超高压柴油雾化及燃烧特性的三维数值模拟研究

发布时间：2020-11-06 07:38

　　 近年来,经济和技术的发展使得汽车行业得到迅猛的提升,但资源短缺和环境污染的问题也日益突出,节约资源和保护环境等主题也逐渐成为柴油机发展过程中最主要的要求。而提高喷油压力作为改善柴油雾化性能和燃烧性能的重要举措,也逐渐被应用到柴油机新技术当中。且根据国际主流零部件商的产品发展趋势来看,喷油压力超过300MPa的喷油系统即将出现。国内外学者们也逐渐将研究方向集中到超高压燃油雾化上来,迄今为止,国内外主流观点认为喷油压力超过300MPa,即为超高压状态。虽然已有部分学者开展了超高压燃油喷雾的雾化特性研究,但研究并未完全深入,且喷油压力基本都未超过400MPa。因此探究超高压柴油喷雾的雾化特性和空气卷吸特性具有非常重要的意义。首先,本文针对计算过程中所设计到的网格进行了独立性分析,对湍流模型和雾化模型的适应性进行了研究。具体的研究内容包括:(1)基于300MPa喷油压力下的柴油喷雾贯穿距离实验结果,对比分析了网格划分方法和最小网格尺寸对贯穿距离计算结果的影响,最终确定了最佳的网格划分方法和2mmx1.5mm的最小网格尺寸。(2)分别将三种湍流模型和雾化模型下的贯穿距离计算值与实验值进行比较,确定了最佳的RNGK-￡湍流模型和KH-RT雾化模型。(3)对KH-RT雾化模型中的两个模型常数进行校准,对比了贯穿距离和喷雾场中SMD的计算结果,最终确定最佳的模型参数Bi为9,CRT为1.5。然后,从宏观特性参数、微观特性参数、气相流场状态、物质组分分布和空气卷吸质量等方面出发,对不同环境和喷油压力条件下的柴油雾化过程进行研究。具体内容包括:(1)基于实验条件对300～700MPa喷油压力下柴油喷雾的雾化特性和空气卷吸特性进行预测。(2)探究了环境为常温和喷油压力为300MPa时背压(3.5～5.5MPa)对柴油喷雾的雾化特性和空气卷吸特性的影响。(3)在环境温度为常温,环境压力为4.5MPa时,对300～700MPa喷油压力下柴油喷雾的雾化特性和空气卷吸特性进行分析。(4)当环境压力为4.5MPa,喷油压力为300MPa时,研究了背温(800～1200K)对柴油喷雾的雾化特性和蒸发特性的影响。(5)在环境压力为4.5MPa,环境温度为1000k时,分析了喷油压力(300～700MPa)对柴油喷雾的雾化特性和蒸发特性的影响。发现所有环境条件下,喷油压力的提升都会使得喷雾贯穿距离、液滴总数逐渐增加,但增长幅度逐渐变缓。柴油液滴的SMD和平均直径都会随着喷油压力的提高而减小,减小幅度同样会逐渐减小。最后,通过对超高压柴油喷雾中气相流场温度和压力分布、火焰温度、升温速率、火焰长度、柴油和氧气消耗量、反应速率、反应放热量、C02、Soot和NO排放等方面进行分析,研究了喷油压力(300～700MPa)对柴油喷雾的燃烧特性的影响,发现流场参数、火焰特性相关参数和反应速率等都会随喷油压力提高而增加,但增长幅度逐渐变缓。图122幅,表3个,参考文献111篇。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK421.2
【部分图文】：

资源短缺和环境污染问题也越来越严重。据国家统计局和中国机动车环??境管理年报资料显示，截止到２０１７年，民用汽车拥有量已有２．０９亿辆，相比２０１３??年增长了?６５％。这也导致了每年的石油消耗量持续增涨（图１－１），对资源需求量??的不断增加，加剧了资源短缺的问题。此外，环境污染也日益突出，汽车主要污染??物排放为一氧化碳（ＣＯ）、碳氢化合物（ＨＣ）、氮氧化合物（ＮＯｘ）以及颗粒物（ＰＭ），??其中柴油车在氮氧化合物（ＮＯｘ）和颗粒物（ＰＭ）排放上占据了较大的比重（图??１－２）【８］，因此提高柴油机整体效率，改善燃烧显得愈加重要。??８０％?Ｖ九＋?：，４３Ｌ７＊??■?■??■■?－?ｕ?—??丨：?一?ｕ?■??２０１２?毕?２０１３年?２０１４年?２０１５年?２０１６?年?ＣＯ?ＨＣ?ＮＯｘ?ＰＭ??■柴油货午《Ｈ他汽十??图Ｍ石油消耗量?图１－２污染物排放量占比［８］??Ｆｉｇ．?１－１?Ｏｉｌ?ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ?Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｈｅ?ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ?ｏｆ?ｐｏｌｌｕｔａｎｔ?ｄｉｓｃｈａｒｇｅ??近年来，环境保护意识逐渐提高，社会发展也对柴油机的污染物排放提出了更??多的要求，因此节能减排就成为学者们的主要研宄目标。在对发动机燃烧过程的研??究中发现，压力作为能够改善柴油的雾化和与扩散效果一个重要因素，通过促进油??气混合来改善柴油机的燃烧和排放性能【９－１４］。近阶段的实验证明更高喷油压力能够??使燃油的雾化更加充分

喷雾场按距离喷嘴距离由远及近可以依次划分成四个区域：极稀薄区、稀??薄区、稠密区和翻腾流区。喷雾场的区域划分主要是根据不同区域内液滴分布密集??程度来进行划分的，其结构如图１－４所示。??（１）

程开展了大量的实验研宄之后，逐渐形成了较为完善的燃油雾化机理，其中喷雾的??宏观和微观特性参数能够定量的反应喷雾的雾化特性。雾化宏观特性参数包括：贯??穿距离、贯穿速度和喷雾锥角等，如图１－５所示。微观特性参数包括：喷雾中液滴??的速度和平均直径（索特平均直径）等。??管??＊???‘．Ｉ?＇???ｔ??图１－５喷雾的特性参数??Ｆｉｇ．?１－５?Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ?ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ?ｏｆ?ｓｐｒａｙ??ａ）贯穿距离??通常贯穿距离的定义是喷雾尖端距离喷孔的直线距离。对于柴油机和直喷式汽??油机的设计来说，喷雾贯穿距离是一个很关键的因素。因此学者们通过大量的研究??建立了一些重要的经验公式。早在Ｉ９６０年Ｗａｋｕｒｉ和Ｍａｓａｒｕ［３３］就考虑喷孔和空气??的影响建立了贯穿距离的计算公式。Ｎａｂｅｒ和Ｓｉｅｂｅｒｓ［３４］通过实验对蒸发性和非蒸??发性的燃油喷雾进行研究，建立了贯穿时间和贯穿长度的公式。上海交通大学的李??铁［３５］通过实验发现柴油喷雾的贯穿过程可以分为三个阶段，建立了新型的零维喷??雾贯穿模型。Ｈｉｒｏｙａｓｕ和＾＆炉６］通过实验研究建立了比较准确、满意的贯穿距离??５??
【参考文献】

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本文编号：2872852