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HSDI柴油机雾化与排放特性瞬态多维建模和数值研究

作　者: 刘金武
导　师: 龚金科；钟志华
学　校: 湖南大学
专　业: 机械工程
关键词: 柴油机直接喷射雾化 NOx SOOT 多维模型运动网格 CAE/CAD集成化
分类号: TK422
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 338次
引　用: 3次
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内容摘要

面对日益严峻的能源短缺和环境污染问题,本文旨在研制用于内燃机设计和研究的计算机仿真优化工具,探索内燃机节能和降低有害排放的理论和方法。在网格算法、多维建模、CAE/CAD集成化、燃油雾化以及排放等5方面进行了研究。首先,提出了内燃机缸内复杂空间动态网格的生成算法,研制了用于多维模型的前处理器。提出将缸内网格划分成动态区和静态区,分别进行网格计算的方案;对动态区的网格提出运动方向的网格增减方法;对于垂直气门,采用气缸截面网格的插入方法;对于斜置气门,采取动态网格的漂移计算等方法。第二,改进内燃机KIVA仿真软件代码,进一步耦合柴油机缸内多种物理和化学子模型,构建内燃机工作过程分析的多维模型。提出双精度算法,创建基于PC计算机硬件的柴油机缸内工作过程多维模型分析仿真平台:ICFD-CN。实验表明:多维模型能够模拟缸内压力、缸内放热率和燃油消耗率,其变化趋势与实验吻合较好,数值误差小。在模拟缸内NOx和SOOT排放时,其变化趋势与实验吻合较好。第三,通过采用缸内性能等值线和深度缓存消影算法,提出基于内容、时间和空间3因素的多维模型计算结果提取和传递方法,提出CAE/CAD集成化数据传递的重要图形文件的设计方法,原创多维模型后处理可视化模块代码,设计图形文件无限和有限命名方法,研制了内燃机多维模型仿真可视化系统,实现了HSDI柴油机工作过程多维模型分析CAE/CAD集成化。此外,提出了采用多维模型工具研究柴油机雾化和排放的方法。分析HSDI柴油机的雾化特性,获得了1137型柴油机燃烧时喷射燃油不同状态的时空分布规律,建立了1137型柴油机雾化特性与燃烧、排放以及柴油机经济性和动力性的联系。最后,获得了1137型柴油机NOx和SOOT排放特性,给出了1137型柴油机NOx和SOOT排放随时间和空间的变化规律、SOOT的生成和氧化历程,获得了大量设计参数对于NOx和SOOT排放特性的影响规律。总之,本文的网格算法研究结果解决了CAE分析中关键的网格计算和耦合问题,在内燃机CAE分析和其他的数值计算应用领域都具有重要参考价值。多维建模研究结果对于内燃机设计和研究手段的现代化,对于我国节能和环保事业都是重要的科学支持。此外,对于计算机仿真、数值分析和计算流体动力学等学科走向应用也具有一定推动作用。CAE/CAD集成化研究结果不仅是HSDI柴油机的CAE分析的重要技术支持,而且对于其他内燃机和其他工程领域的CAE技术、计算机应用的发展具有参考价值。燃油雾化和排放研究结果不仅为提高柴油机燃油经济性和满足排放法规要求提供了策略和研究方法,而且还对于其他排放物、其他燃料内燃机的雾化和排放研究同样具有重要作用。尤其是特殊工况下的雾化和排放研究更能体现其价值,运用它会大大地减少试验设备投资,节约试验成本。

全文目录

摘要  8-10
Abstracts  10-12
插图索引  12-14
附表索引  14-15
第1章绪论  15-40
  1.1 课题的背景与意义  15-17
    1.1.1 HSDI 柴油机雾化特性的研究意义  15-16
    1.1.2 HSDI 柴油机排放特性的研究意义.  16
    1.1.3 HSDI 柴油机工作过程多维模型研究意义  16-17
  1.2 HSDI 柴油机雾化特性的研究概况.  17-23
    1.2.1 高压涡流喷油器内部流动  17-19
    1.2.2 射流的流体动力学行为  19-20
    1.2.3 射流蒸发过程  20-21
    1.2.4 射流碰壁过程  21-23
  1.3 HSDI 柴油机排放特性的研究进展.  23-32
    1.3.1 喷射策略与NOx 和微粒排放  25-27
    1.3.2 EGR 和增压与NOx 和微粒排放  27-29
    1.3.3 同时减少NOx 和微粒  29-32
  1.4 HSDI 柴油机工作过程多维模型现状  32-37
    1.4.1 复杂空间三维动态网格生成技术  32-33
    1.4.2 缸内流体动力学研究的多维模型  33-35
    1.4.3 基于CFD 的缸内雾化特性的多维模型  35-36
    1.4.4 基于CFD 的燃烧和排放特性的多维模型  36-37
  1.5 课题来源与选题目的  37-38
  1.6 本文拟解决的关键问题  38
  1.7 本文的主要工作  38-40
第2章 HSDI柴油机缸内复杂空间动网格算法研究  40-54
  2.1 本章引言  40-42
  2.2 数值算法  42-50
    2.2.1 算法基础  42-43
    2.2.2 缸内动态网格算法  43-45
    2.2.3 气缸截面网格算法  45-47
    2.2.4 斜置气门顶面和底面运动区升程方向网格算法  47-48
    2.2.5 节点漂移算法  48-50
  2.3 结果与讨论  50-53
  2.4 本章小结  53-54
第3 章基于多维模型的HSDI 柴油机雾化研究  54-77
  3.1 本章引言  54-55
  3.2 雾化模型与公式  55-60
    3.2.1 燃油在喷嘴孔内的流动模型  56
    3.2.2 KH 模型  56-58
    3.2.3 Taylor 类比破碎模型  58-59
    3.2.4 油滴蒸发模型  59
    3.2.5 射流碰壁模型  59-60
  3.3 数值计算  60
  3.4 结果与讨论  60-75
    3.4.1 物理参数对于未燃油质量的影响  60-66
    3.4.2 空燃比对于混和气分布的影响  66-70
    3.4.3 转速对于混和气分布的影响  70-72
    3.4.4 进气温度对于混和气分布的影响  72-75
  3.5 本章小结  75-77
第4章 HSDI 柴油机缸内行为瞬态多维建模与验证  77-95
  4.1 本章引言  77-79
  4.2 多维模型与算法  79-88
    4.2.1 多维模型体系结构  79-81
    4.2.2 模型与公式  81-85
    4.2.3 数值算法  85-88
  4.3 实验与仿真  88-90
    4.3.1 实验设置  88-89
    4.3.2 实验方案  89
    4.3.3 仿真方案  89-90
  4.4 结果与讨论  90-92
  4.5 本章小结  92-95
第5章基于多维模型的HSDI 柴油机排放研究  95-116
  5.1 本章引言  95-96
  5.2 排放模型与公式  96-100
    5.2.1 Surovikin 碳烟生成模型  96-98
    5.2.2 Nagle 碳烟氧化模型  98-99
    5.2.3 Zel’dovich 氮氧化物生成模型  99-100
  5.3 数值计算  100
  5.4 结果与讨论  100-113
    5.4.1 空燃比对NOx 和SOOT 生成和氧化的影响  100-105
    5.4.2 转速对NOx 和SOOT 生成和氧化的影响  105-110
    5.4.3 进气温度对NOx 和SOOT 生成和氧化的影响  110-113
  5.5 本章小结  113-116
第6章柴油机多维模型CAE/CAD 集成化技术研究  116-127
  6.1 本章引言  116-117
  6.2 数值算法  117-122
    6.2.1 正轴测图的投影变换矩阵  117-118
    6.2.2 正轴测图的消影算法  118-119
    6.2.3 缸内性能等值线算法  119-120
    6.2.4 基于CAE/CAD 集成的数据提取与传递方法  120-122
  6.3 结果与讨论  122-125
    6.3.1 无限图形文件与有限图形文件生成  122-123
    6.3.2 ICFD-CN 后处理可视化模块的程序结构  123-124
    6.3.3 HSDI 柴油机缸内性能等值线图和网格消影图  124-125
  6.4 本章小结  125-127
结论  127-129
参考文献  129-145
致谢  145-147
附录 A 攻读学位期间公开发表的学术论文目录  147-149
附录B 内燃机缸内行为仿真平台(ICFD-CN)可视化模块代码  149-155

HSDI柴油机雾化与排放特性瞬态多维建模和数值研究

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