缸内直喷加氢柴油机混合气形成与燃烧过程的数值模拟研究

摘要

能源和环境问题的双重困扰，使得氢能的研究极具意义。氢作为未来最有发展潜力的能源，国内外的许多研究机构也都致力于其内燃机燃用及双燃料的研究。柴油机有着较好的经济性和较低的未燃碳氢化合物HC、一氧化碳CO排放，而氢气作为清洁能源，燃烧产物只有水，研究把氢气作为柴油机的燃料具有重大意义。 本文建立了缸内直喷加氢柴油发动机数值计算模型；利用软件ABSOFT编写程序实现了对加氢柴油发动机喷氢参数的控制；采用仿真软件STAR-CD对缸内直喷加氢柴油机喷氢过程，柴油喷雾过程以及燃烧过程进行了数值模拟研究。 对加氢柴油发动机喷氢过程进行了数值模拟，研究不同的喷氢角度、不同的喷氢时刻、不同的喷氢压力以及不同的喷氢量对氢气在加氢柴油发动机缸内分布状况的影响，总结了相关的规律。 对加氢柴油发动机混合气形成进行了模拟，比较分析了加氢柴油发动机由于氢气的喷入对缸内速度场，湍动能场以及柴油喷雾粒子等的影响，并分析了不同的喷氢参数的影响。 对加氢柴油发动机燃烧过程的模拟计算网格进行了重新划分，提出了适合本研究的网格尺度。通过试验数据对加氢柴油发动机着火模型与燃烧模型进行了选取，并对相关的参数进行标定，并取得与相关文献中实验数据较为吻合的模拟计算结果。通过与纯柴油发动机模拟结果进行对比，分析了加氢柴油发动机在喷入氢气后的相关燃烧特性，并重点分析了相关的喷氢参数与氢气在缸内的分布对着火以及燃烧的影响。 本文的工作将为今后进一步的模拟研究以及试验分析提供一定的参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.1.1 环境问题

1.1.2 能源问题

1.2 氢气作为发动机燃料的研究现状

1.2.1 氢气作为发动机燃料应用的优势

1.2.2 氢用于内燃机的国外研究现状

1.2.3 氢用于内燃机国内研究现状

1.3 内燃机工作过程的数值模拟研究

1.3.1 数值模拟研究的优势与不足

1.3.2 三维数值模拟软件

1.4 本文主要工作

2 缸内直喷加氢柴油机计算模型的建立

2.1 物理模型

2.1.1 喷氢方案的选择

2.1.2 喷氢嘴的布置

2.2 多维数值模拟数学模型

2.2.1 基本控制方程

2.2.2 湍流模型

2.2.3 柴油喷雾模型

2.2.4 着火模型

2.2.5 燃烧模型

2.3 控制方程的离散及求解

2.4 计算网格的划分

2.5 计算初始条件和边界条件

2.6 后处理分析截面的选取

2.7 本章小结

3 缸内直喷加氢柴油机喷氢过程的数值模拟研究

3.1 不同喷氢角度对缸内氢气浓度分布的影响

3.2 不同喷氢压力对缸内氢气浓度分布的影响

3.3 不同喷氢时刻对缸内氢气浓度分布的影响

3.4 本章小结

4 缸内直喷加氢柴油机混合气形成的数值模拟研究

4.1 喷入氢气对缸内速度场的影响

4.1.1 加氢柴油发动机与纯柴油发动机缸内速度场对比

4.1.2 不同喷氢压力时缸内速度场

4.1.3 不同喷氢时刻缸内速度场

4.2 喷入氢气对缸内湍动能场的影响

4.2.1 加氢柴油发动机与纯柴油发动机缸内湍动能场对比

4.2.2 不同喷氢压力时缸内湍能动场

4.2.3 不同喷氢时刻缸内湍能动场

4.3 喷入氢气对缸内平均温度的影响

4.3.1 不同喷氢压力对缸内平均温度的影响

4.3.2 不同喷氢时刻对缸内平均温度的影响

4.4 喷入氢气对柴油喷雾粒子的影响

4.4.1 加氢柴油发动机与纯柴油发动机喷雾粒子对比

4.4.2 不同喷氢压力对柴油喷雾粒子的影响

4.4.3 不同喷氢时刻对柴油喷雾粒子的影响

4.5 喷入氢气对柴油蒸发的影响

4.5.1 加氢柴油发动机与纯柴油发动机柴油蒸汽分布对比

4.5.2 不同喷氢压力对柴油蒸发的影响

4.5.3 不同喷氢时刻对柴油蒸发的影响

4.6 本章小结

5 缸内直喷加氢柴油机着火与燃烧过程研究分析

5.1 加氢柴油发动机着火过程分析

5.1.1 着火模型的验证分析

5.1.2 加氢柴油发动机着火点出现位置

5.1.3 不同喷氢压力对着火延迟的影响

5.1.4 不同氢气浓度对着火延迟的影响

5.2 加氢柴油发动机燃烧过程分析

5.2.1 网格大小对燃烧模拟的影响

5.2.2 燃烧模型的标定

5.2.3 加氢柴油发动机与纯柴油发动机燃烧对比分析

5.2.4 氢气在缸内的分布对燃烧的影响

5.3 本章小结

6. 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献