混燃天然气柴油机燃烧室结构优化仿真研究

发布时间：2017-08-13 11:29

  本文关键词：混燃天然气柴油机燃烧室结构优化仿真研究

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【摘要】：为缓解由船舶柴油机所造成的大气污染,研究开发新能源,替代部分化石燃料,成为当前船用发动机的主要研究方向。天然气燃烧产物清洁,是当前柴油的主要替代燃料。本文以4190型船用中速柴油机改造的柴油-天然气双燃料发动机为研究对象,利用AVL-FIRE软件建立双燃料发动机燃烧过程仿真模型,研究天然气替代率、燃油喷射参数和燃烧室形状对双燃料发动机燃烧排放性能的影响。首先,利用AutoCAD软件建立燃烧室二维几何模型,导入AVL-FIRE软件中,划分计算网格,设置初始条件和边界条件,并用FIRE中气相反应模块将燃烧室三维模型与柴油-天然气化学反应机理耦合,建立双燃料发动机燃烧过程仿真模型。其次,在已建立的仿真模型基础上,采用单参数轮换的方法分别研究天然气替代率、燃油喷射时刻和油束夹角对双燃料发动机燃烧过程的影响。天然气替代率选取90%、80%、70%、60%和50%,燃油喷射时刻选取700°CA、705°CA和710°CA,油束夹角选取140°、150°和160°。进行缸内燃烧排放性能的仿真计算,并根据二维仿真计算结果和三维计算结果,分析天然气替代率、燃油喷射时刻和油束夹角对缸内压力、温度、放热率和天然气、NO、CO质量分数变化及缸内各物理场的影响规律。最后,在保证压缩比不变的条件下,设计缩口ω形和双卷流形两种燃烧室,通过模拟计算研究90%和70%两种天然气替代率下不同燃烧室形状对缸内速度、湍动能影响,根据二维和三维结果分析燃烧室形状对双燃料发动机燃烧与排放性能的影响,为进行双燃料发动机性能优化试验研究提供预测和理论依据。
【关键词】：柴油-天然气双燃料发动机 天然气替代率 燃油喷射参数 燃烧室 仿真
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U664.121
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景及意义10-12
• 1.1.1 研究背景10-11
• 1.1.2 研究意义11-12
• 1.2 天然气燃料的基本性质12-14
• 1.2.1 天然气的发展状况12
• 1.2.2 天然气性质12-13
• 1.2.3 天然气的分类13-14
• 1.2.4 天然气作为替代燃料的优点14
• 1.3 燃用天然气的发动机14-16
• 1.3.1 天然气发动机的分类及特点14-15
• 1.3.2 双燃料发动机的优缺点15-16
• 1.4 国内外双燃料发动机研究现状16-17
• 1.4.1 国外研究现状16-17
• 1.4.2 国内研究现状17
• 1.5 本文的主要内容17-20
• 第2章 柴油-天然气双燃料发动机仿真数学模型20-29
• 2.1 基本控制方程20-22
• 2.1.1 质量守恒方程20-21
• 2.1.2 动量守恒方程21
• 2.1.3 能量守恒方程21
• 2.1.4 组分方程21
• 2.1.5 状态关系方程21-22
• 2.1.6 扩散方程22
• 2.2 计算模型22-28
• 2.2.1 湍流流动模型23
• 2.2.2 喷雾模型23-27
• 2.2.3 燃烧与排放模型27-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第3章 双燃料发动机仿真模型建立与验证29-38
• 3.1 仿真软件简介29-30
• 3.2 发动机主要技术参数30
• 3.3 几何模型的建立与计算网格的划分30-32
• 3.3.1 几何模型的建立30-31
• 3.3.2 计算网格的划分31-32
• 3.4 模型求解器参数设置32-36
• 3.4.1 仿真计算模式与子模块选取32-33
• 3.4.2 边界条件设置33-34
• 3.4.3 初始条件设置34-35
• 3.4.4 喷雾模块设置35-36
• 3.4.5 松弛因子和收敛标准确定36
• 3.5 模型验证36-37
• 3.6 本章小结37-38
• 第4章 天然气替代率和燃油喷射参数对双燃料发动机性能影响38-61
• 4.1 仿真试验方案选择38-39
• 4.2 天然气替代率对发动机性能的影响39-50
• 4.2.1 天然气替代率对发动机燃烧排放性能的影响39-42
• 4.2.2 天然气替代率对缸内各物理场的影响42-50
• 4.3 燃油喷射时刻对发动机性能的影响50-56
• 4.3.1 燃油喷射时刻对发动机燃烧排放性能的影响51-53
• 4.3.2 燃油喷射时刻对缸内各物理场的影响53-56
• 4.4 油束夹角对发动机性能的影响56-59
• 4.4.1 油束夹角对发动机燃烧排放性能的影响56-58
• 4.4.2 油束夹角对缸内各物理场的影响58-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第5章 燃烧室形状对双燃料发动机性能影响分析61-76
• 5.1 模型建立及试验方案选择61
• 5.2 天然气替代率为 90%时燃烧室形状对发动机性能的影响61-68
• 5.2.1 燃烧室形状对发动机燃烧排放性能的影响61-64
• 5.2.2 不同燃烧室形状对缸内各物理场的影响64-68
• 5.3 天然气替代率为 70%时燃烧室形状对发动机性能的影响68-75
• 5.3.1 燃烧室形状对发动机燃烧排放性能的影响69-71
• 5.3.2 不同燃烧室形状对缸内各物理场的影响71-75
• 5.4 本章小结75-76
• 第6章 全文总结及工作展望76-78
• 6.1 全文总结76-77
• 6.2 工作展望77-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-82
• 在学期间发表的学术论文82

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本文编号：667064