《直喷柴油机伞喷涡流室燃烧系统喷雾与燃烧过程的模拟研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直喷柴油机伞喷涡流室燃烧系统喷雾与燃烧过程的模拟研究.pdf（66页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、直喷柴油机伞喷涡流室燃烧系统喷雾与燃烧过程的模拟研究N u m e r i c a lS i m u l a t i o no nS p a ya n dC o m b u s t i o no fS w i r lC h a m b e rC o m b u s t i o nS y s t e mi nD ID i e s e lE n g i n e sw i t ht h eC o n i c a l-s p r a y姓江苏大学二零一五年四月一夺一直，平四月万方数据独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外
2、，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：f 钐靠牵Vf 年6移归 Vjr，万方数据学位论文版权使用授权书江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊(光盘版)电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文
3、数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊(光盘版)电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布(包括刊登)授权江苏大学研究生院办理。本学位论文属于不保密口。学位论文作者签名：彳衫乍孝】钔易指导眸6 月彩日万方数据江苏大学硕士学位论文摘要柴油机缸内混合气的形成质量对燃烧及排放性能有着较为重要的影响。本文提出的直喷柴油机伞喷涡流室燃烧系统，有效结合了直喷式和传统分隔式涡流室柴油机的优点，即在直喷柴油机活塞上设置涡流室，同时结合伞状喷雾扩散性强且喷油速率快的特点。在压缩冲程时利用挤流及湍流运动，引导伞喷喷雾进入涡流室内实现快速混合；着火后利用涡流室内急剧升高的压
4、力使得未燃混合气冲出涡流室，再次混合后充分燃烧，减少了碳烟的生成，达到柴油机高效清洁燃烧的目的。本文运用F i r e 软件对所提出的新型燃烧系统进行了三维数值模拟。分析了不同的燃烧室几何形状(喉口通道宽度)、喷油特性参数(喷油锥角、喷油定时、喷孔直径)以及进气系统参数(涡流比)下缸内气流运动规律及油气混合过程，研究了各参数对新型燃烧系统燃烧过程及排放性能的影响规律。着重揭示缸内气流演变规律；探究喷雾发展过程、燃烧过程以及污染物生成规律，明确颗粒物生成区域，提炼出表征其燃烧特性及着火控制的关键参数。研究结果表明，新型燃烧系统可以有效的提高缸内空气利用率，快速形成较为均匀的混合气，使燃烧过程得到
5、进一步改善；选取适中的喉口通道宽度为5 m m时可以增强气流运动强度的同时使燃烧过程更加柔和，可靠性得到保证；喷油锥角对燃燃烧室内油气空间分布有重要影响，喷油锥角为1 4 0 0 时可以减少附壁现象，引导更多燃油进入涡流室内参与混合；缸内温度、压力峰值随喷油推迟及喷孔直径增大成下降趋势，采用喷油定时为2 5 0 C AB T D C、喷孔直径0。1 5 r a m 可以兼顾N O 及S o o t 排放；涡流比过小会导致燃烧持续期增加，涡流比过大则会导致压力升高率过高，降低可靠性。关键词：直喷式柴油机，伞喷，涡流室燃烧系统，燃烧，数值模拟万方数据直喷柴油机伞喷涡流室燃烧系统喷雾与燃烧过程的模拟
6、研究万方数据江苏大学硕士学位论文A B S T R A C TT h em i x t u r ef o r m a t i o np r o c e s si nc y l i n d e ro fd i e s e le n g i n eh a sa ni m p o r t a n ti m p a c to nc o m b u s t i o na n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s An e ws w i r lc h a m b e rc o m b u s t i o ns y s t e mi nD I(d i r
7、 e c ti n j e c t i o n)d i e s e le n g i n e sw i t ht h ec o n i c a l s p r a yi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r W i t has w i r lc h a m b e rs e to nt h eD Id i e s e le n g i n e T h en e wc o m b u s t i o ns y s t e mC a nc o m b i n a t eb o t ho ft h ec o n i c a l s p r a ya n ds w i
8、 r lc h a m b e rc o m b u s t i o ns y s t e m，i na d d i t i o n，t h ea d v a n t a g e so fg o o dd i f f u s i v i t ya n dh i g hi n j e c t i o nr a t eo fc o n i c a l s p r a ya l s oC a nb em a k eb e t t e ru s e do f D u r i n gt h ec o m p r e s s i o ns t r o k e，w i t h i nt h ef u n c
9、 t i o no fs q u i s ha n dv o r t e x，t h ec o n i c a ls p r a yc a ne n t r a n c ei nt h es w i r lc h a m b e rb yt h ep a s s a g et oa c h i e v er a p i d l ym i xo ft h ea i ra n df u e l A f t e ri g n i t i o n，t h ep r e s s u r ei n s i d et h es w i r lc h a m b e ri n c r e a s e sr a
10、 p i d l y,a n du n b u r n e dm i x t u r ed a s h e so u to ft h es w i r lc h a m b e r,w h i c hr e m i x e sw i t ht h ea i ro ft h em a i nc o m b u s t i o nc h a m b e rt om a k et h ec o m b u s t i o nm o r ec o m p l e t e l y T h eS o o te m i s s i o nC a nb er e d u c e da n dt h eh i
11、g he f f e c t i v ea n dc l e a nc o m b u s t i o no fd i e s e le n g i n ew e r ef i n a l l ya c h i e v e d N u m e r i c a ls i m u l a t i o n sh a v eb e e np r o c e e d e db yu s i n gt h eF i r ec o d e T h ee f f e c to fd i f f e r e n tc o m b u s t i o nc h a m b e rg e o m e t r i e
12、 s(w i d t h so fp a s s a g e)，m a i np a r a m e t e r so ff u e li n j e c t o r,s u c ha sc o n i c a l s p r a ya n g l e，i n j e c t i o nt i m i n g，d i a m e t e ro fn o z z l eh o l e，t h ei n t a k es y s t e mp a r a m e t e r so fs w i r lr a t i oo nc o m b u s t i o na n de m i s s i o
13、 nc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d A n dt h eg e n e r a t i o nf i e l do fS o o te m i s s i o n，s p r a yd e v e l o p m e n ta i r f l o wm o v e m e n ti nc y l i n d e ra l s oh a sb e e nu n c o v e r e d T h ed e g r e eo fi n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp a r a m e t
14、 e r sC a nb ef i n a l l ya n a l y s e dq u a n t i t a t i v e l y T h er e s u l t ss h o wt h a t：B yu s i n gt h i sn e wc o m b u s t i o ns y s t e m，t h eu n i f o r m i t yo fm i x t u r ea n dc o m b u s t i o nC a nb ei m p r o v e do b s e r v a b l y T h ea i r m o t i o nc a nb es t r
15、 e n g t h e n e dw h i l et h ec o m b u s t i o nC a nb em o r es o t t e r、析t ht h ep a s s a g ew i d t ho f5 m m t h e nt h er e l i a b i l i t ya r eg u a r a n t e e du l t i m a t e l y T h ec o n i c a l-s p r a ya n g l eh a si m p o r t a n te f f e c t so ns p a t i a ld i s t r i b u t
16、 i o no ff u e lv a p o r,t h ew a l l w e t t e df u e lC a nb er e d u c e db ya d o p tc o n i c a l-s p r a ya n g l eo f14 0 0t og u i d em o r ef u e li n t ot h es w i r lc h a m b e r I tc a nb ec o n s i d e rb o t hN Oa n dS o o te m i s s i o n sw i t hn o z z l ed i a m e t e ro f0 15 m
17、mo ri n j e c t i o nt i m eo f2 5 0 C AB T D C a n dt h em a x i m u ma v e r a g et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nc y l i n d e ra r ed e c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e m e n to fn o z z l ed i a m e t e ro ri n je c t i o np o s t p o n e d T h es m a l l e rs w i r lr a t i ow
18、o u l di n c r e a s e sc o m b u s t i o np e r i o d C o n v e r s e l y,t h er a t eo fp r e s s u r e万方数据直喷柴油机伞喷涡流室燃烧系统喷雾与燃烧过程的模拟研究i n c r e a s e dw i t hs w i r lr a t i or i s e，t h er e l i a b i l i t yc a l ln o tb ea s s u r e de v e n t u a l l y K e yw o r d s：D i r e c t-i n j e c t i
19、o nd i e s e le n g i n e，C o n i c a l s p r a y,S w i r lc h a m b e rc o m b u s t i o ns y s t e m，C o m b u s t i o n，N u m e r i c a ls i m u l a t i o n万方数据江苏大学硕士学位论文目录第一章绪论11 1 选题背景及意义11 2 柴油机节能减排技术31 3 伞喷技术及涡流室式柴油机发展与现状41 4 数值模拟及三维模拟软件61 5 本课题主要研究内容7第二章数学模型82。1 基本方程82 2 湍流流动模型92 3 喷雾模型1 12
20、3 1 基本方程1 12。3 2 燃油喷雾子模型1 22 4 燃烧模型1 42 5 排放模型152 5 1N O x 生成模型152 5 2S o o t 排放模型152 6 本章小结1 6第三章计算模型的建立及验证1 73 1 直喷柴油机伞喷涡流室燃烧系统的提出1 73 2 柴油机主要参数及模型建立1 83 3 网格生成1 93 4 初始计算参数及模型验证2 13 5 本章小结一2 2第四章直喷柴油机伞喷涡流室燃烧系统模拟计算2 34 1 通道宽度的影响2 34 1 1 通道宽度对缸内速度场、浓度场、温度场影响2 34 1 2 通道宽度对燃烧、排放特性的影响2 7V万方数据直喷柴油机伞喷涡流
21、室燃烧系统喷雾与燃烧过程的模拟研究V4 2 喷油锥角的影响2 94 2 1 喷油锥角对缸内浓度场、温度场影响2 94 2 2 喷油锥角对燃烧、排放特性的影响3l4 3 喷油定时的影响一3 34 3 1 喷油定时对缸内浓度场、温度场影响3 34 3 2 喷油定时对燃烧、排放特性的影响3 54 4 涡流比对新型燃烧系统的影响3 74 4 1 涡流比对缸内速度场、浓度场、温度场影响3 74 4 2 涡流比对燃烧、排放特性的影响4 04 5 喷孔直径的影响一4 14 5 1 喷孔直径对N O 浓度和S o o t 浓度的影响4 24 5 2 喷孔直径对燃烧、排放特性的影响4 44 6 本章小结4 5第
22、五章总结与展望4 85 1 全文工作总结4 85 2 工作展望4 9参考文献5 1致谢5 5参加的科研项目5 6万方数据江苏大学硕士学位论文1 1 选置背景及意义第一章绪论在能源与环保问题日益突出的情况下，内燃机界面临的重大课题之一是如何实现柴油机高效清洁的燃烧。柴油机以其较高的热效率、良好的可靠性以及动力性在农业生产中的拖拉机、联合收割机、发电机组和基础设施建设(推土机、压路机、挖掘机)等方面获得了广泛的应用。而非道路柴油机不仅功率范围极为宽广，同时其工作环境与道路用柴油机相比通常较为恶劣，经常需要在低转速下进行大负荷作业，因而其动力性及可靠性更应该有可靠的保证。与之同时，面对日益严重的能源
23、短缺问题，虽然非道路柴油机在数量上与相比道路用机动车较少，但其较大的排放在移动污染源中所占比例也不容忽视，如图1 1。尤其作为农业大国的中国，非道路用柴油机及其污染物的所占比例将会更高。道路耀重鍪柴油车2 2 图1 I 美国移动式污染源N o x 排放分析F i g 1 1T h eN O xe m i s s i o n so fm o b i l ep o l l u t i o ns o u r c ei nA m e r i c a n基于上述原因，更为严格的排放法规也在世界各国及组织开始出台。美国E P A(E n v i r o n m e n t a lP r o t e c t
24、 i o nA g e n c y)在1 9 9 4 年针对功率超过3 7 k W 的非道路用柴油机制订并颁布了首个排放限值标准，即T i e r l 标准【1 1。该标准中N O x 和P M 的排放限值相比未采取该标准前降幅为31 和6 0 左右。而后续制定的T i e r 2 标准【2】中N O x 和P M 的排放限值与此前T i e r l 标准相比进一步下降了约6 0 和4 0。紧随其后执行的T i e r 4 A、T i e r 4 B 标准【3 4】，可使N O x 和P M 的排放量相比未采用任何排放限值前降低9 6 左右。预计到2 0 3 0 年前后，美国本土市场上运转的发
25、动机万方数据直喷柴油机伞喷涡流室缸内流动与燃烧过程的模拟研究N O x 及P M 排放每年可以相应减少7 3 8 x 1 0 5 吨和1 2 9 x 1 0 5 吨左右。分别于1 9 9 7 5,6 1 年和2 0 0 1 7 1 年相继发布了非道路发动机的排放法规，表1 1 欧盟非道路柴油机污染物排放标准T a b 1 1E m i s s i o ns t a n d a r d so fn o n r o a dd i e s e le n g i n ei nE u r o p e欧盟和日本也见表1 1。排放限值(g k W h)法规阶段功率划分(k w)C OT H CH C+N O
26、。N O。P M3 7 P 7 56 51 39 20 8 5欧I7 5 P 1 3 051 39 20 71 3 0 P 5 6 051 39 20 5 41 8 P 3 75 51 580 83 7 P 7 551 370 4欧I I7 5 P 1 3 05160 313 0 P 5 6 03 516O 21 9 P 3 75 57 50 63 7 P 7 554 70 4欧I l i A7 5 P 1 3 0540 313 0 P 5 6 03 540 2P：3 7 P 5 654 70 0 2 5N：5 6 P 7 550 1 93 30 0 2 5欧I I I BM：7 5 P 1
27、3 050 1 93 30 0 2 5L：1 3 0 P 5 6 03 50 1 920 0 2 5R：5 6 P 1 3 050 1 90 40 0 2 5欧I VQ：1 3 0 P 一 5 6 03 50 1 90 40 0 2 5与国外相比，中国作为非道路用发动机排放标准的发展中国家，主要参照了欧盟的排放法规和标准【8】，2 0 1 4 年5 月我国也已经发布了非道路柴油机排放限值第三四阶段的法规，见表1 2。同时规定自2 0 1 6 年4 月停止制造国二阶段的非道路柴油机【9 1。由此可见，我国虽然在执行非道路柴油机排放法规方面起步较晚，但在排放标准的推进上也在逐渐加快追赶发达国家排放
28、控制的脚步。与此同时，我国作为一个农业大国，单缸柴油机在耕作及农田水利中发挥着相当重要的作用，为我国农业经济的不断向前发展提供了重要支撑。目前，我国单缸机社会保有量达到近5 0 0 0 万台，尤其中小型单缸柴油机无论是从产量还是国际市场的占有率上来看都是首屈一指的，但我国同时也要应对严酷的挑战，产品档次低，在国际上缺乏核心竞争力。据相关部门统计，当前我国每年的单缸柴油机制造能力早已超过1 2 亿台，同时其还保持了8 0 0 万台年左右的产销量。就数量而言，其产量在全国柴油机年产量中已经占到了大约9 0 的比重，而从功率来2万方数据江苏大学硕士学位论文计算也占到了6 0 以上，业已成为我国柴油机
29、界甚至于全国内燃机界中的重要组成部分。表1 2 国内非道路柴油机排气污染物排放限值T a b 1 2T h ee m i s s i o nl i m i t so fn o n r o a dd i e s e le n g i n ei nC h i n a排放限值(g l(W h)阶段功率段划分(k W)C OH CH C+N O。N O。P MP 3 75。57。50 6第三3 7 P 7 55 O4 70 47 5 P 5 6 03 56 40 2P 3 75 57 50 63 7 P 5 65 O4 70 0 2 5第四5 6 P 7 55 OO 1 93 30 0 2 5阶段7
30、5 P 5 6 03 50 43 5，0 6 7(1)0 1 01 2 柴油机节能减排技术为了满足日益严格的排放法规，许多学者在节能减排技术上做了相当多的工作。其净化措施主要归结为机内和机外两种方式。比如机内净化技术有增压中冷 1 2-1 5 1、推迟喷油1 1 6,1 7 1、改进喷油系统7 1 8,1 9 1、减少预混燃烧的同时加强扩散燃烧所占比重、优化喷油正时(供油持续期、优化供油提前角)、E G R(E x h a u s tG a sR e c i r c u l a t i o n)废气再循环技术【2 0,2 1】及新概念燃烧技术【2 2。2 5 1(包括低温燃烧、H C C I、
31、M K 燃烧等)等。降低P M 排放的主要机内净化技术有提高过量空气系划2 6，2 7 1(多气门、优化气道)、改进燃烧系统设计、改进燃油系统、控制机油消耗等。而机外净化主要措施则可以进一步分为前处理和后处理。前处理技术主要方式有合成燃料和代用燃料两种1 2 8 1，如燃油乳化以及采用天然气和醇类燃料等方法。而后处理则通过加装一系列后处理装置来控制柴油机排放，主要包括的有：颗粒捕集器D P F(D i e s e lP a r t i c u l a t eF i l t e r)2 9,3 0 1、氧化催化转换器D O C(D i e s e lO x i d a t i o nC a t
32、a l y s t)3 1,3 2 1、选择性还原催化S C R(S e l e c t i v eC a t a l y t i cR e d u c t i o n)1 3 3,3 4 1、低温等离子体技术N T P(N o n t h e r m a lp l a S m a)3 5，3 6 J 等。但与此同时，不同于车用柴油机，各类减排措施在非道路用途上的直接应用万方数据直喷柴油机伞喷涡流室缸内流动与燃烧过程的模拟研究不一定能取得预期的效果，甚至于出现一些缺陷。首先，这是由于非道路用柴油机的运转时环境条件相对较为恶劣，且普遍缺少迎面风，导致其散热作用较弱，同时工作中还存在较大的扬尘、强
33、烈的冲击和振动、且长期处于大负荷工况，其零部件更换及检修条件往往较为简陋，油品也难以得到可靠的保证；此外，非道路柴油机往往具有很大的功率输出范围，不少功率段是车用柴油机较少触及的，尤其是小功率段，如1 9 k W 以下，一般没有较为成功的排放控制策略或装置可以直接采用。通常而言，小缸径柴油机减排的难度更大。涡轮增压技术甚至无法在单缸或双缸机上得以应用，而且小机型柴油机通常没没用足够的空间供冷却系统进行布置。再者，从成本控制和市场价格两方面考虑，小型柴油机附加装置进行减排成本占比相比大机型高出许多，这对其成本和价格控制都是不利的。出于上述种种原因，小功率段柴油机在低成本下进行降排具有较大的难度。
34、因而转从改进燃烧系统的结构上入手，进而来优化柴油机燃烧，在略微提高成本的基础上可以有效提高非道路柴油机动力性、经济性的同时降低污染物排放，在某种意义上更加适用于国内的使用条件。1 3 伞喷技术及涡流室式柴油机发展与现状(1)伞喷技术4图1 2 伞喷油嘴及伞状喷雾发展历程F i g 1 2T h es c h e m a t i co fc o n i c a l-s p r a yn o z z l e伞喷技术是上世纪7 0 年代前后由大连理工大学的胡国栋教授开发并成功用万方数据江苏大学硕士学位论文在热预混合燃烧的研究当中，并在中小负荷下实现了低排放和较高的燃烧效率。图1 2 为伞喷油嘴及伞状
35、喷雾发展历程1 3 7,3 8 。与多孔油嘴相比，伞喷油嘴的喷雾形态类似一个中空的锥体，在垂直于油嘴轴线平面上为均匀分布的环状，且油束中并无密集核心。不需要很高的喷射压力，就能得到油滴直径较小且均匀的喷雾；喷孔的流出面积较大，因而喷油的速率较快、缩短了喷油持续期；油雾扩散性较强、贯穿距离较短，有效避免了油束前端碰壁现象的出现。清华大学冯圆等人对伞喷油嘴内部流动及一种新型伞喷一热预混合燃烧系统进行了数值模拟研究【3 9】，发现伞喷技术在燃油的混合雾化方面有较强的优势：减少了燃油碰壁，加强了初期雾化速度，因而减少了燃烧初期碳烟生成量，加上伞喷燃烧具有稍高的缸内温度，碳烟后期的氧化较为迅速，在排气门
36、打开时碳烟的终值较低。这就使得伞喷油嘴可用在小缸径柴油机上，而目前我国农用机大多数是单缸小缸径高速柴油机，而高速柴油机往往具有有较大的涡流强度，合理利用可以改善混合气质量。这就为伞喷在单缸高速柴油机的应用提供了有力的保障。(2)涡流室式柴油机涡流室式柴油机因其燃烧系统一直以其排放低、噪声小、在高速时适应性好等特点而著称，其在轿车方面也颇受青睐 4 0,4 1 1。而且随着排放法规的要求不断提高，不少国外的公司都以涡流室式柴油机为主，进行一定程度技术改进后成功的达到了E P AT i e r 3 排放限值要求 4 2,4 3 ，涡流室在2 0 0 9 年至今的日本柴油机市场上的单缸卧式机型占有很
37、大的比重m J。近年来，国内外的不少学者也已经从混合气形成的能量、放热等容度、热损失和能量耗散等方面进一步研究了该类柴油机的燃烧和循环特性，大量研究结果表明：在较强的涡流运动、高速油束和涡流室通道进入主燃室形成的射流的复合作用下形成的强混合气能量对于柴油机燃烧性能是十分有利的。因而在相近条件下，涡流室式柴油机得益于较大的混合气形成能量，其燃烧性能一般较直喷式略为优异。涡流室式柴油机的N O x 和P M 排放量也进一步得到降低，使其排放性能较好。直喷式柴油机相比涡流室式柴油机一般放热等容度较高，且其热损失和流动损失相对较小，油耗也相对较低。涡流室式柴油机相比较直喷式柴油机而言，一般具有噪声较小
38、，同时在高万方数据直喷柴油机伞喷涡流室缸内流动与燃烧过程的模拟研究速时能够表现出良好的适应性。但其在起动性能方面相对较差。因此，解决涡流室式柴油机经济性与排放性之间的矛盾，进一步提高其经济性、减少其散热损失和流动损失、改善其冷启动性能、降低排放以满足更高E P A非道路用柴油机排放法规，已经成为涡流室式柴油机下阶段研究的主要方向之一。如何同时利用伞状喷雾的优点和涡流室式柴油机低排放的优势，降低传统的涡流室式柴油机的传热损失，提高其经济性与动力性、改善起动性能；扩展伞喷的应用范围，扬长避短，从而将两者有机地结合起来，以达到高效洁净燃烧的目的，在较低成本基础上为满足更加严格的E P A 非道路用发
39、动机排放法规进行技术储备就成为当前研究的关键所在。从检索的文献看，迄今为止，目前鲜有利用传统涡流室式柴油机燃烧系统完全解决上述问题的相关报道。1 4 数值模拟及三维模拟软件对于柴油机缸内燃烧过程的模拟计算，往往是结合了包括化学反应动力学、流体力学、传热学、热力学及数值计算等多领域知识，针对发动机工作过程中的进排气过程、缸内工质流动及其热交换过程、燃烧放热过程三个方面来进行描述其现象及内在规律【4 5 1。对于内燃机的燃烧，我们很难直观的了解到其工作过程中各个环节的一些真实情况，如：气体流动规律、缸内温度场分布、混合气浓度场分布、污染物生成区域等。而通过三维模拟软件的计算，我们只需要保证较为准确
40、的边界条件和燃烧、喷雾等各方面的模型及参数，就可以得到各类参数对内燃机整个共工作过程的影响。总而言之，就是通过数学描述的方法，将内燃机的工作过程化为各类微分方程来求解，并对不同的研究对象分类处理。这对理解内燃机研究中较为关注的燃烧质量以及排放物生成等方面有着很大的帮助。目前关于计算流体力学即C F D(c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s)仿真软件，已经较为成熟并商业化，无论其对内燃机工作过程的模拟精度，还是各类信息及图像的表达，也都有了长足的进步，因而其应用领域也随之不断拓展。当下较为主流的商业C F D 软件主要有：C o n
41、v e r g e、A V L F i r e、F l u e n t、G T-P o w e r、S t a r-C D、K I V A等。众多三维C F D 软件的存在，使得对内燃机机构参数、喷油特性、配气相位等参数的调整更加方便，同时可以保证单参数轮换法的进行，有效排除其他因素的万方数据江苏大学硕士学位论文干扰和影响，节省了大量用于内燃机台架实验的时间。直观的以图像及曲线显示各类结果，有效、快速的获取所需要的信息。同时可以对内燃机设计及实验方案的优化提供一定的参考和指导。1 5 本课置主要研究内容本课题选题来自国家自然科学基金基于伞喷的直喷式柴油机涡流室燃烧系统的燃烧机理研究。主要为了加
42、强缸内气流运动强度并充分的利用缸内气流运动规律，加速混合气形成过程的同时提高缸内空气利用率。利用伞喷技术的优势与类涡流室式燃烧室进行耦合，结合所在课题组前期所做工作1 4 6-4 9】，发展新型燃烧系统，改善缸内燃烧过程，有效降低排放值 4 6 1。在单缸1 3 5 四气门水冷柴油机的基础上提出了一种新型的直喷柴油机伞喷涡流室燃烧系统，运用大型C F D 软件A V LF i r e 建立了新型燃烧系统的计算模型。分析其喷油特性参数(喷油始点、喷油锥角、喷孔直径、喷油规律)，换气过程(涡流比)，燃烧室结构(喉口通道宽度)对缸内燃烧过程及排放性能的影响。具体包括：(1)利用三维绘图软件建立新型燃
43、烧系统的模型，利用A V LF i r e 生成动态网格，对照单缸1 3 5 柴油机的缸压曲线数据将各计算初始条件、边界条件及各类子模型进行选定。(2)计算选取额定工况点进行模拟分析，重点探究压缩行程活塞上行时缸内涡流、挤流和湍流的之间的变化规律及其之间的相互作用，膨胀行程期间逆挤流的分布及对扩散燃烧的影响喷油特性参数(喷油始点、喷油锥角、喷孔直径)，换气过程(涡流比)，燃烧室结构(喉口通道宽度)对柴油机缸内燃烧及排放性能的影响。(3)对计算模拟结果进行分析，讨论各参数对柴油机燃烧过程及排放性能的影响程度。揭示缸内气流运动发展规律以及影响混合气形成及燃烧过程的关键参数。7万方数据直喷柴油机伞喷
44、涡流室缸内流动与燃烧过程的模拟研究第二章数学模型采用三维C F D 软件对柴油机工作过程进行模拟实际上是建立在一些列数学模型的基础上的，本章节主要对F i r e 软件所集成的重要模型进行一一阐述。2 1 基本方程无论柴油机的工作过程如何复杂，其中各类流体流动如何多变。我们始终可以用质量守恒、动量平衡、化学组分平衡及能量守恒这几条物理守恒定律来对其进行概括。而具体到计算中则是体现为利用各类定律的数学形式对其中各类不断随时间及空间变化的物理量及化学反应进行描述。(1)质量守恒质量守恒定律：对于单位时间内的任意微元体，其整个控制体内的质量流入率，等于同一阶段外界流入该控制体的净质量。连续性方程的矢
45、量形式为：一O p I-型+塑+一O(p w)：0(2 1)a t烈&现其中，P 是密度，f 是时间，U、v、W 是速度矢量U 在x、Y、z 方向的分量。(2)动量平衡动量平衡定律：对于单位体积的微元体中某特定方向上流体的动量单位时间的变化率等于该方向上动量的净流入率与外界在该方向上的全部外力之和。动量平衡方程(N S 方程)为：掣胁(p u 炉d i v(1 a g r a d u)一O 舐p 城(2 2)掣例州础(1 a g r a d v)一考城(2 3)_ O(p-w)I-d i，(p w u)：d i v(g g r a d w)一拿+S。(2 4)O t化其中，是动力粘度，P 是流
46、体微元体上的压力，&、S、&是动量守恒方程的广义源项。(3)化学组分平衡化学组分平衡定律：系统内单位体积内某类化学组分质量随时间变化的增加8万方数据江苏大学硕士学位论文率，和穿过系统截面对流及扩散引起的净扩散流量与该组分化学反应的生成率总和基本相同，即控制体内的化学反应并未引起其中元素的变化。化学组分平衡方程为：掣+d i v(肛c，)：d i v(D。g r a d(p c,)+S。(2 5)其中，G 为组分S 的体积浓度，职为该组分的扩散系数，墨为系统内部单位时问内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量。(4)能量守恒该定律为热力学第一定律在流体动力学领域中的直接应用，能量守恒定律是指：单
47、位控制体积中能量的增长与滞止焓进入控制体的净流入热量和体力以及面力对该单位体所做的功累加后基本相同。能量守恒方程的表达式为：挈+咖c 肛D=d i(pg r a d T)一褰+曲c 2 q其中，C 口是比热容，丁是温度，k 为流体的传热系数，研为流体的内热源及由于粘性作用于流体机械能转换为热能的部分。三维C F D 软件F i r e 以上述各方程为基础，反映了缸内各组分随时间及空间瞬态变化关系和物理量的平均值。2 2 湍流流动模型湍流一般是一种发生在大雷诺数下的具有连续性和准周期性的三维有旋不规则流动矧。湍流中流体的流动属性随时间及空间发生一些半随机半有序的流动，且具有强耗散性、强扩散性的特
48、点。从其结构上而言，我将其看成由包含各类尺度的大涡结构及小涡结构的集合体。而其中的小涡结构随机性较强，大涡结构则通常具有较强的拟序性和间歇性。而主要由扰动、边界条件以及速度梯度的综合影响下不断的形成了一系列大尺度涡团，其破裂后将其中的能量向着小尺度涡团转移，并最终在流体粘性等的作用下转化为其他类型的能量。在整个过程不断的往复循环下形成了具有各个量级尺寸的涡团并存，进而形成了湍流运动。而对于缸内气体流动而言，无论是进气过程、活塞位移、燃油喷射、火焰传播等过程在对缸内的各类工质的流动都产生重要的影响的同时还发生了交互作用，使整个缸内气流运动更加多变。因此整个燃烧室的几何结构无论对于缸内气万方数据直
49、喷柴油机伞喷涡流室缸内流动与燃烧过程的模拟研究流运动的强度，还是其运动规律都发挥着重要作用。合理的对其进行设计和改进可以更有效的利用缸内湍流运动规律【5 1 1。通常而言，对湍流的模拟方法主要有直接模拟D N S(D i r e c tN u m e r i c a lS i m u l a t i o n)、大涡模拟L E S(L a r g eE d d yS i m u l a t i o n)、R e y n o l d s 平均N S 方程R A N S(R e y n o l d s-A v e r a g e dN a v i e r-S t o k e s)等三种方法【5 2】
50、。见图2 1。本文中则主要采用涡粘性模型作为主要计算方法。湍流数值模拟直接数值模拟(D N S)|非直接数值模拟大涡数值横拟L E s lI 霉诺平均法(R A N S Il统诗平均法R S M()厂1【代数应力方程模型L JA S M)厂一涡粘性模型零方程模型l两方程模型l一方程模型标准k 吒R N Gk 吒其他弼方程模型F i g 2 1M e t h o d so ft u r b u l e n ta i r f l o ws i m u l a t i o n上图中的R S M 模型、k-e 模型5 3 1、S G S 模型都是内燃机实际模拟计算中应用较为广泛的湍流模型。由于内燃机缸