大缸径天然气发动机缸内燃烧过程数值模拟研究

【摘要】：面对日益严峻的环境污染与能源危机,天然气作为汽车替代燃料具有较大的优势,因此,天然气发动机的研发与研究受到越来越广泛的关注。深入研究天然气发动机的燃烧过程与燃烧机理对于天然气发动机的设计具有指导意义,对提升整体天然气燃烧理论具有重要理论意义。 试验研究和数值模拟是研究天然气发动机的两种有效手段,而数值模拟研究时间短、成本低、改型简便且能够提供更多的燃烧微观信息,故本文采用数值模拟的方法对某天然气发动机的燃烧过程进行了深入研究分析。 本文通过将甲烷的简化动力学反应机理耦合到CFD软件中,模拟了某大缸径天然气发动机缸内燃烧过程,并对计算模型进行了试验验证,计算与试验结果基本吻合,所选模型适合对此天然气发动机进行模拟分析。通过对此天然气发动机主燃烧室内温度场、速度场、火焰传播及燃烧中间产物的详细分析后得出：将主燃烧室与预燃烧室相连的八个圆管,能将从预燃室中产生的火焰高速射入主燃烧室中,火焰从圆管中喷射出后,沿各自方向快速向主燃烧室扩散,但由于缸内涡流处于较低水平,导致少量天然气滞后燃烧。 基于建立的简化动力学反应机理,本文设计了6种不同的预燃室结构,并与原机型进行了对比研究,计算结果表明：当周向布置较多连接管时,喷出的火焰可能会产生相互干涉,并不利于火焰在主燃烧室里的传播；相比周向连接管不同数量的布置,火焰传播速率对连接管管径较为敏感,较大的管径能扩大火焰传播范围,使更多的燃料在同一时刻燃烧,较小的管径降低火焰传播范围,使部分燃料拖后燃烧；较适宜的火焰喷射夹角,使火焰在喷射到主燃烧室过程中受壁面影响较小且能喷射到湍动能较大区域,对火焰的传播有利,故选取合适的连接管角度,可以有效提高火焰在主燃烧室里的传播速度。之后,又设计了几种不同的点火时刻及混合气浓度的工况,并与原机型进行了对比研究,计算结果表明：适当增大点火提前角能够减少后燃,火焰能够在主燃烧室里充分传播；混合气较稀能够减少排放物生成量,但混合气过稀,会导致主燃烧室里火焰传播速度较慢,部分燃料拖后燃烧,混合气较浓,燃料燃烧迅速,缸内压力急剧增大,容易发生爆震,而且会导致NOx排放大幅增大 【关键词】：天然气发动机 数值模拟 预燃室 化学动力学 燃烧过程
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK431
【目录】：

• 目录4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 主要符号说明10-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 研究背景及意义12-14
• 1.2 火花点燃式天然气发动机的分类14-18
• 1.2.1 按照燃料的使用情况分类14
• 1.2.2 按供气方式分类14-15
• 1.2.3 按照空燃比范围分类15-16
• 1.2.4 按照燃烧室形状分类16-18
• 1.3 天然气发动机燃烧过程模拟研究现状18-19
• 1.4 本文主要内容及研究方法19-21
• 第二章 缸内多维数值模拟理论基础21-28
• 2.1 湍流模型21-23
• 2.1.1 基本控制方程21-22
• 2.1.2 湍流模型22-23
• 2.2 燃烧模型23-27
• 2.2.1 零维模型及准维模型23-24
• 2.2.2 湍流燃烧模型24-26
• 2.2.3 化学动力学模型26-27
• 2.3 排放模型27-28
• 第三章 计算模型的建立和试验验证28-43
• 3.1 缸内工作过程的数值计算28-30
• 3.1.1 计算对象28-29
• 3.1.2 网格划分29
• 3.1.3 初始条件及边界条件29-30
• 3.1.4 子模型的选取30
• 3.2 模型可行性验证30-31
• 3.3 计算结果与分析31-43
• 3.3.1 主燃烧室燃烧过程分析31-39
• 3.3.2 预燃烧室流动及燃烧过程分析39-43
• 第四章 点燃式天然气发动机燃烧过程模拟计算43-62
• 4.1 不同预燃室结构对燃烧过程的影响43-56
• 4.1.1 不同连接管数量对燃烧过程的影响43-48
• 4.1.2 不同连接管直径对燃烧过程的影响48-52
• 4.1.3 不同连接管分布角度对燃烧过程的影响52-56
• 4.2 不同点火提前角对燃烧过程的影响56-59
• 4.3 不同混合气浓度对燃烧过程的影响59-62
• 第五章 总结与展望62-64
• 5.1 结论62-63
• 5.2 展望63-64
• 参考文献64-68
• 致谢68-69
• 攻读硕士期间发表的论文69-70
• 学位论文评阅及答辩情况表70

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