多种喷油策略对某柴油机Soot生成氧化过程影响数值模拟研究

发布时间：2017-07-18 18:24

  本文关键词：多种喷油策略对某柴油机Soot生成氧化过程影响数值模拟研究

  更多相关文章： 柴油机 soot Python 面向对象 喷油策略 化学反应动力学

【摘要】：柴油机在工作过程中生成的soot危害主要有两点：首先会在排气冲程中随废气排出并进一步形成PM排放到大气环境中造成空气污染,其次可能会附着在缸套上并最终混入机油当中,造成机油的品质变差。当前越来越严格的排放法规也使得更加细致的研究缸内soot生成和氧化过程变得必要。本文的主要工作是基于CONVERGE软件,对某柴油机在小负荷工况下在五种不同的喷油策略下的缸内soot生成和氧化过程展开研究。燃烧使用了包含多环芳香烃(PAH)机理在内的详尽化学反应动力学机理文件,机理规模为100组分,432化学反应。soot模型则采用基于矩的方法进行模拟, soot前驱物为PAH。五种策略分别为基准喷射(Inject_Base)、推迟喷射(Inject_AtLater)、四次喷射(Inject_4Times)、双次喷射第二次喷射时改变喷孔位置以及喷雾锥角(Inject_2Times)和双次喷射第一次早喷、第二次上止点附近喷射(Inject_2TimesAtEarly)。随后在一维结果、二维结果、三维结果以及soot相关变量关联分析四个方面展开分析,研究不同喷油策略对soot生成氧化过程的影响。本文的另一个主要内容则是基于面向对象思想完成整个soot模拟过程的构建。使用Python编程语言、PyQt以及Pandas数据分析库构建三个类:ExpObject、 SootObject以及ModelDieselSootFormationObjecto类由属性和方法组成,而在定义类时通过声明变量类型提供了必要的访问权限控制。通过类的构建来实施整个数值模拟计算这一过程,从而将soot模拟计算这一过程完全以程序化的语言表述,方便的将案例的数据进行整理和重构,从而更加有效的对案例进行管理。本文主要结论如下：1)与试验数据相比,当前选择物理模型能够比较准确的预测模拟机型缸内压力的发展,并且比较可靠的应用于喷油策略的定性研究中。2)零维结果分析表明不同喷油策略在性能和排放之间存在取舍。Inject_Base拥有最大的IMEP和最小的PM soot排放,Inject_4Times则拥有最小的压力升高率。Inject_AtLater则拥有最小的NOx排放。没有能够满足所有要求的喷油策略而是要更具具体的需要选择适当的喷油策略。3)温度当量比结果分析表明,A4和C2H2的分布比较类似,均分布在相对低温(小于2000K)高当量比(大于1.5)区域,但C2H2的最大值出现在最高当量比区域而-的最大值则出现在中间高当量比区域。OH分布在相对高温(大于2000K)低当量比(小于1)区域。4)三维结果分析表明五种喷油策略因为不同的喷油时刻以及对应时刻不同的缸内流动状态,而产生了不同的温度以及当量比分布,也因此产生了不同的A4、C2H2以及soot分布。在三维云图中,soot、C2H2与-的分布比较接近。高温区域包裹着中间的低温高当量比区域,该区域内将形成A4、C2H2以及soot,高温区域的外围则是OH层,该层和最高温区域相对应,往往是扩散火焰的位置。5) soot相关变量分析主要考察两组变量的相关系数,第一组为Hiroy_soot、 PM_soot、A4、C2H2与equiv ratio bin之间的相关系数。equiv ratio bin是指当量比处在1.0-1.1、1.1-1.2、1.2-1.3、1.3-1.4、1.4-1.5、1.5-1.6、1.6-1.7、1.7-1.8、1.8-1.9、1.9-2.0之间的单元的质量分数。第二组为Hiroy_soot、 PM_soot、A4、C2H2四个变量之间的相关系数。在第一组中四个变量的相关系数都是随着equiv ratio bin的增加而增大,只是Inject_2TimesAtEarly稍有不同,但最大的相关系数都出现在1.9-2.0当量比中。另外还可以看到A4、C2H2在equiv ratio bin为1.9-2.0时相关系数突然增加。而在第二组相关系数中,Hiroy_soot和PM soot以及A4和C2H2这两对变量比其余对变量的相关系数要更高。
【关键词】：柴油机 soot Python 面向对象 喷油策略 化学反应动力学
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK421
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-13
• 符号说明13-14
• 第1章 绪论14-22
• 1.1 研究意义及背景14
• 1.2 研究现状14-20
• 1.3 本文主要内容20-22
• 第2章 模型的选取以及模拟方案的确定22-44
• 2.1 数值模拟技术简介22-23
• 2.2 模拟机型简介23-24
• 2.3 物理模型选取以及求解参数设定24-41
• 2.3.1 喷嘴内部流动模型设定24-25
• 2.3.2 柴油液滴破碎与蒸发模型设定25-28
• 2.3.3 燃烧模型设定28
• 2.3.4 Soot生成及氧化模型设定28-38
• 2.3.5 壁面交互模型设定38-39
• 2.3.6 求解参数设定39-41
• 2.3.7 模型选取总结41
• 2.4 喷油策略设定41-42
• 2.5 本章小结42-44
• 第3章 面向对象思想分析过程的确立44-58
• 3.1 面向对象思想简介44
• 3.2 ExpObject类的建立44-46
• 3.3 SootObject类的建立46-50
• 3.4 ModelDieselSootFormationObject类的建立50-57
• 3.5 本章小结57-58
• 第4章 模拟结果分析58-92
• 4.1 模拟与试验的标定58-59
• 4.2 喷油策略分析比较59-91
• 4.2.1 一维结果分析61-68
• 4.2.2 二维结果分析68-76
• 4.2.3 三维结果分析76-88
• 4.2.4 soot相关变量关联分析88-91
• 4.3 本章小结91-92
• 第5章 总结与展望92-96
• 5.1 全文总结92-93
• 5.2 展望93-96
• 参考文献96-100
• 致谢100-101
• 学位论文评阅及答辩情况表101

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本文编号：559188