多次喷射对进气道喷射式氢发动机影响的数值模拟研究

发布时间：2017-09-20 21:00

  本文关键词：多次喷射对进气道喷射式氢发动机影响的数值模拟研究

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【摘要】：全球能源危机与环境问题一直缠绕着人类,其中,环境问题在国内尤甚,而其主要原因之一是以化石燃料为能源的传统车用发动机的燃烧排放。因此,寻求适用于传统车用发动机的清洁代用燃料成为研究热点。在所有代用燃料中,氢气因能够同时解决能源及环境问题而备受关注。在氢气的燃烧利用上,虽然外部混合式氢发动机具有结构简单且易于实现等优点,但也存在易发生回火早燃、功率密度低等问题。针对外部混合式氢发动机功率密度低的问题,学术界多数的观点是:氢气的密度低、扩散性强,会占据缸内空间,降低发动机的充量系数,最终导致功率下降。本文则从氢气射流对进气道内流动状态影响的角度出发,借助数值模拟的方法以AVL Fire为工具研究了进气道喷射式氢发动机功率密度低的问题。研究发现:中低转速下,若是采用单次喷射,发动机存在着“进气中期新鲜空气倒流与进气末期进气道内氢气残留量增大”的矛盾。针对上述矛盾,本文提出采用多次喷射的策略进行解决。对该方法进行相关研究后发现:低转速下,由于进气中期新鲜空气回流较为严重,四次喷射并未能有效解决回流问题,甚至引起缸内最终进入的氢气量减少;但随着转速的升高,多次喷射的策略一定程度上缓解甚至解决了进气中期新鲜空气回流问题,增加了进入到气缸内的空气量和氢气量,使缸内的最高燃烧温度、最高燃烧压力均得到提高,进而提高了发动机的动力性能,但同时也导致NO排放增多。另外,采用多次喷射还可以提高缸内混合气的均匀性,缩短快速燃烧期,提高发动机的指示热效率。
【关键词】：氢发动机 数值模拟 倒流 进气道喷射 多次喷射
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464.178
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 课题来源8
• 1.2 研究背景8-11
• 1.2.1 传统汽车带来的能源及环境问题8
• 1.2.2 发展内燃机的代用燃料8-9
• 1.2.3 氢气燃料的特点9-11
• 1.3 氢发动机国内外研究现状11-12
• 1.4 课题意义12-13
• 1.5 发动机数值模拟的发展13-15
• 1.5.1 数理模型13-14
• 1.5.2 网格生成技术14-15
• 1.6 模拟软件15-16
• 1.7 本课题的主要研究内容16-17
• 1.7.1 研究对象16-17
• 1.7.2 研究内容17
• 1.8 本章小结17-18
• 2 三维数值模拟理论基础18-22
• 2.1 流动基本控制方程组18-19
• 2.2 湍流模型19-20
• 2.3 燃烧模型20
• 2.4 NO_x排放模型20-21
• 2.5 本章小结21-22
• 3 数值计算方法22-28
• 3.1 概述22
• 3.2 CFD求解过程22-27
• 3.2.1 总体计算流程23
• 3.2.2 方程离散化23-25
• 3.2.3 有限体积法25-26
• 3.2.4 常用的离散格式26-27
• 3.3 本章小结27-28
• 4 数值模拟过程28-36
• 4.1 几何模型的建立28-31
• 4.2 边界条件和初始条件的定义31-33
• 4.3 计算步长的选取33-34
• 4.4 流动及燃烧模型的选取34
• 4.5 本章小结34-36
• 5 模拟结果及分析36-64
• 5.1 主要技术路线36-37
• 5.2 喷氢流量对进气道内流动状态的影响37-41
• 5.2.1 不同喷氢流量对进气道内质流量的影响38-40
• 5.2.2 不同喷氢流量对进气道内速度场的影响40-41
• 5.2.3 不同喷氢流量对进气道内浓度场的影响41
• 5.3 喷氢流量在进气末期对进气道内氢气残留的影响41-45
• 5.4 多次喷射对发动机性能的影响45-59
• 5.4.1 多次喷射对进气道内质流量的影响48
• 5.4.2 多次喷射对进气道内速度场的影响48-52
• 5.4.3 多次喷射对进气道内浓度场的影响52-53
• 5.4.4 多次喷射对缸内充量的影响53-54
• 5.4.5 多次喷射对缸内状态参数的影响54-57
• 5.4.6 多次喷射对发动机动力性的影响57-58
• 5.4.7 多次喷射对发动机排放性的影响58-59
• 5.5 多次喷射对发动机回火的影响59-62
• 5.6 本章小结62-64
• 6 结论与展望64-66
• 6.1 全文总结64-65
• 6.2 工作展望65-66
• 攻读学位期间参加的科研项目及发表的学术论文66-68
• 致谢68-70
• 参考文献70-73

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本文编号：890344