基于简化机理的柴油低温燃烧及冷热焰转换过程研究
发布时间：2021-12-31 21:36
柴油机因其扭矩大等特点被广泛运用在工程和特殊车辆中,在极寒条件下,柴油机会出现着火困难、缸内燃烧过程劣化,热效率降低等现象,不利于柴油机的正常工作。研究柴油的低温燃烧过程、揭示冷热焰转换的过程和微观机理,对于优化柴油机的低温燃烧过程,改善其低温下的工作特性,实现柴油机低温燃烧控制具有重要意义。本文采用三维计算网格耦合简化化学反应机理的CFD仿真方法研究柴油低温燃烧过程和冷热焰转化规律。以一款用于基础研究的低温定容燃烧系统为基础,建立定容弹实体模型,在CONVERGE软件平台中设置边界、初始条件和网格生成策略,得到三维计算网格,选取正庚烷作为标志燃料,采用被广泛应用和验证的包含64个基元和301步基元反应的San Diego正庚烷简化机理,得到CFD仿真模型,并基于实验数据对其进行了验证和标定,作为后续研究的基础。基于验证后的CFD模型,研究了不同初始温度、初始压力和喷油温度下柴油低温燃烧过程以及冷热焰转换规律。结果表明:初始温度较低时,柴油燃烧过程仅生成冷焰,当初始温度较高（>753K）时,在冷焰生成后又出现了明显的温度压力跃升,冷焰转化为热焰,随着初始温度升高,冷焰和热焰生成的...
【文章来源】：华北水利水电大学河南省
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
input、date和output文件关系图
3不同初始温度下的柴油低温燃烧过程研究112.1.2CONVERGE仿真过程简介CONVERGE软件包含两个部分，分别为CONVERGEStudio（用户界面）和CONVERGE求解器。前者可以让使用者执行几乎所有的前处理工作，包括检测修复三维几何模型表面及输出仿真计算过程所需要的边界条件、初始条件、网格控制等设置文件。后者用于仿真模拟计算机输出结果。由于CONVERGE软件不带有数据的后处理功能，因此需要采用软件自带的post_convert工具将输出结果中的post文件转化为专门的后处理软件（本文采用Ensight图像处理软件）可以识别的格式，进而在后处理软件中进行处理，输出图像。图2-2CONVERGE软件求解流程图Figure2-2ThesolutionflowchartofCONVERGECONVERGE软件仿真的求解过程：1）前处理阶段：使用CATIA软件将三维实体模型导入CONVERGE中进行表面诊断及检测，选择合适的喷雾模型、湍流模型、燃烧模型等，并对边界条件进行设置，设定工作区域的初始仿真参数。2）求解计算阶段：软件首先对面网格文件surface.dat进行读取，并依次读取机理文件mech.dat，热力学文件therm.dat以及包含初始条件的in格式文件，并设定时间步长和求解器相关参数。3）后处理阶段：CONVERGE中在计算过程中输出out和post格式的后处理文件，其包含角域和时域的计算结果，out文件包含区域内温度、压力等平均值，post文件则
华北水利水电大学硕士学位论文14图2-3KH-RT破碎模型Figure2-3KH-RTbreak-upmodel如果仅用KH模型来模拟柴油定容喷雾则无法描述其二次破碎的过程，而RT模型恰好基于Rayleigh-Taylor不稳定波计算二次破碎过程。同时激活KH和RT破碎模型，该模型假设只有KH不稳定波在特征破碎距离内破碎，CONVERGE首先检查RT机制是否可以分解液滴。若不是则KH模型继续控制破碎过程，采用KH模型和RT控制的二次破碎模型相结合的破碎模型可以预测较为精确的喷雾贯穿距。2）蒸发模型柴油喷入定容弹内油滴的蒸发情况也是需要考虑的重要因素，因为在温度较高的定容弹内部，不可避免地会发生油滴的蒸发，蒸发即油滴在受到周围工质、压力、浓度等因素的影响，发生了属性的改变，由液相变为气相，油滴的蒸发作用是非常复杂的传热传质过程。在CONVERGE中，蒸发模型是单组分单液滴蒸发实验所得出的半经验公式。Frossling模型[59]计算油滴的Nu和Sh数的表达式较为接近实际情况，所以本文选用该模型来表征蒸发作用对油滴扩散的影响。2.2.4燃烧模型在CONVERGE软件中，由于需要模拟多种条件下的燃烧状况，所以包含常用的燃烧模型，例如CTC-Shell模型、G方程模型以及SAGE燃烧模型，SAGE燃烧模型是一个可将三维计算网格耦合化学反应机理的计算模型，SAGE通用燃烧模型[60-61]可以计算每个基元反应的化学反应速率，其化学反应动力学求解器负责求解输运方程，并且可以通过改变化学反应机理来模拟不同的燃料种类。SAGE燃烧模型由于利用化学反应机理进行求解，因此计算所耗费的时间较长，所以本文在选用SAGE燃烧模型的基础上结合Multi-Zone加速算法，该加速算法不解出所给出的温度T，除非燃烧前一时间步的区域温度变化超过限值，运用Multi-Zone加速
【参考文献】：
期刊论文
[1]汽油压燃发动机中燃烧化学动力学特性的模拟[J]. 尚冉,张帆,王洋,夏明涛,钟生辉,刘海峰. 内燃机工程. 2019(02)
[2]可再生能源综合利用的研究现状与展望[J]. 吴利乐,郑源,王爱华,任岩. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2015(03)
[3]高寒环境下油脂润滑泵站的研制[J]. 姚林晓,上官林建,赵明章,刘栋,王春虎,吴迪. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2015(02)
[4]喷射参数对柴油掺混燃料低温燃烧影响的试验研究[J]. 郑尊清,岳朗,刘海峰,祝宇轩,钟小凡,王健. 燃烧科学与技术. 2015(02)
[5]基于低温PCCI的DMC-柴油的燃烧与排放特性研究[J]. 梅德清,任华,姜士阳,吴焓,BAAR Roland. 内燃机工程. 2016(05)
[6]后喷时刻和EGR率对柴油低温燃烧和排放的影响[J]. 赵伟,张全长,张春化. 长安大学学报(自然科学版). 2014(04)
[7]CFD耦合化学动力学模拟EGR对柴油机燃烧的影响[J]. 李军成,韩志玉,李佳峰,陈征. 湖南大学学报(自然科学版). 2013(05)
[8]均质压燃与低温燃烧的燃烧技术研究进展与展望[J]. 尧命发,刘海峰. 汽车工程学报. 2012(02)
[9]喷射时刻对柴油和汽油/柴油混合燃料低温燃烧的影响[J]. 韩东,吕兴才,黄震,DENNIS Assanis. 内燃机学报. 2011(03)
[10]柴油机燃烧路径及其对热效率和排放的影响[J]. 鹿盈盈,苏万华,于文斌,裴毅强. 内燃机学报. 2011(01)
博士论文
[1]定容弹内正戊醇/柴油/生物柴油混合燃料喷雾燃烧及联合反应机理研究[D]. 马寅杰.华中科技大学 2017
[2]定容弹内低温燃烧条件下乙醇柴油喷雾和燃烧特性实验研究[D]. 邓鹏.华中科技大学 2014
[3]燃料特性和燃烧模式对柴油机低温燃烧影响的研究[D]. 杨彬彬.天津大学 2014
[4]柴油均质压燃（HCCI）发动机燃烧过程数值模拟和实验研究[D]. 黄豪中.天津大学 2007
硕士论文
[1]基于详细反应机理的RCCI燃烧数值模拟及燃烧影响因素分析[D]. 姚登举.合肥工业大学 2017
本文编号：3561023
【文章来源】：华北水利水电大学河南省
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
input、date和output文件关系图
3不同初始温度下的柴油低温燃烧过程研究112.1.2CONVERGE仿真过程简介CONVERGE软件包含两个部分，分别为CONVERGEStudio（用户界面）和CONVERGE求解器。前者可以让使用者执行几乎所有的前处理工作，包括检测修复三维几何模型表面及输出仿真计算过程所需要的边界条件、初始条件、网格控制等设置文件。后者用于仿真模拟计算机输出结果。由于CONVERGE软件不带有数据的后处理功能，因此需要采用软件自带的post_convert工具将输出结果中的post文件转化为专门的后处理软件（本文采用Ensight图像处理软件）可以识别的格式，进而在后处理软件中进行处理，输出图像。图2-2CONVERGE软件求解流程图Figure2-2ThesolutionflowchartofCONVERGECONVERGE软件仿真的求解过程：1）前处理阶段：使用CATIA软件将三维实体模型导入CONVERGE中进行表面诊断及检测，选择合适的喷雾模型、湍流模型、燃烧模型等，并对边界条件进行设置，设定工作区域的初始仿真参数。2）求解计算阶段：软件首先对面网格文件surface.dat进行读取，并依次读取机理文件mech.dat，热力学文件therm.dat以及包含初始条件的in格式文件，并设定时间步长和求解器相关参数。3）后处理阶段：CONVERGE中在计算过程中输出out和post格式的后处理文件，其包含角域和时域的计算结果，out文件包含区域内温度、压力等平均值，post文件则
华北水利水电大学硕士学位论文14图2-3KH-RT破碎模型Figure2-3KH-RTbreak-upmodel如果仅用KH模型来模拟柴油定容喷雾则无法描述其二次破碎的过程，而RT模型恰好基于Rayleigh-Taylor不稳定波计算二次破碎过程。同时激活KH和RT破碎模型，该模型假设只有KH不稳定波在特征破碎距离内破碎，CONVERGE首先检查RT机制是否可以分解液滴。若不是则KH模型继续控制破碎过程，采用KH模型和RT控制的二次破碎模型相结合的破碎模型可以预测较为精确的喷雾贯穿距。2）蒸发模型柴油喷入定容弹内油滴的蒸发情况也是需要考虑的重要因素，因为在温度较高的定容弹内部，不可避免地会发生油滴的蒸发，蒸发即油滴在受到周围工质、压力、浓度等因素的影响，发生了属性的改变，由液相变为气相，油滴的蒸发作用是非常复杂的传热传质过程。在CONVERGE中，蒸发模型是单组分单液滴蒸发实验所得出的半经验公式。Frossling模型[59]计算油滴的Nu和Sh数的表达式较为接近实际情况，所以本文选用该模型来表征蒸发作用对油滴扩散的影响。2.2.4燃烧模型在CONVERGE软件中，由于需要模拟多种条件下的燃烧状况，所以包含常用的燃烧模型，例如CTC-Shell模型、G方程模型以及SAGE燃烧模型，SAGE燃烧模型是一个可将三维计算网格耦合化学反应机理的计算模型，SAGE通用燃烧模型[60-61]可以计算每个基元反应的化学反应速率，其化学反应动力学求解器负责求解输运方程，并且可以通过改变化学反应机理来模拟不同的燃料种类。SAGE燃烧模型由于利用化学反应机理进行求解，因此计算所耗费的时间较长，所以本文在选用SAGE燃烧模型的基础上结合Multi-Zone加速算法，该加速算法不解出所给出的温度T，除非燃烧前一时间步的区域温度变化超过限值，运用Multi-Zone加速
【参考文献】：
期刊论文
[1]汽油压燃发动机中燃烧化学动力学特性的模拟[J]. 尚冉,张帆,王洋,夏明涛,钟生辉,刘海峰. 内燃机工程. 2019(02)
[2]可再生能源综合利用的研究现状与展望[J]. 吴利乐,郑源,王爱华,任岩. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2015(03)
[3]高寒环境下油脂润滑泵站的研制[J]. 姚林晓,上官林建,赵明章,刘栋,王春虎,吴迪. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2015(02)
[4]喷射参数对柴油掺混燃料低温燃烧影响的试验研究[J]. 郑尊清,岳朗,刘海峰,祝宇轩,钟小凡,王健. 燃烧科学与技术. 2015(02)
[5]基于低温PCCI的DMC-柴油的燃烧与排放特性研究[J]. 梅德清,任华,姜士阳,吴焓,BAAR Roland. 内燃机工程. 2016(05)
[6]后喷时刻和EGR率对柴油低温燃烧和排放的影响[J]. 赵伟,张全长,张春化. 长安大学学报(自然科学版). 2014(04)
[7]CFD耦合化学动力学模拟EGR对柴油机燃烧的影响[J]. 李军成,韩志玉,李佳峰,陈征. 湖南大学学报(自然科学版). 2013(05)
[8]均质压燃与低温燃烧的燃烧技术研究进展与展望[J]. 尧命发,刘海峰. 汽车工程学报. 2012(02)
[9]喷射时刻对柴油和汽油/柴油混合燃料低温燃烧的影响[J]. 韩东,吕兴才,黄震,DENNIS Assanis. 内燃机学报. 2011(03)
[10]柴油机燃烧路径及其对热效率和排放的影响[J]. 鹿盈盈,苏万华,于文斌,裴毅强. 内燃机学报. 2011(01)
博士论文
[1]定容弹内正戊醇/柴油/生物柴油混合燃料喷雾燃烧及联合反应机理研究[D]. 马寅杰.华中科技大学 2017
[2]定容弹内低温燃烧条件下乙醇柴油喷雾和燃烧特性实验研究[D]. 邓鹏.华中科技大学 2014
[3]燃料特性和燃烧模式对柴油机低温燃烧影响的研究[D]. 杨彬彬.天津大学 2014
[4]柴油均质压燃（HCCI）发动机燃烧过程数值模拟和实验研究[D]. 黄豪中.天津大学 2007
硕士论文
[1]基于详细反应机理的RCCI燃烧数值模拟及燃烧影响因素分析[D]. 姚登举.合肥工业大学 2017
本文编号：3561023
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