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噴霧碰壁模型及柴油機冷起動的數(shù)值研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、內(nèi)燃機缸內(nèi)過程的多維數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為當前汽車發(fā)動機產(chǎn)品先進設(shè)計與開發(fā)的重要手段。與一維模擬相比,多維模擬包含流場的空間信息,通過這些結(jié)果可以洞察燃油的噴射、混合氣的制備、燃燒的過程以及排放物生成的更多細節(jié),其對于先進發(fā)動機技術(shù)開發(fā)的重要性不言而喻。可靠的多維模擬需要準確地模擬發(fā)動機工作的各個物理化學(xué)過程,比如燃油的噴射、霧化和蒸發(fā),因此需要建立不同的數(shù)值模型來完成這些任務(wù),燃油的噴霧碰壁模型就是其中之一。近年來,隨著石油資源的日益枯

2、竭以及全世界對環(huán)保問題的更加關(guān)注,內(nèi)燃機的節(jié)能與環(huán)保成為技術(shù)發(fā)展的新要求,缸內(nèi)直噴技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
  無論是柴油機還是直噴汽油機,冷起動工況都是有害排放最嚴重的工況之一。冷起動時由于缸內(nèi)熱環(huán)境差,燃油霧化蒸發(fā)都不好,為了順利起動需要增加噴油,因此會有大量噴霧油滴碰壁形成壁面油膜,這是其排放惡劣的主要原因之一。為了準確地模擬內(nèi)燃機中的噴霧碰壁現(xiàn)象并探討它對直噴發(fā)動機冷起動工況下排放的影響,需要開發(fā)更加精確的噴霧碰壁模型

3、,這就就構(gòu)成了本文研究的核心內(nèi)容。
  本文首先對內(nèi)燃機多維模擬中廣泛應(yīng)用的開源程序KIVA-3V Release2的框架進行了簡單的介紹,并重點介紹了噴霧模擬的相關(guān)子模型。接著對現(xiàn)在廣泛使用的一些噴霧碰壁模型進行了詳細分析,對比了它們之間的差異和優(yōu)缺點。結(jié)果表明:現(xiàn)有模型開發(fā)較早,建立它們的試驗來源多為單個液滴或液滴串的碰壁試驗,與現(xiàn)代高壓共軌直噴發(fā)動機中的實際現(xiàn)象有較大出入,因此在某些工況下這些模型對高壓噴霧碰壁的模擬效果并不

4、能令人滿意,需要開發(fā)新的數(shù)值模型。
  根據(jù)上面的分析提供的思路和方向,本文根據(jù)高壓噴霧碰壁的特點,提出了三個方面的改進意見:一是針對CFD軟件中噴霧計算的特點,提出了壁面射流子模型來修正碰壁液滴的氣液相對速度,從而能更加準確地計算液滴的阻力,而且極大地降低了計算對網(wǎng)格的依賴性;二是針對高壓噴霧碰壁后運動形態(tài)的特點,針對碰壁后液滴增加了升力的計算,從而能再現(xiàn)試驗中觀測到的壁面噴霧前端的渦旋;三是針對單個液滴碰壁和噴霧碰壁的差異,提

5、出了計算高壓噴霧碰壁后粘附油膜比例的公式。通過與柴油噴霧試驗結(jié)果對比,新模型能明顯地改進預(yù)測效果,預(yù)測的壁面噴霧運動形態(tài)、貫穿度和厚度等與試驗值吻合良好。
  此外,在噴霧碰壁過程中同時發(fā)生的還有熱力學(xué)過程,即噴霧和壁面之間的傳熱傳質(zhì)過程,這一過程雖然短暫,但也十分重要。在現(xiàn)有的數(shù)值模型中,液膜和壁面之間的傳熱基本都是按照熱傳導(dǎo)計算的,沒有考慮噴霧碰壁過程對傳熱的巨大影響。為此,本文基于柴油噴霧碰壁的傳熱學(xué)試驗開發(fā)了一個新的子模型

6、來考慮這一過程。新模型考慮了不同噴霧碰壁情況下,碰壁液滴的動能對傳熱的影響,而對于氣相和液膜之間的熱交換則采用了氣體射流碰壁下的傳熱關(guān)系式來計算。模擬結(jié)果表明,新模型與試驗數(shù)據(jù)吻合良好,是現(xiàn)有液膜傳熱模型的有益補充。
  本文最后將開發(fā)的高壓噴霧碰壁的動力學(xué)和熱力學(xué)模型應(yīng)用于某款小型直噴柴油機冷起動工況的模擬,并探討了排放物的生成機理和不同噴油規(guī)律對排放的影響。結(jié)果表明:冷起動時會有大量的壁面油膜產(chǎn)生,這些油膜是HC和CO排放的直

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