高功率密度柴油机准维燃烧模型研究

发布时间：2017-10-09 13:33

  本文关键词：高功率密度柴油机准维燃烧模型研究

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【摘要】：现有柴油机准维燃烧模型主要依据的是30多年前常规喷雾燃烧系统的喷射及油气混合理论与试验结果,受当时实验条件限制,关于柴油喷雾燃烧的许多现象无法观察到,燃烧模型的建模过程中采用了许多简化和假设,并且大多燃烧模型是根据单束燃油喷雾试验建立的,没有考虑多油束受限空间喷雾对空气卷吸的影响,在预测高功率密度柴油机缸内喷雾燃烧时存在较大偏差,无法满足高功率密度柴油机性能优化设计的需求。因此,本文从柴油喷雾的气液两相贯穿现象以及受限空间喷雾卷吸规律方面开展了研究,建立了气相两相贯穿模型以及受限空间射流浓度分布理论关系式,并依据气液两相贯穿模型和受限空间气相射流浓度分布规律,建立了基于气液两相贯穿分离现象并考虑受限空间喷雾的高功率密度柴油机准维燃烧模型。全文具体工作如下:首先,为了在高功率密度柴油机准维燃烧模型中采用浓度划分小区和计算卷吸方式并考虑燃油液相的影响,需要从燃油喷雾气液两相分离现象出发,对喷雾气相和液相区分别进行离散化。因此,针对气液两相贯穿分离开展相关理论推导工作,在理想喷雾假设基础上,以燃油喷雾液相区为控制对象,通过综合应用能量守恒、质量守恒和动量守恒等,并假设燃油蒸发受油气混合过程限制,即混合限制蒸发理论,建立了喷雾液相贯穿模型,模型能够预测燃油喷雾液相贯穿规律、液相长度以及液相长度处截面的饱和蒸气状态参数和当量比;进一步以喷雾中燃油完全蒸发后的气相区为控制对象,通过控制面的质量守恒和动量守恒,建立了喷雾气相贯穿模型,模型能够预测喷雾气相贯穿规律。通过结合气液两相贯穿模型,能够预测燃油喷雾中的气液两相贯穿规律,为高功率密度柴油机准维燃烧模型的贯穿计算和小区划分提供依据。其次,为了考虑高功率密度柴油机大油量、多油束和小空间受限空间对喷雾卷吸的影响,通过CFD仿真计算开展了受限空间气相射流研究,建立了受限空间气相射流CFD计算二维简化模型,考虑了实际柴油机气缸几何尺寸限制以及多油束限制,分析了空间受限对气相射流速度和燃油浓度分布及卷吸规律的影响。在CFD计算基础上,开展了受限空间气相射流截面浓度分布的定量分析,并定义了无量纲轴向距离?和无量纲射流夹角?,根据不同无量纲夹角下射流截面浓度分布系数随无量纲轴向距离变化具有相似性,建立了受限空间参数与射流截面浓度分布系数之间的关系式。针对环境气体压力、射流速度和油束间夹角等参数设计了验证方案,验证受限空间参数与浓度分布系数关系式预测其它条件射流浓度分布规律的准确性。验证结果表明:不同验证方案的分布系数均能与浓度分布关系式计算结果较好吻合,受限空间参数与射流截面浓度分布系数关系式预测不同缸内气体压力、射流速度以及油束夹角的射流截面燃油浓度分布规律是合理的。然后,以建立的柴油喷雾气液两相贯穿模型为子模型,来预测气液两相贯穿、最大液相长度及最大液相长度处饱和蒸气状态参数,并结合受限空间气相射流的相关研究,建立了基于气液两相贯穿和受限空间喷雾卷吸的高功率密度柴油机准维燃烧模型。模型从采用更符合高功率密度柴油机喷雾卷吸特性的燃油浓度划分小区方式并考虑燃油液相影响的角度出发,根据柴油喷雾气液两相分离现象,对喷雾气相和液相区分别进行离散化,液相区按时间步长划分小区,气相区根据浓度分布划分小区,实现了浓度划分小区方式与考虑燃油液相影响相结合,符合高功率密度柴油喷雾燃烧现象,对柴油机一般功率密度工况和高功率密度工况的缸内燃烧都有较好的预测效果和精度。最后,开展了高功率密度柴油机准维燃烧模的计算和试验验证工作。针对一台重载柴油机,应用参数试验和最优拉丁超立方设计相结合的方法设计燃烧模型计算和验证试验工况,验证燃烧模型对一般功率密度柴油机缸内燃烧以及NOx排放的预测能力;在此基础上进一步针对高功率密度柴油机,开展燃烧模型的高功率密度工况试验验证工作,验证燃烧模型对高功率密度工况燃烧过程的预测能力,并对比分析了不同功率密度下的传统油滴蒸发燃烧模型与高功率密度燃烧模型的计算结果。综合试验验证结果表明,高功率密度柴油机准维燃烧模型对一般功率密度柴油机的不同转速、负荷、喷油压力以及喷油正时等工况有较好的适应性;同时对高功率密度工况的预测效果明显优于广安模型,最高燃烧压力的相对误差较广安模型减小约5%,并且压缩过程和做功过程缸压均能较好的与试验结果吻合。
【关键词】：高功率密度 柴油 液相长度 受限射流 准维燃烧模型
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK421.2
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 常用符号缩写表10-16
• 第一章 绪论16-38
• 1.1 前言16-18
• 1.2 高功率密度柴油机介绍18-20
• 1.3 燃油喷雾燃烧的研究现状20-28
• 1.3.1 燃油喷雾燃烧可视化方法介绍20-22
• 1.3.2 燃油喷雾场形成与演变过程22-24
• 1.3.3 燃油喷雾燃烧及火焰结构24-28
• 1.4 柴油机缸内燃烧模拟的现状与发展28-34
• 1.4.1 零维燃烧模型28-29
• 1.4.2 准维燃烧模型29-33
• 1.4.3 多维燃烧模型33-34
• 1.5 本课题的研究意义和内容34-38
• 1.5.1 研究意义和思路34-35
• 1.5.2 研究内容35-38
• 第二章 柴油喷雾气液两相贯穿模型38-64
• 2.1 前言38
• 2.2 液相贯穿模型建立38-46
• 2.2.1 建模方法与假设38-41
• 2.2.2 液相贯穿模型推导41-46
• 2.3 气相贯穿模型建立46-49
• 2.3.1 建模方法与假设46-48
• 2.3.2 气相贯穿模型推导48-49
• 2.4 气液两相贯穿计算及验证49-62
• 2.4.1 液相贯穿计算及验证49-60
• 2.4.2 气相贯穿计算及验证60-62
• 2.5 本章小结62-64
• 第三章 高油浓度小空间柴油喷雾卷吸规律研究64-84
• 3.1 前言64
• 3.2 无限空间气相射流计算64-69
• 3.2.1 数值计算方法64-66
• 3.2.2 无限空间气相射流CFD模型及计算66-67
• 3.2.3 无限空间气相射流计算及分析67-69
• 3.3 受限空间气相射流计算及规律69-75
• 3.3.1 受限空间气相射流CFD模型69-70
• 3.3.2 受限空间气相射流计算及分析70-75
• 3.4 受限空间气相射流浓度分布规律及验证75-82
• 3.4.1 受限空间气相射流浓度分布规律75-79
• 3.4.2 受限空间气相射流浓度分布规律验证79-82
• 3.5 本章小结82-84
• 第四章 高功率密度柴油机准维燃烧模型建立84-103
• 4.1 前言84
• 4.2 准维燃烧模型实现方法84-87
• 4.3 准维燃烧模型建立87-99
• 4.3.1 气液两相贯穿87-88
• 4.3.2 小区空气卷吸及混合88-90
• 4.3.3 小区的传热90-92
• 4.3.4 小区着火及燃烧92-93
• 4.3.5 小区及缸内热力参数计算93-94
• 4.3.6 燃烧工质物性计算94-96
• 4.3.7 实际气体的修正96-98
• 4.3.8 NO_x排放模型98-99
• 4.4 程序编制99-101
• 4.5 本章小结101-103
• 第五章 高功率密度柴油机试验验证103-143
• 5.1 前言103
• 5.2 某型重载柴油机试验验证103-129
• 5.2.1 试验台架及测试系统103-105
• 5.2.2 试验方案设计105-107
• 5.2.3 单因子变量试验验证107-122
• 5.3.4 综合工况试验验证122-129
• 5.3 高功率密度柴油机试验验证129-140
• 5.3.1 发动机台架129-131
• 5.3.2 试验方案设计131
• 5.3.3 不同功率密度试验验证131-140
• 5.4 本章小结140-143
• 第六章 全文总结与展望143-146
• 6.1 全文总结143-144
• 6.2 工作展望144-145
• 6.3 创新点说明145-146
• 参考文献146-152
• 攻读学位期间发表或录用的论文及获得的专利152-154
• 在校期间所获荣誉154-155
• 致谢155

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本文编号：1000480