柴油机燃用乳化重油的模拟分析

论文摘要

能源危机和排放污染问题正日益受到世界各国的重视,如何节约燃油成本,同时降低发动机排放物对环境的危害已成为国内外内燃机研究的焦点。乳化重油由于高经济性、低排放的优点,在内燃机代用燃料中具有一定的优越性。通常,在乳化燃料研究中,燃烧试验要占用绝大部分研究资源和时间。而有效的计算机模拟分析能够指导试验,减少试验次数,节约成本。所以正确、有效的模拟分析具有十分重要的意义。本文系统的介绍了内燃机燃烧过程的数值模拟方法,对缸内气体的气相湍流流动模型、燃油喷雾模型、湍流燃烧模型和燃烧化学动力学模型进行了具体的理论分析。在KIVA燃料库中加入了完整的重油物性参数,通过程序的编写,计算得到不同掺水比例时乳化重油的物性参数。根据乳化重油的特点,修改了其破碎子模型。针对高速单缸135型柴油机,应用修改后的KIVA程序对喷雾过程和燃烧过程进行了数值模拟,通过对温度场、气缸压力、NOx排放曲线分析,研究了加水比率、喷油提前角,喷孔数以及负荷率对直喷式柴油机燃用乳化重油时燃烧过程和排放的影响。通过模拟与试验比较,验证了对KIVA程序中破碎模型所做修正的有效性和准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 乳化重油综述
• 1.1.1 重质燃料油及其在柴油机上的燃用
• 1.1.2 乳化燃料和加水乳化燃料的发展应用
• 1.2 内燃机缸内工作过程数值模拟的发展
• 1.2.1 零维模型
• 1.2.2 准维模型
• 1.2.3 多维模型
• 1.3 柴油机多维模拟的现状和发展
• 1.4 KIVA软件简介
• 1.4.1 KIVA发展历程
• 1.4.2 KIVA程序的结构
• 1.5 本文的主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 2 内燃机燃烧过程数学模型
• 2.1 基本控制方程和状态方程
• 2.1.1 组分m的连续（质量守恒）
• 2.1.2 流体混合物的动量守恒方程
• 2.1.3 流体混合物的能量守恒方程
• 2.1.4 流体混合物状态方程
• 2.2 湍流流动模型
• 2.2.1 湍流概述
• 2.2.2 湍流模型
• 2.3 燃油喷雾模型
• 2.3.1 破碎子模型（TAB模型）
• 2.3.2 蒸发子模型
• 2.4 湍流燃烧模型
• 2.5 燃烧化学动力学模型
• 2.5.1 化学动力学反应
• 2.5.2 化学平衡反应
• 2.5.3 化学反应源项
• 2.6 初始条件和边界条件
• 2.6.1 初始条件
• 2.6.2 边界条件
• 2.7 本章小结
• 3 直喷式柴油机燃烧模拟模型的建立及其验证
• 3.1 计算对象及计算模型
• 3.1.1 计算对象
• 3.1.2 网格划分
• 3.1.3 计算初始条件
• 3.2 加水乳化重油物性参数的确定
• 3.3 数学模型的修正
• 3.4 试验研究及模型验证
• 3.4.1 测试系统及试验设备
• 3.4.2 试验方案
• 3.4.3 试验结果与模型验证
• 3.5 本章小结
• 4 仿真模拟与结果分析
• 4.1 乳化重油掺水量的影响
• 4.1.1 乳化重油掺水量对缸内温度分布的影响
• 4.1.2 乳化重油掺水量对NOx排放的影响
• 4.1.3 乳化重油掺水量对缸内平均压力的影响
• 4.1.4 计算结果与试验结果相比较
• 4.2 喷油提前角的影响
• 4.2.1 喷油提前角对滞燃期的影响
• 4.2.2 喷油提前角对缸内温度的影响
• 4.2.3 喷油提前角对燃烧和排放的影响
• 4.2.4 试验值与模拟值的比较
• 4.3 喷孔数的影响
• 4.3.1 喷孔数对温度分布的影响
• 4.3.2 喷孔数对燃烧、排放特性的影响
• 4.4 负荷率的影响
• 4.4.1 负荷率的对燃烧和排放的影响
• 4.4.2 负荷率的缸内平均温度的影响
• 4.4.3 试验值与模拟值对比
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A subroutine break
• 附录B subroutine fuel
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢