單一燃料天然氣內(nèi)燃機動力循環(huán)過程的數(shù)值模擬與優(yōu)化研究

【摘要】：由于全球石油燃料的大量消耗和以及對環(huán)境的嚴(yán)重污染，天然氣作為可替代的清潔能源日益受到關(guān)注，天然氣汽車也因此在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展。由于天然氣獨特的物理化學(xué)性質(zhì)以及低污染的燃燒排放，使得單一天燃料然氣內(nèi)燃機成為內(nèi)燃機發(fā)展的重要方向。然而，天然氣作為內(nèi)燃機的燃料使用時也存在較多的問題；例如整個內(nèi)燃機循環(huán)的熱力學(xué)過程不夠清晰，動力輸出不足，燃燒相對緩慢等等。因此，針對單一燃料天然氣內(nèi)燃機的工作進(jìn)程開展研究，對提高其工作性能具有重要的意義。 本文建立了三維CFD模型對內(nèi)燃機的四沖程的工作過程開展了深入研究，同時基于基本的守恒方程和邊界條件，建立了零維數(shù)學(xué)模型來模擬內(nèi)燃機的整個熱力學(xué)循環(huán)過程。在三維和零維數(shù)學(xué)模型得到了實驗數(shù)據(jù)驗證的前提下，本文采用三維和零維模型開展進(jìn)一步研究，詳細(xì)分析了單一燃料天然氣內(nèi)燃機的熱力學(xué)循環(huán)特性、燃燒特性，并提出了優(yōu)化方案。 首先，本文開展了天然氣預(yù)混點燃的單一燃料天然氣內(nèi)燃機工作特性，發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)的燃燒受湍流流動的顯著影響?；谌SCFD計算，明顯看到湍流脈動使得火焰界面發(fā)生彎曲和褶皺，加大了火焰面與未燃混合氣的接觸面積，從而加快缸內(nèi)的燃燒速度。但燃燒的核心區(qū)域會在氣流的作用下產(chǎn)生偏離，導(dǎo)致缸內(nèi)的溫度分布并不均勻，局部溫度較高。相對非預(yù)混燃燒，缸內(nèi)預(yù)混點燃的燃燒速度主要受火焰的傳播速度影響，化學(xué)反應(yīng)只在火焰面內(nèi)進(jìn)行，因此天然氣的燃燒過程相對較為緩慢，選用汽油機的點火提前角下，往往使得主燃期推遲，影響內(nèi)燃機工作效率和功率輸出。針對NO的計算結(jié)果表明，NO分布受缸內(nèi)溫度和湍流的影響明顯,其生成速率在高溫時明顯增加，并在燃燒后期基本保持不變。 同時，均質(zhì)壓燃（HCCI）技術(shù)作為一種新型的內(nèi)燃機燃燒技術(shù)能實現(xiàn)稀薄狀態(tài)下的高效和清潔燃燒。本文基于Chemkin建立了的天然氣的化學(xué)反應(yīng)機理模型，并耦合到CFD計算中，開展單一燃料天然氣均質(zhì)壓燃的三維CFD模擬研究。相比天然氣的預(yù)混點燃燃燒，均質(zhì)壓燃燃燒的燃燒速度基于天然氣的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，受缸內(nèi)湍流擾動的影響較小，可實現(xiàn)較高空燃比的稀薄燃燒，從而提高其燃燒效率。由于在稀薄燃燒下缸內(nèi)的燃燒溫度較低，可以進(jìn)一步減小NO的生成，實現(xiàn)其清潔燃燒；但均質(zhì)燃燒主要受化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的控制，對其燃燒速度的控制較為困難。過快的燃燒速度也使得缸內(nèi)的壓力瞬時產(chǎn)生躍升，在空燃比較小的情況下，容易產(chǎn)生敲缸等問題。本文還比較了不同過量空氣系數(shù)及進(jìn)氣溫度對均質(zhì)壓燃燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)隨著過量空氣系數(shù)的增大，缸內(nèi)的著火溫度推遲，缸內(nèi)的最高溫度下降明顯，其NO的生成量進(jìn)一步減小；在一定壓縮比下，其壓燃燃燒的結(jié)果受進(jìn)氣溫度的依賴較大。 另外，本文基于天然氣預(yù)混燃燒的三維CFD數(shù)值模擬，建立了針對天然氣在缸內(nèi)燃燒放熱的Weibe方程，并結(jié)合零維的內(nèi)燃機四沖程熱力學(xué)過程計算模型開展了研究，分析了天然氣預(yù)混點火的單一燃料天然氣內(nèi)燃機熱力學(xué)循環(huán)過程，比較了不同點火提前角，氣缸壓縮比以及過量空氣系數(shù)等參數(shù)對單一燃料天然氣內(nèi)燃機工作性能的影響，優(yōu)化了運行參數(shù)。 【關(guān)鍵詞】：天然氣 內(nèi)燃機 燃燒 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TK431
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 符號說明10-12
• 1 緒論12-22
• 1.1 課題的研究背景及研究意義12-15
• 1.1.1 當(dāng)今國際石油燃料的短缺和環(huán)境污染的現(xiàn)狀12
• 1.1.2 天然氣燃料的物理化學(xué)特性12-13
• 1.1.3 國內(nèi)外天然氣汽車的發(fā)展現(xiàn)狀13-14
• 1.1.4 天然氣內(nèi)燃機在燃燒過程中的主要問題14-15
• 1.2 數(shù)值模擬在天然氣內(nèi)燃機研發(fā)中的應(yīng)用15-20
• 1.2.1 針對天然氣內(nèi)燃機的數(shù)值模擬研究15-18
• 1.2.2 熱力學(xué)模型在天然氣內(nèi)燃機研發(fā)中的應(yīng)用18-19
• 1.2.3 研究現(xiàn)狀總結(jié)19-20
• 1.3 本文研究的目的和主要內(nèi)容20-22
• 1.3.1 研究主要目的20
• 1.3.2 研究主要內(nèi)容20-22
• 2 四沖程循環(huán)的熱力學(xué)模型的建立22-30
• 2.1 天然氣柴油熱力學(xué)零維模型22-28
• 2.1.1 基本數(shù)學(xué)模型23-26
• 2.1.2 瞬時氣缸體積模型26
• 2.1.3 氣缸進(jìn)排氣質(zhì)量模型26-27
• 2.1.4 燃燒速率模型---Weibe 函數(shù)27
• 2.1.5 內(nèi)燃機散熱函數(shù)27-28
• 2.1.6 滯燃期模型28
• 2.1.7 摩擦模型28
• 2.2 模型建立和計算流程28-30
• 3 四沖程循環(huán)三維 CFD 模型的建立30-36
• 3.1 三維模型基本方程30-31
• 3.1.1 連續(xù)性方程30
• 3.1.2 動量守恒方程（以 i 方向為例）30-31
• 3.1.3 能量守恒方程31
• 3.1.4 組分輸運方程31
• 3.2 內(nèi)燃機 CFD 計算中的主要模型31-36
• 3.2.1 湍流模型—k-? 模型31-32
• 3.2.2 噴射模型32
• 3.2.3 離散相（DPM）模型32-33
• 3.2.4 燃燒速率模型—EDC 模型33-34
• 3.2.5 排放模型—NO_x34-36
• 4 零維模型和三維 CFD 模擬的結(jié)果分析36-52
• 4.1 基于柴油機對零維模型的驗證以及優(yōu)化36-40
• 4.1.1 內(nèi)燃機參數(shù)36
• 4.1.2 模型驗證36-37
• 4.1.3 零維模型對柴油機工作過程的優(yōu)化37-40
• 4.2 三維柴油機的 Fluent 的模擬及驗證40-50
• 4.2.1 幾何模型的建立40-41
• 4.2.2 Fluent 中動網(wǎng)格的設(shè)置與實現(xiàn)41-42
• 4.2.3 邊界條件及初始條件設(shè)置42-43
• 4.2.4 柴油機燃燒模擬驗證43-44
• 4.2.5 模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)分析44-50
• 4.3 本章小結(jié)50-52
• 5 單一燃料天燃?xì)鈨?nèi)燃機的數(shù)值模擬及優(yōu)化52-80
• 5.1 預(yù)混點燃單一燃料天然氣內(nèi)燃機三維數(shù)值研究52-59
• 5.1.1 預(yù)混點燃天然氣氣缸參數(shù)52
• 5.1.2 預(yù)混點燃天然氣內(nèi)燃機燃燒結(jié)果分析52-59
• 5.2 HCCI 單一燃料天然氣內(nèi)燃機三維數(shù)值研究59-69
• 5.2.1 天然氣缸內(nèi)燃燒反應(yīng)動力學(xué)機理59-60
• 5.2.2 HCCI 天然氣內(nèi)燃機參數(shù)60-61
• 5.2.3 HCCI 天然氣內(nèi)燃機燃燒結(jié)果分析61-66
• 5.2.4 不同過量空氣系數(shù)及進(jìn)氣溫度對燃燒的影響66-69
• 5.3 基于零維模型對單一燃料天然氣內(nèi)燃機的研究69-79
• 5.3.1 預(yù)混天然氣燃燒的 Weibe 放熱方程70-72
• 5.3.2 天然氣預(yù)混點燃內(nèi)燃機的模擬及優(yōu)化72-79
• 5.4 本章結(jié)論79-80
• 6 結(jié)論與展望80-82
• 6.1 主要結(jié)論80-81
• 6.2 展望81-82
• 致謝82-84
• 參考文獻(xiàn)84-88
• 附錄88
• A 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄88
• B 作者在攻讀碩士學(xué)位論文期間參加的科研項目88

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