发动机缸内预混湍流燃烧点火过程稳定性研究

摘要

当今社会能源短缺和环境污染问题越来越严重，而初始火核生成及发展的微小循环变动对发动机动力输出及排放特性有很大的影响。为了探讨点火能量、点火提前角、过量空气系数和流场强度对发动机缸内点火过程稳定性的影响，本文基于1E65FM发动机进行了计算机模拟计算和试验研究。
　　利用ANSYS软件Fluent模块，并基于异辛烷简化反应机理，模拟点火能量、点火提前角、过量空气系数和缸内湍流强度对点火过程的影响，并通过自编Matlab程序对模拟结果进行处理，得到各影响因素对初始火核生成阶段的初始火核半径，火核发展阶段的火核半径生长速度、点火滞燃期和火核表面褶皱度的影响规律。模拟结果表明:点火能量由50mJ增加到150mJ，初始火核半径及火核发展阶段的火核生长速度不断增加，点火滞燃期逐渐减小，点火过程的稳定性增强，点火能量对火核发展阶段的影响不如火核生成阶段明显;点火提前角对初始火核生成阶段影响不大，随着点火提前角从20°减小到10°，临界火核半径和点火滞燃期逐渐减小，点火过程稳定性增强，但火核发展期火核生长速度逐渐增大;过量空气系数处于最佳值0.9时，火核发展期的火核生长速度最大，临界火核半径最小，点火滞燃期最短，点火过程稳定性最好，过量空气系数对初始火核生成的影响不如火核发展明显;发动机缸内湍流强度与转速成正比关系，且在点火过程中湍流强度逐渐减小，随着发动机转速从1500r/min增加到2500r/min，初始火核半径基本不变，火核发展期的火核生长速度逐渐减小，点火过程稳定性降低。
　　本文对1E65FM发动机进行了可视化改造，设计了一套纹影系统和可视化系统，并根据实验可行性选择合理的试验方案。实验研究发动机不同转速对点火过程稳定性的影响规律，实验结果表明:转速对初始火核的生成影响不大;转速越低，发动机的动力性越好，滞燃期越短，点火过程越稳定。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 发动机缸内点火过程稳定性国内外研究现状

1．2．1 发动机缸内点火过程稳定性国内研究现状

1．2．2 发动机缸内点火过程稳定性国外研究现状

1．3 本文的研究目的与主要研究内容

1．3．1 本文研究的目的及意义

1．3．2 主要研究内容

第二章 CFD网格生成及异辛烷反应机理

2．1 引言

2．2 ANSYS概述

2．3 发动机几何模型的建立

2．4 发动机网格模型的建立

2．4．1 网格结构

2．4．2 发动机动网格的实现

2．4．3 发动机模型的网格划分

2．5 点火过程化学反应动力学模型

2．5．1 化学反应速率

2．5．2 基元反应

2．5．3 异辛烷反应简化机理

2．6 本章小结

第三章 发动机预混湍流点火过程模拟

3．1 引言

3．2 Fluent模型求解器设置

3．2．1 General(通用设置)

3．2．2 Models(物理模型设置)

3．2．3 Material(计算域材料设置)

3．2．4 Boundary Conditions(边界条件设置)

3．2．5 Dynamic Mesh(动网格设置)

3．2．6 Solution-Controls and Solution-Initialization(求解控制及初始化)

3．3 火核图像的MATLAB处理

3．3．1 火核图像处理流程

3．3．2 火核图像处理的具体求解

3．4 时间步长的敏感度分析

3．5 发动机预混湍流燃烧点火过程稳定性的影响因素研究

3．5．1 点火能量对点火过程稳定性的影响

3．5．2 点火提前角对点火过程稳定性的影响

3．5．3 过量空气系数对点火过程稳定性的影响

3．5．4 转速对点火过程稳定性的影响

3．6 本章小结

第四章 可视化装置实验设计

4．1 引言

4．2 纹影系统设计

4．3 可视化系统设计

4．3．1 可视化发动机设计

4．3．2 光学窗口设计

4．3．3 高速摄影系统

4．3．4 其他设备介绍

4．4 实验方法

4．5 本章小结

第五章 缸内预混湍流点火过程稳定性可视化实验

5．1 引言

5．2 实验方案

5．3 实验图像处理

5．4 实验结果分析

5．4．1 上止点位置确定

5．4．2 发动机瞬时转速的确定

5．4．3 缸内平均压力

5．4．4 初始火核半径

5．4．5 火核生长速率

5．4．6 火核表面褶皱度

5．5 本章小节

第六章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果