各组分的反应历程和污染物的生成机理,具有重要的学术意义和工程价值。本文受到国家自然基金资助项目发动机燃用低热值掺氢混合气体燃料的基础研究(项目编号:50676008)的支持。本文即采用数值模拟手段对气体燃料发动机的燃烧过程进行了深入的研究分析。将三维CFD软件-KIVA3V和反应动力学软件-CHEMKIN2作为研究平台,编写连接模块实现了上述两个软件的耦合,建立了耦合详细化学反应动力学的多维CFD模型。在此基础上,为了解决耦合多维模型计算量大和求解时间长的问题,对KIVA3V/CHEMKIN2耦合软件进行了二次丌发,使其具有并行计算的功能,能在基于MPI的超级计算机和高速网络连接的PC机群等多个并行计算平台上运行。本文以WT615(CNG)发动机为模拟对象,通过试验验证证明该模型具有一定的准确性。在此基础上,通过数值模拟计算,研究分析了燃料组分、空气过量系数等因素对整机性能的影响,分析了发动机的整体性能、火焰传播过程及主要污染物和中间产物的生成,计算结果可为发动机运行参数的优化提供一定的理论依据。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
Abstract  7-8
目录  8-11
第一章绪论  11-17
  1.1 研究背景及意义  11-14
    1.1.1 论文研究背景  11-13
    1.1.2 论文研究意义  13-14
  1.2 内燃机燃烧过程模拟研究现状  14-16
    1.2.1 内燃机燃烧模型的研究现状  14-15
    1.2.2 耦合CFD和详细化学动力学燃烧模拟的研究现状  15-16
  1.3 论文主要研究内容  16-17
第二章发动机燃烧过程的数学模型分析  17-30
  2.1 流体流动数学模型的分析  17-22
    2.1.1 基本控制方程组  17-20
    2.1.2 湍流模型  20-22
  2.2 化学动力学数学模型的分析  22-25
    2.2.1 计算的基本假设  22
    2.2.2 热力学基础模型  22-23
    2.2.3 化学反应速率模型  23-25
  2.3 天然气详细反应机理的研究  25-27
    2.3.1 详细反应机理GRI-Mech3.0  26
    2.3.2 天然气的化学反应动力学过程分析  26-27
  2.4 燃烧模型的建立  27-29
  2.5 本章小结  29-30
第三章 CFD和详细化学动力学耦合的实现  30-38
  3.1 CFD与详细化学动力学的耦合计算  30-31
    3.1.1 CFD与详细化学动力学耦合的计算流程确立  30
    3.1.2 CFD与详细化学动力学耦合的优势  30-31
  3.2 耦合实现的软件平台  31-33
    3.2.1 CFD软件-KIVA3V的特性分析  31
    3.2.2 化学动力学软件-CHEMKIN2的特性分析  31-33
  3.3 CHEMKINII中ODE求解器的开发  33-34
    3.3.1 ODE求解器的功能设定  33
    3.3.2 ODE求解器的数值算法的确立  33-34
  3.4 基于KIVA/CHEMKIN平台的燃烧/流动耦合的实现  34-37
    3.4.1 KIVA/CHEMKIN耦合程序架构的确立  34-35
    3.4.2 耦合程序接合模块的开发  35-36
    3.4.3 构建耦合程序热力学数据库  36-37
  3.5 本章小结  37-38
第四章 KIVA/CHEMKIN耦合程序的并行功能开发  38-53
  4.1 并行计算在耦合模拟中的应用  38-43
    4.1.1 并行计算的特点及优势  38-39
    4.1.2 典型并行计算平台的分析  39-41
    4.1.3 KIVA/CHEMKIN的串行计算特性  41-42
    4.1.4 KIVA3V/CHEMKIN的并行方案  42-43
  4.2 并行程序的设计  43-47
    4.2.1 并行编程模型  43-44
    4.2.2 并行语言  44-45
    4.2.3 基于MPI的并行程序设计  45-46
    4.2.4 并行编程模式的选择  46-47
  4.3 并行化改编后耦合程序的架构  47-50
    4.3.1 总体架构  47-48
    4.3.2 主进程架构  48-49
    4.3.3 从进程架构  49-50
  4.4 并行算法  50-51
    4.4.1 区域分解算法  50-51
    4.4.2 负载平衡  51
  4.5 本章小结  51-53
第五章多维燃烧模型的实现及试验验证  53-60
  5.1 并行环境的构建  53-55
    5.1.1 并行开发环境的构建  53-54
    5.1.2 并行运行环境的构建  54-55
  5.2 试验验证  55-57
    5.2.1 试验测试设备  55-57
    5.2.2 试验用燃料、环境条件及试验工况  57
  5.3 计算分析与验证  57-58
    5.3.1 计算结果与试验结果的对比  57-58
    5.3.2 并行计算的特性分析  58
  5.4 本章小结  58-60
第六章发动机燃烧过程数值模拟计算分析  60-74
  6.1 燃料组分对燃烧性能的影响  60-65
    6.1.1 整体燃烧性能分析  60-61
    6.1.2 缸内温度场的分布  61-62
    6.1.3 缸内中间组分的分布及变化历程  62-65
  6.2 稀薄燃烧对燃烧性能的影响  65-69
    6.2.1 整体燃烧性能分析  65-66
    6.2.2 缸内温度场的分布  66-67
    6.2.3 缸内中间组分的分布及变化历程  67-69
  6.3 发动机排放性能的分析  69-72
    6.3.1 燃料组分对NO排放量的影响  69-71
    6.3.2 过量空气系数对NO排放量的分析  71-72
  6.4 本章小结  72-74
第七章结论与展望  74-76
参考文献  76-80
作者简历  80-82
学位论文数据集  82

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