直喷增压汽油机火焰传播及爆震燃烧过程的多维数值模拟

发布时间：2017-10-23 19:02

  本文关键词：直喷增压汽油机火焰传播及爆震燃烧过程的多维数值模拟

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【摘要】：采用高压缩比和增压技术是提高缸内直喷汽油机的燃油经济性的重要途径,但是在中高负荷工况下会产生爆震燃烧现象。本文采用大涡模拟耦合湍流燃烧模型以及化学反应动力学对直喷汽油机燃烧室内的湍流流动、喷雾混合和湍流燃烧过程进行数值模拟,并对爆震这种非正常燃烧现象及其产生的机理进行了详细解析,以期能更精准更合理地模拟直喷汽油机的流动燃烧过程。在雷诺平均模拟方法框架下,将一种基于重整化群概念的湍流模型应用于可视化单缸机燃烧室内湍流流动的模拟计算。在KIVA-3V源代码平台下分别采用传统k??模型和G-RNG k??模型对该四气门发动机在倒拖工况下的进气、压缩和膨胀过程进行了模拟。采用试验数据作为发动机模拟计算的初始和边界条件,并将模拟结果与可视化发动机中的可视化粒子成像测速结果进行了对比分析,综合评价了G-RNG k??湍流模型在发动机湍流仿真预测中的适用性。在源代码KIVA-CHEMKIN平台下引入大涡模拟动能输运单方程亚网格模型,并修改亚网格湍动能输运方程中喷雾源项的封闭方式,通过标准台阶流动算例对流动和喷雾模型分别进行了验证。基于验证的模型,对直喷汽油机进气和燃油喷射过程的缸内湍流流动和喷雾混合进行了模拟,分析了湍流脉动对缸内速度场、湍流粘度和湍动能分布的影响,并分析比较了采用雷诺平均方法和大涡模拟方法对模拟结果的影响。相比雷诺平均方法,采用大涡模拟方法能够更合理地反映出缸内湍流流动的瞬态细节以及直喷汽油机喷雾混合气形成过程中的浓度分布特性。在大涡模拟方法框架下对离散粒子点火火核模型和G方程湍流燃烧模型进行了修正,包括对G方程燃烧模型中湍流火焰与层流火焰传播速度的关系式的修正,并在发动机上进行了模型验证。随后采用大涡模拟方法动能输运单方程亚网格模型描述缸内的湍流流动,采用离散粒子点火模型模拟燃烧室内的火花点火过程,采用G方程湍流燃烧模型描述缸内的湍流火焰传播过程,并采用一种47组分,142步反应的化学反应机理描述燃烧室内已燃区的后氧化过程和未燃区的末端混合气自燃过程,详细解析了直喷增压汽油机湍流燃烧过程以及爆震燃烧现象,研究了缸内亚网格尺度之上的湍流脉动对于缸内湍流火焰传播和未燃区末端混合气自燃过程的影响,并基于模拟计算结果对点火时刻和混合气浓度对发动机爆震强度的影响进行了分析。
【关键词】：直喷增压汽油机 大涡模拟 燃烧模型 火焰传播 爆震
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK411.2
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-9
• 主要符号对照表9-11
• 第一章 引言11-36
• 1.1 研究背景与意义11-12
• 1.2 相关内容的国内外研究进展综述12-34
• 1.2.1 直喷汽油机的研究进展12-15
• 1.2.2 发动机湍流燃烧过程大涡模拟的研究进展15-28
• 1.2.3 爆震的研究进展28-34
• 1.3 主要研究内容及论文结构34-36
• 第二章 数值计算模型36-56
• 2.1 化学反应流控制方程组36-38
• 2.1.1 质量方程36
• 2.1.2 动量方程36-37
• 2.1.3 能量方程37
• 2.1.4 组分方程37-38
• 2.2 湍流模型38-42
• 2.2.1 k -e 湍流模型39
• 2.2.2 G- RNG k-e 湍流模型39-41
• 2.2.3 动能输运单方程亚网格模型41-42
• 2.3 喷雾模型42-43
• 2.3.1 KH-RT破碎模型42
• 2.3.2 液滴碰撞和聚合模型42-43
• 2.3.3 液滴蒸发模型43
• 2.3.4 碰壁模型43
• 2.4 点火火核模型43-45
• 2.5 G方程燃烧模型耦合化学反应动力学45-53
• 2.5.1 湍流火焰传播的G方程描述45-46
• 2.5.2 层流火焰速度修正46-48
• 2.5.3 湍流火焰速度修正48-49
• 2.5.4 燃烧放热和组分变化49-51
• 2.5.5 排放物的生成51-52
• 2.5.6 基于化学反应机理的爆震描述52-53
• 2.6 PRF化学反应机理53-55
• 2.7 本章小结55-56
• 第三章 汽油机冷态流动的数值模拟56-71
• 3.1 基本思路56-57
• 3.2 试验台架和发动机参数简介57-59
• 3.3 三维数值模型的建立59-61
• 3.3.1 三维数值计算网格的建立59-61
• 3.3.2 边界和初始条件61
• 3.4 模拟结果与试验结果的对比分析61-69
• 3.4.1 缸内流场的流动特征分析61-63
• 3.4.2 缸内流场可解速度分析63-66
• 3.4.3 缸内流场维度分析66-68
• 3.4.4 缸内流场全局流动参数分析68-69
• 3.5 本章小结69-71
• 第四章 直喷增压汽油机进气和喷雾混合过程的数值模拟71-89
• 4.1 基本思路71-72
• 4.2 发动机参数和燃烧系统简介72-74
• 4.3 三维数值模型的建立74-76
• 4.3.1 三维数值计算网格的建立74-76
• 4.3.2 边界和初始条件76
• 4.4 LES方法在KIVA代码下的引入76-83
• 4.4.1 k方程亚网格模型代码修改76-77
• 4.4.2 喷雾源项封闭方式修改77-79
• 4.4.3 数值模型验证79-83
• 4.5 LES方法和RANS方法模拟结果的对比分析83-88
• 4.5.1 缸内进气过程湍流流场的对比分析83-85
• 4.5.2 缸内喷雾混合过程的对比分析85-86
• 4.5.3 缸内湍流流动参数的对比分析86-88
• 4.6 本章小结88-89
• 第五章 直喷增压汽油机爆震燃烧机理的模拟分析89-113
• 5.1 基本思路89-90
• 5.2 直喷汽油机的湍流火焰结构90-92
• 5.3 基于LES方法的模型修正92-102
• 5.3.1 基于LES方法的DPIK点火模型93
• 5.3.2 基于LES方法的G方程燃烧模型93-97
• 5.3.3 数值模型验证97-102
• 5.4 湍流火焰传播过程的分析102-103
• 5.5 末端混合气自燃现象的分析103-105
• 5.6 发动机爆震过程的模拟分析105-112
• 5.6.1 爆震强度评价指标106-108
• 5.6.2 不同点火时刻的爆震强度解析108-110
• 5.6.3 不同混合气浓度的爆震强度解析110-112
• 5.7 本章小结112-113
• 第六章 总结与展望113-117
• 6.1 主要工作和研究结论113-115
• 6.2 主要创新点115
• 6.3 对后续研究的展望与建议115-117
• 参考文献117-127
• 致谢127-128
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果128-129

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本文编号：1084873