涡轮复合柴油机工作过程仿真及动力涡轮流场分析

发布时间：2017-09-08 18:39

  本文关键词：涡轮复合柴油机工作过程仿真及动力涡轮流场分析

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【摘要】：随着车辆节能问题和排放法规的不断严格，废气涡轮增压技术成为了发动机节能减排的重要手段。然而，传统的废气涡轮增压发动机中普遍存在低速工况时扭矩不足，部分负荷时经济性差，以及起动、加速性能差，尾气排放温度高。 新型的涡轮复合发动机，将旁通补燃系统与动力涡轮相结合，不但可改善发动机低速时扭矩特性及加速性，而且还能满足不同工况的高低功率要求。这种涡轮复合发动机的动力涡轮能充分地利用排气能量，回收的废气能量作为有效功率输出，从而提高发动机的总功率和总效率。 本文将通过数值模拟的方法研究涡轮复合柴油机的性能，主要探讨高功率模式涡轮复合柴油机的串联和并联两种联合循环方案，这两种方案在不改变柴油机的结构参数，满足柴油机原有功率密度需求的前提下，研究流量分配规律和功率分配规律，使动力涡轮输出功率达到最大，为台架实验提供理论指导。 本文采用一维仿真软件GT-POWER做整体性能分析和参数匹配计算，关键部件的详细仿真采用三维CFD计算软件，一维仿真得到的进出口参数，作为三维仿真模型的边界条件。首先，利用GT-POWER软件建立增压柴油机原机仿真模型，包括气缸模型、喷油器模型、曲轴箱模型、中冷器模型、进排气管模型和增压器模型。将模拟计算结果与原机试验数据进行对比，校核和验证模型的正确性。在原机的基础上添加旁通补燃系统和动力涡轮，分别建立复合涡轮联合循环柴油机的串联方案模型和并联方案模型，对这两种方案在标定工况（转速2100r/min）进行仿真运算，得到相应的压比、膨胀比、流量、动力涡轮功率、涡轮功率、总输出功率等参数之间的变化规律，并比较两种方案之间的优缺点。在对结果优化分析的基础上，，提出最佳方案。 结果表明，串联和并联方案都存在最佳动力涡轮输出功率，串联方案从整体上比并联方案有优势，大大提高了总输出功率。但是，本文是在理想的较小排气背压下进行的，实际中串联方案有可能增加排气背压，影响燃烧。串联中动力涡轮进口温度达到1085.34K，增压器涡轮进口温度达到1228.45K，对涡轮材料高温性要求高，需要考虑实际中涡轮的温度极限。 针对关键部件动力涡轮，利用CFX流体分析软件进行动力涡轮三维稳态流场的仿真模拟分析，进一步对一维模拟结果进行检验和修正。计算结果表明，动力涡轮叶片前缘和尾缘处能量损失较大，叶片造型局部设计不合理，需要进一步优化，才能提高动力涡轮的热效率，进而提高动力涡轮的输出功率。
【关键词】：柴油机 涡轮复合 补燃室 动力涡轮
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK421
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 选题依据及研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-18
• 1.2.1 旁通补燃增压系统研究现状12-14
• 1.2.2 动力涡轮复合增压系统研究现状14-16
• 1.2.3 涡轮复合联合循环发动机研究现状16-17
• 1.2.4 柴油机数值模拟仿真研究现状17-18
• 1.3 论文研究目的及内容18-21
• 1.3.1 研究目的18-19
• 1.3.2 研究内容19-21
• 2 工作过程原理和物理数学模型21-38
• 2.1 涡轮复合柴油机工作过程原理21-22
• 2.2 涡轮复合柴油机的物理模型22
• 2.3 气缸模型22-28
• 2.3.1 气缸内热力过程的基本假设22-23
• 2.3.2 气缸内热力过程的基本方程23-25
• 2.3.3 燃烧放热率的计算公式25-26
• 2.3.4 气缸周壁传热的计算26-27
• 2.3.5 进排气门流量的计算27-28
• 2.3.6 气缸瞬时工作容积的计算28
• 2.4 进排气系统模型28-32
• 2.4.1 管路的基本方程组28-30
• 2.4.2 管道压降和管壁摩擦损失方程30-31
• 2.4.3 管道壁面传热方程31-32
• 2.5 中冷器模型32
• 2.6 涡轮增压器模型32-35
• 2.6.1 压气机特性参数计算33-34
• 2.6.2 涡轮特性参数计算34-35
• 2.7 内燃机性能参数计算35-36
• 2.8 本章小结36-38
• 3 联合循环方案和模型的建立38-55
• 3.1 联合循环方案38-39
• 3.2 柴油机主要技术参数39
• 3.3 原机模型的建立39-48
• 3.3.1 气缸模块设置40-42
• 3.3.2 曲轴箱模块设置42-43
• 3.3.3 喷油器模块设置43
• 3.3.4 进排气门模块设置43-44
• 3.3.5 中冷器模块设置44
• 3.3.6 增压器模块设置44-46
• 3.3.7 进排气系统模块设置46-48
• 3.4 模型校核48-49
• 3.5 联合循环串联方案模型49-53
• 3.6 联合循环并联方案模型53-54
• 3.7 本章小结54-55
• 4 动力涡轮复合柴油机串并联两方案仿真结果分析55-72
• 4.1 联合循环串联方案仿真结果分析55-61
• 4.1.1 功率比影响规律55-56
• 4.1.2 压气机效率影响规律56-58
• 4.1.3 动力涡轮效率影响规律58-59
• 4.1.4 涡轮效率影响规律59
• 4.1.5 补燃室喷油量影响规律59-61
• 4.2 联合循环并联方案分析61-70
• 4.2.1 流量比影响规律61-63
• 4.2.2 压气机效率影响规律63-65
• 4.2.3 动力涡轮效率影响规律65-66
• 4.2.4 涡轮效率影响规律66-68
• 4.2.5 补燃室喷油量影响规律68-70
• 4.3 本章小结70-72
• 5 关键部件动力涡轮流场分析72-79
• 5.1 几何建模72-73
• 5.2 网格划分73
• 5.3 边界条件设置73-74
• 5.4 计算模型74
• 5.5 计算结果分析74-78
• 5.5.1 子午面流场分析74-76
• 5.5.2 叶高截面流场分析76-77
• 5.5.3 气动载荷和熵分布分析77-78
• 5.6 本章小结78-79
• 6 结论与展望79-81
• 6.1 总结79-80
• 6.2 展望80-81
• 参考文献81-84
• 攻读硕士期间发表的学术论文及科研成果84-85
• 致谢85

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：815671