燃油噴霧與多孔介質(zhì)的相互作用及其在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用的數(shù)值模擬研究.pdf

1、能源短缺與環(huán)境污染是當(dāng)今世界首要關(guān)注的兩大熱點(diǎn)問題，作為主要的能源消耗主體和環(huán)境污染來源的內(nèi)燃機(jī)受到廣大研究者的關(guān)注。在眾多關(guān)于發(fā)動機(jī)的技術(shù)革新中，目前仍為新生事物的多孔介質(zhì)發(fā)動機(jī)以其獨(dú)特的燃燒方式、低排放、低噪音等優(yōu)越性必將成為日后發(fā)動機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文以多孔介質(zhì)發(fā)動機(jī)的研究為背景，通過數(shù)值模擬研究了多孔介質(zhì)中均勻混合氣形成的機(jī)理，同時對兩種類型多孔介質(zhì)發(fā)動機(jī)的著火、燃燒及排放進(jìn)行了模擬計(jì)算，以期對多孔介質(zhì)發(fā)動機(jī)的工作特性有初步的

2、了解，為其將來走向?qū)嵱没峁├碚摶A(chǔ)。 首先研究了多孔介質(zhì)中均勻混合氣的形成，對噴霧油束與熱多孔介質(zhì)的相互作用進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬： (1)針對噴霧油束碰熱壁時的 Leidenfrost現(xiàn)象，發(fā)展了油束碰撞熱壁的數(shù)學(xué)模型。此模型中油滴破碎后的直徑分布由概率密度函數(shù)確定，破碎油滴的數(shù)目由油滴碰撞熱壁前后的質(zhì)量守恒求出，用四個油滴包表示油滴碰壁后破碎生成的油滴，選用Senda的油束碰壁傳熱模型。用結(jié)合此碰壁模型的改進(jìn) KIV

3、A-3V，針對Senda的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行模擬計(jì)算，與原 KIVA-3V 的計(jì)算結(jié)果相比，改進(jìn)的KIVA-3V 能更好地預(yù)測油束碰撞壁面后油滴和油蒸氣的分布。 (2) 本文中多孔介質(zhì)的三種簡化結(jié)構(gòu)模型各有優(yōu)勢、缺陷和不足，在這三種多孔介質(zhì)簡化結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了噴霧油束與熱多孔介質(zhì)的相互作用。單股油束碰撞到多孔介質(zhì)后，在多孔介質(zhì)中分裂為多股油束，這為油滴的快速蒸發(fā)及油蒸氣和空氣充分混合創(chuàng)造了條件。按照油滴的分布位置，可以分為在

4、多孔介質(zhì)上方的自由噴霧區(qū)、碰到多孔介質(zhì)后反彈起的油滴、多孔介質(zhì)內(nèi)油滴和穿越多孔介質(zhì)的油滴四部分。 研究了空間壓力及噴霧參數(shù)對噴霧油束與熱多孔介質(zhì)相互作用的影響，空間壓力的影響主要是通過改變油滴運(yùn)動阻力而實(shí)現(xiàn)，噴霧錐角、油滴直徑是影響噴霧油束與多孔介質(zhì)相互作用的重要參數(shù)。在多孔介質(zhì)第一種結(jié)構(gòu)簡化模型中，研究了壓力旋轉(zhuǎn)霧化油束與多孔介質(zhì)的相互作用。在第二種和第三種多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)簡化模型中，考慮了多孔介質(zhì)孔隙率的改變對噴霧油束與多孔介質(zhì)

5、相互作用的影響。 在KIVA-3V中實(shí)現(xiàn)了多孔介質(zhì)固相溫度的求解，考慮了多孔介質(zhì)對能量傳輸及組分?jǐn)U散的彌散作用，并把 KIVA-3V 與詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)軟件 Chemkin-3.0 相耦合。針對兩種不同形式的多孔介質(zhì)發(fā)動機(jī)，分別進(jìn)行了燃用氣體燃料和液體燃料時多孔介質(zhì)發(fā)動機(jī)運(yùn)行的數(shù)值模擬，并分析了其運(yùn)行的參數(shù)影響。 (3)針對多孔介質(zhì)與氣缸永久性接觸型的多孔介質(zhì)發(fā)動機(jī)，對其分別燃用氣體燃料(甲烷)和液體燃料(異辛烷)的著

6、火和排放特性進(jìn)行了多維數(shù)值模擬研究。采用了GRI-1.7 甲烷燃燒反應(yīng)機(jī)理模擬甲烷的燃燒過程，分析了此發(fā)動機(jī)燃用氣體燃料時的著火特性，討論了多孔介質(zhì)初始溫度、多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)、燃料噴射時刻和燃料初始溫度對此多孔介質(zhì)發(fā)動機(jī)著火的影響。采用 GRI-3.0 甲烷燃燒反應(yīng)機(jī)理模擬甲烷燃燒過程，對此多孔介質(zhì)發(fā)動機(jī)燃用氣體燃料的排放特性進(jìn)行了分析。 對此發(fā)動機(jī)燃用液體燃料運(yùn)行過程進(jìn)行了多維數(shù)值模擬。采用異辛烷的骨架機(jī)理模擬其氧化過程，采用多孔

7、介質(zhì)單元中心實(shí)心球的假設(shè)，結(jié)合第二章中發(fā)展的噴霧油束與熱壁的碰壁模型，考慮噴霧油束與多孔介質(zhì)之間的相互作用。此發(fā)動機(jī)燃用液體燃料時，燃料的蒸發(fā)速度是控制燃燒快慢的主要因素。多孔介質(zhì)的彌散作用可加促油蒸氣與空氣的混合，縮短著火條件形成的時間。燃油起噴時刻對此發(fā)動機(jī)運(yùn)行有顯著影響，過早或過晚噴射燃料都會引起平均壓力峰值的降低，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的動力水平，過晚噴入燃料還會引起燃燒后期NO生成量的增加。 (4)針對帶有閥門的多孔介質(zhì)與氣缸

8、周期性接觸型的多孔介質(zhì)發(fā)動機(jī)，模擬了其燃用氣體燃料(甲烷)和液體燃料(異辛烷)時的運(yùn)行過程。通過改變多孔介質(zhì)與氣缸連接處計(jì)算網(wǎng)格單元的屬性，實(shí)現(xiàn)閥門的閉合與開放。采用GRI-3.0 機(jī)理和異辛烷的骨架機(jī)理，分別模擬甲烷和異辛烷的氧化過程。采用多孔介質(zhì)單元中心實(shí)心球的假設(shè)，結(jié)合第二章中發(fā)展的噴霧油束碰撞熱壁模型，以模擬噴霧油束與多孔介質(zhì)之間的相互作用。討論了多孔介質(zhì)初始溫度、多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)、閥門開啟時刻對此發(fā)動機(jī)著火和排放的影響。