二冲程重油发动机燃烧系统的仿真分析与试验研究

发布时间：2017-04-02 10:16

  本文关键词：二冲程重油发动机燃烧系统的仿真分析与试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：小功率航空活塞式发动机一直在中小型无人机领域有着广泛的应用。近年来，随着重油燃料在安全性以及战场后勤供应方面的优势被广泛认同，重油燃料在航空活塞式发动机上的应用受到了越来越多的关注与重视。基于我国航空动力装置的发展现状与需求，活塞式重油发动机的研制与研究是十分有必要的。 本文以某二冲程重油发动机为研究平台，对航空重油应用于二冲程压燃式航空发动机的若干关键技术问题进行了仿真与试验研究。在研究过程中，根据发动机预研发过程中的实际条件与需求，采取数值模拟技术与台架试验相结合的手段，使用AVLFIRE软件建立了发动机的仿真模型，并通过试验对仿真模型进行标定，从而获得精确的数值计算模型。在此基础上研究了发动机的工作过程，并针对燃烧系统关键参数对发动机混合气形成和燃烧过程影响的规律进行了深入研究，研究结果可以为二冲程重油发动机预开发提供有效的理论支持与设计优化依据。 研究得出的主要结论如下： 1.该二冲程重油发动机的扫气过程结束后，残余废气主要集中在气缸底部和扫气道一侧的缸壁附近。在扫气道形状和活塞形状的配合下，缸内流动以滚流运动为主，活塞运动到上止点附近时会形成挤流和逆挤流。 2.喷油提前角和喷油持续期会对喷雾动态特性产生影响。喷油提前角越大，，贯穿距最大值、喷油后期的索特平均直径以及缸内平均湍动能的峰值越大，同时射流对于缸内湍动能分布的影响也越显著。喷油持续期对喷雾动态特性的影响较为显著，喷油持续期越短，油束贯穿距达到最大值的时刻越早，燃油液滴的雾化速度更快，对缸内湍动能的提高也更显著。 3.撞壁燃油在壁面黏附、摊布后形成了壁面油膜，油膜的去向主要是蒸发和附壁气流的卷吸，随着燃烧过程的进行油膜会逐渐蒸发或通过卷吸作用与空气混合形成可燃混合气。燃油喷射参数对壁面油膜的形成、分布和发展有显著的影响。喷油提前角越大，燃油碰壁量越大，油膜质量和面积也越大。喷油持续期越短，燃油碰壁量越大，形成油膜的质量、面积也越大。 4.燃油喷射参数对混合气的形成质量和分布有一定影响。随着喷油提前角的减小，着火时刻的燃油蒸发率和燃空当量比最大值均呈先增大后减小的趋势，混合气分布区域变小。随着喷油持续期的缩短，着火时刻的燃油蒸发率先增大后减小，混合气分布变广。 5.通过喷油提前角大小的控制可以控制燃烧相位。喷油提前角越小，滞燃期越短，缸压峰值越小，峰值相位越靠后，燃烧重心也越靠后，但燃烧持续期呈先减小后增大的趋势。随着喷油提前角的减小，发动机指示功率和指示热效率均呈先增大后减小的趋势。在喷油提前角为26°CA时发动机指示功率最大、指示热效率最高，因此26°CA是该工况下最为合理的喷油提前角。 6.在燃油喷射量相同的前提下适当缩短喷油持续期，即提高燃油喷射压力，可以缩短滞燃期，使得放热过程更加集中，燃烧持续期缩短，从而明显提高缸压，因此发动机指示功率和指示热效率效率都更高。说明较高的燃油喷射压力有利于可燃混合气的形成，以实现更优的燃烧放热规律。 7.仿真研究的结果证明，该二冲程重油发动机燃烧系统设计合理，可以达到较好的动力性、经济性和工作效率，满足了无人机对其动力装置高推重比、长航时的要求。
【关键词】：航空活塞发动机 二冲程 重油 混合气形成 燃烧
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V234
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 课题研究背景12-13
• 1.2 航空重油发动机的技术特点13
• 1.3 国内外研究现状13-18
• 1.3.1 国内外航空重油活塞式发动机的研究与应用情况13-16
• 1.3.2 国内外航空活塞式重油发动机数值模拟研究现状16-18
• 1.4 AVL-FIRE 软件介绍18
• 1.5 论文主要研究内容18-20
• 1.5.1 研究意义18-19
• 1.5.2 主要研究内容19-20
• 第2章 发动机燃烧系统仿真模型20-34
• 2.1 基本守恒方程20-22
• 2.2 湍流模型22-23
• 2.3 燃油喷雾模型23-29
• 2.3.1 湍流扩散模型24
• 2.3.2 蒸发模型24-26
• 2.3.3 破碎模型26-27
• 2.3.4 碰壁模型27-29
• 2.4 燃烧模型29-31
• 2.5 壁面油膜模型31-32
• 2.6 本章小结32-34
• 第3章 仿真平台的建立与模型标定试验34-44
• 3.1 发动机仿真模型的建立34-38
• 3.1.1 发动机几何模型的建立34-35
• 3.1.2 计算网格模型的建立35-37
• 3.1.3 仿真边界条件和初始条件的设定37-38
• 3.2 仿真模型的标定试验38-42
• 3.2.1 喷雾过程可视化试验与喷雾模型校核38-41
• 3.2.2 二冲程重油发动机台架试验41-42
• 3.3 本章小结42-44
• 第4章 二冲程重油发动机工作过程仿真44-62
• 4.1 缸内流动分析44-54
• 4.1.1 发动机扫气性能分析45-49
• 4.1.2 缸内流场分析49-54
• 4.2 燃油喷射过程分析54-58
• 4.3 燃烧过程分析58-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第5章 燃油喷射参数对重油混合气形成与燃烧特性的影响62-100
• 5.1 燃油喷射参数对重油混合气形成的影响62-81
• 5.1.1 燃油喷射参数对喷雾动态特性的影响62-69
• 5.1.1.1 喷油提前角对喷雾特性的影响63-66
• 5.1.1.2 喷油持续期对喷雾特性的影响66-69
• 5.1.2 燃油喷射参数对喷雾碰壁特性的影响69-76
• 5.1.2.1 喷油提前角对喷雾碰壁特性的影响69-73
• 5.1.2.2 喷油持续期对喷雾碰壁特性的影响73-76
• 5.1.3 燃油喷射参数对混合气形成质量的影响76-81
• 5.1.3.1 喷油提前角对混合气形成质量的影响76-79
• 5.1.3.2 喷油持续期对混合气形成质量的影响79-81
• 5.2 燃油喷射参数对重油发动机燃烧特性的影响81-97
• 5.2.1 喷油提前角对燃烧过程的影响81-89
• 5.2.2 喷油持续期对燃烧过程的影响89-97
• 5.3 本章小结97-100
• 第6章 全文总结及工作展望100-104
• 6.1 全文总结100-101
• 6.2 工作展望101-104
• 参考文献104-108
• 致谢108

【参考文献】

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1 陈林林;二冲程煤油发动机性能数值模拟与喷油控制研究[D];南京航空航天大学;2009年

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本文编号：282316