超临界汽油燃料物性及其喷射特性数值模拟研究

发布时间：2017-11-09 15:10

  本文关键词：超临界汽油燃料物性及其喷射特性数值模拟研究

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【摘要】：为了探索内燃机高效清洁燃烧过程,一些新型的内燃机燃烧方式如均质压燃,分层压燃,低温燃烧等越来越受到人们的关注。这些新型燃烧方式的应用使得缸内的平均温度和平均压力大幅提高,接近甚至超过燃料的临界点。因此对内燃机超临界/跨临界燃烧的研究已经成为内燃机领域一个不可回避的课题。对当前直喷汽油机而言,将汽油燃料以超临界态的形式喷射到气缸燃烧有潜力突破压缩比带来的热效率极限,同时大幅降低微粒排放,实现清洁燃烧。超临界流体兼具气体低黏度、高扩散系数和液体高密度的特征,而且混合不经历液滴破碎蒸发过程。这些因素极大促进了燃油与空气的混合,减少了缸内混合气过浓区域,从而大幅降低微粒的排放。超临界流体物理属性的特殊性是造成超临界喷射不同于亚临界喷射的根本原因,因而对超临界汽油喷射燃烧的研究离不开可靠的物性参数。本文首先进行了汽油燃料在超临界和亚临界条件下的密度、动力黏度和定压比热测试,测试温度范围为300K到640K,压力为4、5和6MPa。测试结果显示各物性参数在近临界区波动非常剧烈,而在亚临界区和超临界区则变化相对平缓。而且压力越大,物性参数变化越平缓。然后根据所测试的物性参数在较大温度范围内评估了12种汽油替代混合物在预测汽油燃料的临界温度、临界压力、密度、动力黏度、定压比热和导热系数方面的能力。评估结果显示与汽油临界参数最接近的替代混合物是Sur(Surrogate)8;预测汽油密度、动力黏度、定压比热和导热系数准确性最高的替代混合物依次是Sur8、Sur10、Sur2和Sur10,综合平均绝对偏差最小的是Sur10和Sur2。汽油物理替代混合物的研究极大拓宽了研究的温度和压力范围,为超临界喷射燃烧的数值模拟研究奠定了基础。本文基于FLUENT软件建立了超临界喷射的二维数值计算模型。通过模拟超临界航空燃料Jet A喷射入超临界氮气的喷射过程并将模拟得出的喷射贯穿距和扩张角与实验值对比验证计算模型的可靠性。然后利用该数值模型,结合超临界汽油燃料物性参数计算方法,进行了超临界汽油喷射入超临界氮气工况的数值模拟研究。重点研究了燃油喷射条件(燃油温度和燃油雷诺数)和喷射环境(氮气温度和环境压力)对超临界汽油喷射特征的影响。结果显示燃油温度上升时,喷射贯穿距缩短,而扩张角则基本无变化。通过增大燃油进口流量和降低燃油温度两种方式实现的燃油雷诺数增大,都增大了喷射贯穿距,而对喷射扩张角基本无影响。随着环境氮气温度上升,喷射贯穿距减小,而张角增大;环境压力增大时,喷射贯穿距减小,喷射扩张角也减小。对比了超临界汽油喷射与变密度气体喷射的异同。对比结果显示利用变密度气体经验公式计算得到的轴线密度分布和超临界汽油喷射模拟结果非常吻合,可以利用该经验公式预测超临界汽油喷射轴线密度分布。经验公式计算的轴线质量分数分布与模拟结果仅仅在距离喷口较近时吻合,经验公式计算出的扩张角与模拟结果相差很大。因此不能应用变密度气体经验公式预测超临界汽油喷射的轴线质量分数分布和扩张角。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK411.2

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本文编号：1162389