大缸径天然气发动机进气道结构对气体流动影响的研究

【摘要】：天然气发动机的开发、应用能有效促进我国能源结构调整,实现节能减排。提高功率密度、提高热效率、降低排放,是天然气发动机开发过程中的研究热点。合理的气流组织对天然气发动机实现清洁、高效燃烧有着重要的影响,而进气道结构是决定缸内空气量及涡流强度的关键因素,直接对气流组织和燃烧过程产生影响。天然气发动机在进气道上布置有燃气喷嘴和节气门,其结构同样会对缸内气体流动产生影响。因此,以某中速大缸径天然气发动机串联式切向气道为研究对象,采用CFD模拟和气道稳流试验相结合的方法,研究了进气道结构,燃气喷嘴及节气门结构对缸内气体流动的影响规律。具体研究内容如下:首先,应用CFD仿真研究,提出了天然气发动机进气道结构主特征参数:气道导向角Av,气道喉口直径dv,气阀锥角An和弯曲半径R,并研究了其对气体流动的影响规律。模拟结果表明:当Av减小7%时,气道平均流量系数降低约2%,平均涡流比提高约25%;当dv减小4%时,气道平均流量系数降低约3%,平均涡流比提高约10%;当An减小17%时,气道平均流量系数降低约2%,平均涡流比降低约15%;当R减小7%时,气道平均流量系数降低0.2约%,平均涡流比降低约2%。同时可将各主特征参数对气体流动的影响规律应用在相似机型进气道的设计开发,若考虑增大进气道的流通性,可优先增大喉口直径dv;若考虑增大进气道的涡流强度,可优先减小气道导向角Av。然后,应用CFD仿真研究,确定了燃气喷嘴和节气门结构对气体流动的的影响规律。模拟结果表明:加装燃气喷嘴和节气门后气道性能稍有变差,平均流量系数降低约4%,平均涡流比降低约2%,实际上这种影响主要来自于燃气喷嘴结构。最后,应用3D打印快速成型技术加工试验件,该方法具有精度高,加工周期短的特点,大大减小了试验件铸造偏差对试验结果的影响,并极大的缩短了加工周期。同时开展气道稳流试验验证了CFD仿真计算的准确性,分析表明:仿真计算与稳流试验结果有很高的一致性,可将两者平均流量系数的偏差控制在3%以内,平均涡流比的偏差控制在10%以内。本课题的研究实现了应用CFD仿真技术对气道性能的定性判断和定量分析,提高了试验验证的效率和水平。CFD仿真技术与气道稳流试验的有机结合,可作为气道设计开发的重要手段之一。 【关键词】：天然气发动机 进气道 燃气喷嘴 节气门 CFD
【学位授予单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK403
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-22
• 1.1 课题研究背景8-10
• 1.2 气道评定方法的现状10-13
• 1.3 国内外研究现状13-20
• 1.3.1 国外研究动态13-19
• 1.3.2 国内研究动态19-20
• 1.3.3 小结20
• 1.4 本课题的研究意义及主要内容20-22
• 1.4.1 研究目的和意义20
• 1.4.2 主要研究内容20-22
• 第二章 气体流动的数学模型及求解方法22-28
• 2.1 气体流动控制方程22-23
• 2.2 湍流模型23-25
• 2.3 边界条件25-26
• 2.4 控制方程的离散及求解26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 进气道结构对气体流动的影响研究28-53
• 3.1 进气道结构设计28-30
• 3.2 进气道仿真模型的建立30-33
• 3.2.1 几何模型的建立及计算网格的生成30-31
• 3.2.2 进出口边界及初始化31
• 3.2.3 数值计算方法31-32
• 3.2.4 验证仿真模型32-33
• 3.3 气道导向角Av对气体流动的影响33-41
• 3.3.1 不同Av值在各升程下的流量系数和涡流比33-34
• 3.3.2 不同Av值在不同升程下的流场分布34-36
• 3.3.3 Av对气道流通性的影响36-38
• 3.3.4 Av对气道涡流强度的影响38-41
• 3.4 气道弯曲半径R对气体流动的影响41-45
• 3.4.1 不同R值在各升程下的流量系数和涡流比41-42
• 3.4.2 R对气道流通性的影响42-45
• 3.5 气道喉口直径dv对气体流动的影响45-49
• 3.5.1 不同dv值在各升程下的流量系数和涡流比45-46
• 3.5.2 dv对气道流通性的影响46-48
• 3.5.3 dv对气道涡流强度的影响48-49
• 3.6 气阀锥角An对气体流动的影响49-52
• 3.6.1 不同An值在各升程下的流量系数和涡流比49-50
• 3.6.2 An对气道流通性的影响50-51
• 3.6.3 An对气道涡流强度的影响51-52
• 3.7 本章小结52-53
• 第四章 燃气喷嘴及节气门结构对气体流动的影响53-64
• 4.1 燃气喷嘴及节气门结构的设计53-54
• 4.2 仿真模型的建立54-55
• 4.3 燃气喷嘴结构对气体流动的影响55-58
• 4.4 节气门结构对气体流动的影响58-60
• 4.5 燃气喷嘴和节气门对气体流动的影响60-63
• 4.6 本章小结63-64
• 第五章 气道稳流试验64-73
• 5.1 试验方法64
• 5.2 涡流的测量方法64-65
• 5.3 3D打印试验件65-66
• 5.4 试验装置及测量66-67
• 5.5 试验与仿真结果对比分析67-71
• 5.6 本章小结71-73
• 第六章 全文总结与展望73-75
• 6.1 全文总结73-74
• 6.2 工作展望74-75
• 致谢75-77
• 参考文献77-79
• 学术论文和科研成果目录79

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