火花点火天然气发动机燃烧过程的多维数值模拟研究

【摘要】： 数值模拟计算和试验研究是当今内燃机研究发展的两大支柱。尤其近些年,随着计算机运算速度的提高和数值模拟软件的成熟,数值模拟计算以低成本高效率的开发环境吸引了越来越多的研究者。并且,数值模拟计算能够提供的数据也较传统的试验研究更加全面,比如能够提供复杂的缸内流场和温度的变化过程。 本文系统的论述了缸内燃烧过程的三维数值模拟计算模型和数值计算方法,对缸内气体的气相湍流流动模型、燃烧模型和排放模型在理论上进行了具体的分析。应用AVL公司开发的三维数值模拟FIRE软件,对火花点火天然气发动机的气流运动过程、燃烧过程和排放物生成过程进行了数值模拟仿真计算,详细的展示了缸内流场、缸内温度场以及排放物浓度分布情况。 应用FIRE软件,本文主要从以下四个方面对一台由柴油机改装的T6114ZL型火花点火天然气发动机的燃烧过程进行详尽的模拟计算与分析:①压缩比:设计了两种压缩比,对比分析不同的压缩比对燃烧过程的影响,找出适合此天然气发动机的压缩比范围。②燃烧室形状:在保证压缩比不变的情况下,开发设计了几种不同形状的燃烧室,对比分析了这几种燃烧室的湍流动能强度分布及火焰传播情况。③点火提前角:对于选定的燃烧室形状,采用不同的点火提前角进行模拟分析,通过燃烧过程的对比选择适宜的点火提前角。④混合气浓度:设计了多种过量空气系数,分析不同程度的稀混合气对排放及经济性方面的影响。通过对各参数进行的模拟仿真计算,得出的最佳匹配参数,在此基础上对排放物生成进行定性的预测,并模拟研究了此发动机在设计过程中可能出现的热负荷问题。 计算得出,盆型燃烧室在火焰传播速度和火焰分布上能达到较好的平衡,有利于该天然气发动机实现稀燃。发动机台架试验表明,模拟计算提出的发动机设计和调试参数与试验结果相吻合,本文的模拟计算对发动机的试验开发工作提供了依据,减少了试验工作量。 本文的最后对缸内燃烧过程进一步的深入研究进行了展望。 【关键词】：天然气发动机 燃烧过程 数值模拟 排放
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TK431
【目录】：

• 中文摘要2-3
• ABSTRACT3-8
• 第一章 绪论8-17
• 1.1 选题背景8-9
• 1.2 发动机数值模拟计算的发展与现状9-15
• 1.2.1 计算机模拟概述9
• 1.2.2 内燃机燃烧过程数值模拟的发展9-13
• 1.2.3 计算方法13-14
• 1.2.4 网格生成14
• 1.2.5 模拟工具14-15
• 1.3 本文的主要内容15-17
• 第二章 火花点火发动机的CFD计算模型和数值计算方法17-29
• 2.1 气相湍流流动模型17-23
• 2.1.1 湍流概述17-18
• 2.1.2 湍流的数值模拟方法18-20
• 2.1.3 湍流流动的基本守恒方程20
• 2.1.4 湍流物理量时均值定义及运算规则20-22
• 2.1.5 湍流模型22
• 2.1.6 壁面函数法22-23
• 2.2 燃烧模型23-24
• 2.2.1 着火模型23-24
• 2.2.2 火焰面密度模型24
• 2.3 NO_x生成模型24-26
• 2.4 数值计算方法26-28
• 2.4.1 有限容积法26
• 2.4.2 网格结构26-27
• 2.4.3 初始条件和边界条件27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 CFD模型的建立及验证29-37
• 3.1 缸内燃烧过程的数值计算29-33
• 3.1.1 计算对象29-30
• 3.1.2 几何模型的建立与网格划分30-31
• 3.1.3 计算初始参数的设定31-32
• 3.1.4 计算模型的选取32-33
• 3.2 计算结果及分析33-35
• 3.2.1 缸内三维速度分布33-34
• 3.2.2 缸内三维压力分布34-35
• 3.3 计算模型的验证35-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第四章 火花点火天然气发动机燃烧及排放的多维数值模拟研究37-53
• 4.1 计算对象37-38
• 4.2 不同压缩比对燃烧过程的影响38-40
• 4.3 不同燃烧室形状对燃烧过程的影响40-44
• 4.3.1 燃烧室形状的设计及网格模型的建立40-41
• 4.3.2 模拟计算结果及分析41-44
• 4.4 不同点火提前角对燃烧过程的影响44-46
• 4.5 不同混合气浓度对燃烧过程的影响46-48
• 4.6 NO_x生成的模拟计算48-50
• 4.7 火花塞的热负荷50-52
• 4.8 本章小结52-53
• 第五章 发动机台架试验53-56
• 5.1 发动机参数53
• 5.2 试验条件53
• 5.3 试验所用仪器和设备53-54
• 5.4 试验结果54-55
• 5.5 本章小结55-56
• 第六章 全文总结及工作展望56-58
• 6.1 全文总结56-57
• 6.2 工作展望57-58
• 本文的主要创新点58-59
• 参考文献59-61
• 发表论文和科研情况说明61-62
• 附录62-63
• 致谢63

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