船用柴油机燃烧与排放三维数值模拟研究

论文摘要

随着能源危机和环境问题日益严峻,人们对船舶柴油机的经济、排放性能要求越来越高。由于国际海事组织（IMO）制定的排放标准越来越严格,如何降低柴油机的氮氧化物（NOx）及微粒的排放量,是当前亟待解决的问题。柴油机的燃烧过程是决定燃烧与排放性能最根本的因素。随着计算科学和计算机技术的快速发展,燃烧过程的数值模拟成为了燃烧过程研究的重要手段。使用CFD软件进行数值模拟成本低,速度快,能提供一些试验无法获得的数据信息。本文以FIRE软件为研究工具,应用FIRE软件中的ESE模块建立了TBD234V12柴油机燃烧室的几何模型,对其进行了动网格划分,确定了计算初始参数,建立了该型柴油机燃烧数值模拟的仿真模型并采用试验值进行了验证计算分析了TBD234V12柴油机在作为船用发电辅机时不同负荷对柴油机燃烧排放的影响。结果表明,随着负荷的增加,燃烧滞燃期缩短,缸内温度、压力、放热率、Soot和NO排放均增加。计算分析了TBD234V12相继增压柴油机在作为船用推进主机切换点前后两个工况的燃烧排放性能,结果表明,TBD234V12相继增压柴油机在1TC工况时做功能力高于2TC工况；1TC工况燃烧温度和放热率均低于2TC工况；TBD234V12相继增压柴油机在1TC工况时NO、Soot和CO2排放性能均优于2TC工况。计算分析了不同负荷下进气压力变化对柴油机燃烧和排放性能的影响,随着进气压力的增加,滞燃期逐渐缩短；在低负荷下进气压力对滞燃期影响较大,在高负荷下进气压力对滞燃期影响较小；计算结果表明：在13%负荷下,随着进气压力的增加,NO、Soot浓度随之下降；在89%负荷下,随着进气压力的增加,NO生成浓度增加后下降,Soot浓度先下降后增加。计算分析了在不同进气压力下进气门提前关闭对柴油机燃烧排放性能的影响,进气门提前关闭对燃烧放热率的影响很小,对缸内温度影响较大；在高进气压力时,进气门提前关闭对降低NO生成更有利；进气门提前关闭有助于降低C02排放。计算分析了不同喷油规律和不同喷油提前角对柴油机燃烧和排放性能影响。结果表明,相比于方波喷油规律,原机喷油规律最高燃烧温度、最高燃烧压力和NO排放均较低,但Soot排放较高。随着喷油提前角的增大,滞燃期延长,缸内最高燃烧压力和最高温度也随之升高,燃烧初期的放热速率和压力升高比较高；适当的延后喷油时刻可以降低NO排放；在-10°CA ATDC喷油提前角下该型柴油机的燃烧排放性能比较理想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 柴油机排放控制方法
• 1.2.1 柴油机排放控制的机内净化技术
• 1.2.2 柴油机排放控制的机外净化技术
• 1.3 柴油机缸内燃烧的研究方法
• 1.3.1 缸内燃烧的实验研究
• 1.3.2 缸内燃烧的数值模拟研究
• 1.3.3 FIRE软件简介
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 柴油机三维燃烧模拟的数学模型
• 2.1 流体动力学基本控制方程
• 2.2 离散方法
• 2.3 柴油机缸内燃烧排放三维数值仿真数学模型的选取
• 2.3.1 湍流流动模型
• 2.3.2 喷雾模型
• 2.3.3 湍流燃烧模型
• 2.3.4 NO排放模型
• 2.3.5 碳烟排放模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 柴油机缸内燃烧仿真模型的建立及验证
• 3.1 仿真模型的建立
• 3.1.1 仿真对象
• 3.1.2 燃烧室几何模型的建立及网格划分
• 3.1.3 计算域及初始参数的确定
• 3.2 计算模型的验证
• 3.3 计算结果及分析
• 3.3.1 缸内平均热力参数的计算结果及分析
• 3.3.2 缸内物理场的计算及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 船用柴油机燃烧与排放的三维数值模拟
• 4.1 柴油机负荷特性下燃烧与排放分析
• 4.1.1 计算工况的选取
• 4.1.2 负荷变化对燃烧过程的影响
• 4.1.3 负荷变化对排放的影响
• 4.2 相继增压柴油机切换点燃烧与排放的研究
• 4.2.1 计算工况的选取
• 4.2.2 1TC/2TC燃烧过程计算结果及分析
• 4.2.3 1TC/2TC排放的计算结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 进气压力与进气门关闭提前角对燃烧与排放影响的计算分析
• 5.1 进气压力变化对燃烧排放性能的影响
• 5.1.1 计算工况点选取
• 5.1.2 进气压力对燃烧过程的影响
• 5.1.3 进气压力对排放的影响
• 5.2 进气门提前关闭角对燃烧与排放的影响
• 5.2.1 进气门提前关闭角对燃烧过程的影响
• 5.2.2 进气门提前关闭角对排放的影响
• 5.3 本章小结
• 第6章 燃油喷射参数对燃烧与排放性能的影响研究
• 6.1 燃油喷射规律对燃烧与排放性能的影响
• 6.1.1 燃油喷射规律的获取
• 6.1.2 燃油喷射规律对热力参数及排放的影响
• 6.1.3 燃油喷射规律对缸内物理场的影响
• 6.2 燃油喷射提前角对燃烧排放性能的影响
• 6.2.1 喷油提前角对燃烧过程的影响
• 6.2.2 喷油提前角对排放的影响
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢