（轮机工程专业论文）船用低速二冲程柴油机工作过程数值模拟.pdf

中文摘要 摘要 低速长行程二冲程柴油机具有的高效、节能、经济实用以及大转矩的特点， 已经成为现代大型船舶的主要发动机。研究船用低速二冲程柴油机的扫气和燃烧 过程，提高其动力性和经济性，改善燃烧状况，降低n o ，和碳烟排放，成为一项 很有意义的工作。对柴油机工作过程的研究除传统的试验方法外，三维数值模拟 也是一项强有力的措施。 本文系统的论述了柴油机扫气和缸内燃烧过程的三维数值模拟计算模型和数 值计算方法，对缸内气体的气相湍流流动模型，柴油机喷雾模型和缸内燃烧模型 在理论上进行了具体的分析。本文应用a v l 公司开发的三维数值模拟软件 a v lf i r e ，首先对气阀一气口式直流扫气二冲程柴油机的扫气过程作不定常三维 流动数值模拟。按照设定的进出口边界几何条件和物理条件，对柴油机缸内气体 流动和残余废气浓度分布随时间的变化过程作细致的描述。接着对低速二冲程柴 油机的压缩过程、喷雾过程和燃烧过程进行数值仿真计算，展示了缸内流场、喷 雾发展形态及空间分布情况和缸内温度场、压力场及排放物浓度分布情况。改变 喷油提前角进行对比计算，发现不同喷油提前角对低速二冲程柴油机的燃烧和排 放性能影响较大。提前角较大时，柴油机工作粗暴；提前角很小时，柴油机经济 性不好；合理的喷油提前角，能显著提高柴油机的经济性同时降低排放。 关键词：二冲程柴油机；直流扫气；燃烧模拟；排放 英文摘要 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft w o - s t r o k el o w - - s p e e dm a r i n ed i e s e l e n g i n ew o r k p r o c e s s a b s t r a c t t w o s t r o k el o w s p e e da n dl o n g - t r i pd i e s e le n g i n e sh i g hp e r f o r m a n c e ，e n e r g y s a v i n g ，e c o n o m i c a la n dp r a c t i c a la sw e l la sl a r g et o r q u ec h a r a c t e r i s t i c sm a k ei th a s b e c o m el a r g em o d e ms h i p s m a i ne n g i n e r e s e a r c ho nt w o s t r o k el o w s p e e dm a r i n e d i e s e le n g i n e ss c a v e n g i n ga n dc o m b u s t i o n ，t oi n h e r ei t sp o w e ra n de c o n o m y , i m p r o v e t h es t a t eo fc o m b u s t i o n ，r e d u c en o xa n ds o o te m i s s i o n sh a sb e c o m eav e r ym e a n i n g f u l w o r k b e s i d e st r a d i t i o n a le x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n , t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l s i m u l a t i o ni sa l s oa ne f f e c t i v et o o lt os t u d yt h ed i e s e le n g i n ew o r k p r o c e s s t h i s p a p e ri n t r o d u c e s t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e la n d n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o da n dm a k e ss p e c i f i ca n a l y s i si nt h e o r yo nt h et u r b u l e n c e m o d e l s ，d i e s e le n g i n es p r a ym o d e l sa n dc o m b u s t i o n m o d e l s t h i sp a p e rn s e s t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o t h v a r ea v u i r ew h i c hd e v e l o p e db y a u s t r i a na v lc o m p a n y , f i r s t l ym a k e sat h r e e d i m e n s i o n a lu n s t e a d yf l o wn u m e r i c a l s i m u l a t i o no nat w o s t r o k ev l a v e - p o r tt y p eu n i f l o ws c a v e n g i n gd i s e s e le n g i n e ss c a v e n g p r o c e s s w i t hg e o m e 仃i c a la n dp h y s i c a lc o n d i t i o n so fi n f l o wa n do u t f l o wb o u n d a r i e s p r e s c r i b e d , t h en u m e r i c a ls o l u t i o n sl e n d e rd e t a i l e dd e s c r i p i t i o n s o ft i m e - d e p e n d e n t i n - c y l i n d e rf l o wf i e l d sa n de x h a u s tr e s i d u a ld i s t r i b u t i o n s i nt h en e x t ，t h ep a p e r s i m u l a t e dt h ec o m p r e s s i o np r o c e s s ，e n g i n es p r a ya n dc o m b u s t i o np r o c e s s ，d e m o n s t r a t e s t h ei n - c y l i n d e rf l o wf i e l d , t h ed e v e l o p m e n to fs p r a y , t e m p e r a t u r ef i e l d ，p r e s s u r ef i e l d a n dt h ed i s t r i b u t i o no fe m i s s i o n s c h a n g e si nf u e l i n j e c t i o nt i m i n ga n dc o n t r a s t c a l c u l a t i o na n df o u n dt h a td i f f e r e n tt i m i n go ff u e li n j e c t i o nh a sg r e a te f f e c to n c o m b u s t i o na n de m i s s i o n so ft w o - s t r o k el o w s p e e dd i e s e le n g i n e w h e nt h ei n j e c t i o n t i m i n gi st o oe a r l y , t h ew o r kp r o c e s so fd i e s e le n g i n ei sv e r yc r u d e ；w h e nt o ol a t e ， r e s u l t i n gd e c l i n ei np o w e r ；s u i t a b l ef u e li n j e c t i o nt i m i n gc a l ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e d i e s e le n g i n e sp o w e ra n dr e d u c ee m i s s i o n s k e yw o r d s ：t w o s m o k ed i e s e le n g i n e ；u n i f l o ws c a v e n g i n g ；c o m b u s t i o n s i m u l a t i o n ；e m i s s i o n s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文= = ：丝厦低速三泣猩鍪迪扭王佳过程錾值蘧塑：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 j 学位论文作者签名：邈 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密团( 请在以上方框内打“ ) 敝储虢形导师繇弘巾哥杯 1 3 期：年月日 船用低速二冲程柴油机工作过程数值模拟 第1 章绪论 柴油机的使用和发展，已经有一百多年的历史了。1 8 9 2 年德国工程师r u d o l f d i e s e l 申请了压缩发火内燃机专利，并于1 8 9 7 年在m a n 公司制成第一台实际使用 的柴油机( 压燃式、空气喷射、定压燃烧) 。1 9 0 4 年柴油机首次用于船舶推进装置 ( 2 9 4 k w ，2 6 0 r m i n ) 。在此后4 0 多年中，柴油机在自身逐步完善中有了很大的 发展。从第二次世界大战到2 0 世纪5 0 年代中后期，由于社会生产力的迅速发展， 对船舶推进装置提出了新的要求。柴油机在此期间完成了大缸径、焊接结构、废 气涡轮增压以及使用劣质燃油等四项重大技术成果。并逐步发展了船用低速柴油 机系列。从2 0 世纪6 0 年代到7 0 年代船用低速柴油机进入了黄金时代，在船舶动 力装置中，它在与蒸汽动力装置的竞争中取得了明显的压倒优势。柴油机技术也 趋于完善。此期间内船用低速柴油机发展的特点按顺序大致为增大机组功率，提 高可靠性，提高经济性。2 0 世纪7 0 年代的两次能源危机诱发了世界范围内的能源 危机。石油产品价格大幅度上涨使船舶柴油机的燃油费用支出一跃占营运成本的 4 0 5 0 。由此，改变了人们长期以来的传统观念，降低柴油机的燃油支出费用、 提高柴油机经济性已成为第一要求。2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代，各类节能型柴 油机大量出现，机型更新周期大大缩短( 甚至仅为2 年3 年) ，各类柴油机均采 用多种节能措施降低油耗率，努力提高柴油机的有效热效率：同时，由于供给船 用柴油机的燃油质量日益低劣，使得船用柴油机在使用劣质燃油的技术上又有了 新的发展。目前，现代船用低速柴油机的油耗率已降低到0 1 5 5 - 0 1 6 0 k g k w h ， 有效热效率可高达5 5 。【l 】 通过长期不断的技术改进和提高，柴油机技术已非常完善。与汽油机相比， 柴油机存在着它诸多显著的特点：柴油机比汽油机有更好的经济性，其热效率是 当今各种动力机械中热效率最高的一种；柴油机可靠性好，有害排放物总体比汽 油机低，先进的柴油机即使不采用任何机外后处理措施，其有害气体的排放量也 可达到带有三元催化反应器并采用闭环控制系统的汽油机的排放指标。由于柴油 机具有以上特点，已被广泛应用于交通、工程机械，矿山机械和农用机械等领域， 第1 章绪论 以及船舶动力、军用动力装置中。 柴油机属于压燃式发动机，燃油喷入气缸内形成混合气，依靠活塞压缩到上 止点时的高温使混合气自燃着火。由于燃料燃烧时气体的最高温度和膨胀过程终 点气体的最低温度两者之间的温差很大，因此柴油机的工作循环效率很高。柴油 机以其热效率高、经济性好、功率覆盖面广、转速范围宽等优点，在汽车、机车、 船舶、发电等方面得到日益广泛的应用，且使用范围和领域都不断扩大【2 1 。 长期以来，内燃机的研究和设计是依靠经验，结合理论计算和必要的实验手 段进行的。但限于实验条件、测试技术水平以及实验仪器的精度，实验研究也有 很大的局限性，而且费用很贵。从二十世纪6 0 年代以来，随着计算机技术的飞速 发展及其计算流体力学、计算传热学、化学反应动力学等基础理论研究的深入， 柴油机燃烧和喷雾的数值模拟逐渐形成了一个独立的发展分支。它以实验和基本 理论的研究成果为基础，通过计算机把实验研究、理论分析和科学计算有机地融 为一体。它具有调整参数方便、运行速度快、成本低的优点，可以在众多的影响 因素中找出关键的控制变量，优化实验与设计方案，降低产品的研制周期及费用。 因而柴油机燃烧过程的数值模拟是柴油机研究和设计的一种有效手段。 1 1 柴油机工作过程数值模拟研究的发展与现状【3 5 】 1 1 1 计算机模拟概述 计算机模拟是在计算机上通过系统模型去模拟一个实际存在或正在设计中的 真实系统，以再现或分析真实系统的本质特征。计算机模拟过程可以分解为三个 步骤：第一步，从物理到数学的步骤，即将具体的物理系统根据其内部物理变化 规律及外部影响因素加以简化或抽象，将物理系统的运动形态表达为数学方程的 形式，建立起相应的数学模型。由此导出的数学方程一般情况下是一个微分方程 组。第二步，从数学到数学的过程，运用数学的方法求解所建立的微分方程组， 计算出表征系统中过程变化的诸参数。第三步，是一个从数学到物理的步骤，即 将求得的计算结果赋予物理意义，从机理上加以讨论和解释，并判断它是否相对 地符合于物理系统的实际情况【3 】。计算机模拟是随着电子计算机的发展而逐渐发展 2 船用低速二冲程柴油机工作过程数值模拟 起来的，2 0 世纪4 0 年代首先应用于航空、航天，几十年间，计算机模拟不断的向 其它领域学科扩展，在工程上发挥着越来越重要的作用。 1 1 2 内燃机燃烧过程数值模拟的发展 自2 0 世纪6 0 年代末期以来，世界范围内能源危机日益严重，环保呼声越来 越强烈，使得开发高效率、低污染的发动机成为当前内燃机研究的中心课题，这 就迫使人们在理论和实验两方面加强对内燃机缸内燃烧过程的研究，以达到节能 和低污染的目的。随着计算机技术的飞速发展及其计算流体力学、计算传热学、 化学动力学等基础理论研究的深入，内燃机燃烧过程的数值模拟已成为燃烧研究 的重要手段。 内燃机燃烧过程模拟，是综合运用热力学、流体力学、传热传质学、化学反 应动力学和数值计算等学科的知识，来描述内燃机工作过程中缸内流动工质、传 热和流体力学与热力学行为的一组物理和化学的数学方程式。它从内燃机有关工 作过程的物理化学模型出发，用微分方程对有关工作过程进行数学描述，然后用 数值计算方法求解，求得各参数随时空的变化规律，进而可以了解有关参数对内 燃机性能的影响。根据内燃机研究对象的不同，对不同的问题采用了不同的处理 方法，提出了各种燃烧模型4 】。最常见内燃机燃烧模型的分类方法是e v b r a c c 0 1 6 于1 9 7 4 年提出的将燃烧模型按维数分为零维模型、准维模型和多维模型三类。 零维模型又称单区模型。它是通过对大量实际燃烧过程的统计分析，找出规 律性，用经验公式或曲线拟合的方法，建立起一种表达燃烧放热过程参数间的经 验公式，将复杂的燃烧过程简化表达成几个特征参数间的关系。这类模型多半是 在燃烧模拟研究早期发展起来的。共同的特点是假定缸内工质均匀分布，各种热 力学参数和热物性参数处处相等，即随时处于热力学平衡状态，因此零维模型又 叫热力学模型。零维模型未考虑燃烧物理一化学反应的复杂中间过程，仅把燃烧看 成是按一定规律向系统加入热量的过程。这些模型对于分析、计算和预测内燃机 性能起了重要的作用，能够预估燃烧过程中的主要性能参数，已被广泛用于内燃 机设计和研究中去。零维燃烧放热模型有很多，较常用的是w e i b e 模型和w a t s o n 模型。w e i b e 模型形式简单，采用由化学反应动力学推导出的半经验公式，w a t s o n 第1 章绪论 模型针对实际燃烧中存在着预混合燃烧和扩散燃烧两个阶段，用一个幂函数拟合 预混燃烧时的尖峰部分，用w e i b e 函数模拟扩散燃烧部分，两者乘以相应的质量 百分比后相叠加即得到整个燃烧过程的燃烧放热规律。零维模型主要应用在两个 方面：一方面，根据已知示功图计算放热率曲线，通过缸内工质的能量守恒方程、 质量守恒方程、理想气体状态方程及各种气体的热物性参数、壁面传热公式等关 系计算出缸内燃料的放热率或燃烧率；另一方面，用经验的放热规律预测示功图， 计算各种参数变化对内燃机性能的影响，以期找出最佳参数匹配。但是，零维模 型用简单的数学关系掩盖了燃烧中物理一化学反应过程的本质，无法从机理上把握 其规律性，它对缸内过程的描述是宏观的、抽象的，不考虑参数随空间位置的变 化，无法预测排放性能；而计算的准确性又依赖于经验系数的选取，计算结果与 内燃机型式及运行条件有很强的依赖关系。 准维模型诞生于7 0 年代，其发展的直接原因是预测排放的要求。这类模型是 在零维模型的基础上考虑喷雾及火焰传播等物理过程的长度尺度，把燃烧室按火 焰位置或喷注空间分布形态，分成若干个区域，分别考虑喷雾扩散、油滴蒸发、 混合与卷吸、燃烧火焰传播及已燃区燃烧产物变化等过程，组成燃烧模型预测缸 内不同区域的燃烧温度，并针对不同机型侧重不同的子过程，使放热率更接近实 际，并能预测有害排放物浓度。准维模型虽然未仔细考虑空间分布，但从燃烧、 可燃混合气形成、火焰传播现象出发，列出描述分区内各参数随时间变化的关系 式，计算各分区内的温度和浓度。由于对柴油机燃烧过程分析方式的不同，目前 己发展了多种不同观点、不同功能、不同用途的准维燃烧模型，其中美国康明斯 ( c u m m i n s ) 公司林慰梓等人提出的以气相喷注为基础的“气相喷注燃烧模型和日 本广岛大学广安博之等人提出的以油滴蒸发为基础的“油滴蒸发燃烧模型 比较 有代表性 3 1 1 5 1 ，应用较为普遍，也比较成熟。这类模型一般由确定油束几何形状及 燃油喷注模型、燃烧热力学计算模型及排放物生成模型构成。但由于准维模型对 若干子过程的描述是建立在经验的、表象的基础上，其通用性受到限制。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着计算机应用的普及、数值计算方法和计算流体力学 等学科的日益成熟，内燃机缸内的工作过程多维数值模拟得到了较快的发展。多 4 船用低速二冲程柴油机工作过程数值模拟 维模型就是考虑到了缸内过程物理域二维或三维空间分布的模型，这类模型与零 维或准维模型相比在性质上有很大的不同。多维模型是一个十分复杂的热力学燃 烧系统，其中包含有气流运动，质量、动量和能量的传递与转换，燃油的喷射、 雾化与蒸发，混合气的形成、着火与燃烧，还包括传热、气相物与微粒的排放以 及边界的运动( 活塞和气门) 等等。它避免了准维模型的缺点，对过程的描述不 再是从现象出发，而是建立在流体力学、热力学、燃烧化学等普遍定律的基础上 的。多维模型是在遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒的基础上，进一步考虑了 燃烧室中压力、温度、工质成分和流体速度等的三维结构，通过求解支配燃烧现 象的物理、化学过程的基本微分方程，可以提供有关燃烧过程中气流速度、温度 和压力及成分在燃烧室内瞬态空间分布的详细信息。多维燃烧模型全面考虑了内 燃机的工作过程，包括多维、多组分气体流动，油束的形成和发展，预混燃烧和 扩散燃烧，所涉及的领域包括湍流、多相流、燃烧化学反应、传热等，它是一种 较为精细的模型，又称为精细模型。在多维模型的发展中，美国的l o sa l a m o s 国 家实验室和英国帝国理工学院的研究工作处于领先地位。在一系列多维模拟的程 序中，美国l o sa l a m o s 国家实验室开发的i o w a 作为一个优秀的软件，已成为美 国能源部能量转化和利用技术的一个组成部分。c w h i r t 等于1 9 7 2 年首次提 出了目前广泛应用于内燃机缸内工作过程数值计算的i c e d a l e 方法；1 9 8 5 年；美 国的l o sa l a m o s 研究所的a m s d e n 等人开发了k i v a 程序，1 9 8 9 年，a a a m s d e n 等人在k i v a 的基础上研制了k i v a i i 程序，该程序无论计算效率、计算精度、还 是物理子模型、使用方便性和通用性都有了很大提高，1 9 9 1 年，美国l o sa l a m o s 国家实验室在k i v a i i 的基础上研制出k i v a 一3 程序。该程序使用块结构，可以把 许多复杂的几何形状分成许多简单的块结构来计算，可以计算非常复杂的几何形 状，既节约了内存，又提高了速度。1 9 9 7 年2 月，k i v a - 3 的改进版k i v a - 3 v 完成。 在a l e 数值计算方法发展的同时，1 9 7 2 年，英国帝国理工学院的d b s p a l d i n g 首创的半隐式控制容积法s i m p l e ( s e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e 1 i n k e d e q u a t i o m ) 在算法上奠定了求解缸内化学流控制方程组的基础。a d g o s m a n 等 人在1 9 7 3 年开发了一种用于内燃机缸内工作过程的计算程序，简称r p m 第1 章绪论 ( r e c i p r o c a t i n gp i s t o nm o t i o n ) 程序，用来计算封闭轴对称气缸中无燃烧的层流流动。 1 9 8 2 年，g o s m a n 建立了直接喷射式柴油机缸内工作过程较为全面的数学模型，该 模型考虑了燃烧化学反应。1 9 8 4 年，g o s m a n 开发了直接喷射式柴油机缸内流动过 程完全三维数值模拟计算程序。近年来，随着对内燃机工作过程的大量研究，开 发出了一系列功能齐全的商用软件，如英国a d a p c o 公司的s t a r - c d 软件，里卡多 的v e c t i s 软件及奥地利a v l 公司的f i r e 和b 0 0 s t 等软件，为内燃机的研制提供 了十分便利的条件。国内内燃机工作者在消化和吸收了国外先进的数学模型、数 值方法和计算程序的基础上，开发出许多内燃机工作过程数值模拟程序如北京理 工大学开发的三维内燃机工作过程通用模拟程序i 冱s 3 c i i ；中国科学技术大学火 灾科学院重点实验室开发的计算直喷式柴油机螺旋进气道与缸内空气运动的大型 微机化程序口i c c f d ( 1 ) ；同济大学、江苏理工大学开发的涡流室式柴油机工作过 程的三维模拟程序e n g i n e i i ；吉林工业大学开发的微机版内燃机缸内多维气流运 动模拟程序s u n 1 等。【4 】【5 】 多维模型对于深入了解燃烧过程的细节、优化燃烧过程的组织，尤其是判断 局部区域有害物质的生成都有着积极的意义。 1 1 3 柴油机多维燃烧模拟的现状与发展 柴油机多维燃烧模拟主要由三大部分组成，即应用单相流体力学对缸内空气 运动进行模拟的部分，应用两相流体力学对缸内的喷雾混合过程进行模拟的部分 和应用燃烧化学对缸内的燃烧过程进行模拟的部分。到目前为止，对柴油机的多 维模拟主要分为喷射和燃烧机理这两方面。 内燃机燃油喷雾的数值模拟涉及液体雾化、气液两相作用、油滴间的聚合、 碰撞及油滴的传热传质等物理过程，为了计算喷雾与气体间质量、动量和能量的 交换，必须考虑液滴的大小、速度和温度分布：当w e b e r 数大于1 时，必须考虑 液滴的振荡、变形和破裂【7 】。目前主要有两种模拟技术应用于燃油喷雾模拟：第一 种是对喷注作统计描述的连续型油滴模型( c d m ) 【引，第二种是将燃油喷注视为由 若干离散的具有代表性的计算“质点”所组成的离散型油滴模型( d d m ) 【9 】。两种 模型的共同特点是把发生在大小与液滴尺寸相近或者更小区域内的过程作平均化 6 船用低速二冲程柴油机工作过程数值模拟 处理。c d m 模型试图通过喷注概率的欧拉偏微分方程式来描述所有液滴的运动， 因而采用c d m 模型需要对喷注作一系列的简化假设( 如稀薄喷注且“无滑移) ， 否则会因为问题过于复杂而难于求解。d d m 基于蒙特卡洛方法，它不考虑全部油 粒，而只考虑其中若干具有代表性的统计样本，每个样本都代表一定数目大小和 物性完全相同的油粒，假设它们运动、破碎、撞壁或蒸发的行为完全相同。用拉 格朗日方式跟踪这些油粒的运动，求解描述其运动轨迹和传热传质过程的一组常 微分方程。目前以d d m 为基础而发展起来的多维燃烧模型最多，应用最为广泛。 柴油的喷射过程通常可分为两个阶段：初次破碎和二次破碎。初次破碎在靠 近喷嘴且w e b e r 数很高的情况下发生，不仅与液、汽两相的交互作用有关，还与 喷嘴内部的流动现象如湍流和穴蚀有关。二次破碎在远离喷孔的喷雾下游发生， 与喷嘴的类型关系不大，主要取决于缸内气体的流动作用。经典的破碎模型如 t a b ( t a y l o ra n a l o g yb r e a k - u p ) 模型、r d ( r e i t za n dd i w a k a r ) 模型和w a v e 模型都没有 区分这两次破碎过程。这些模型的参数通常需要根据喷雾下游二次破碎区域的实 验数据来确定。 另外一些模型如e t a b ( e n h a n c e dt a b ) 模型、f i p a ( f r a c t i o n n e m e n ti n d u i tp a r a c c e l e r a t i o n ) 模型或是k h r t ( k e l v i nh e l m h o l t z - r a y l e i g ht a y l o r ) 模型等可以分别处 理初次破碎和二次破碎两个过程。所以，这些模型基本上能够独立地分别模拟两 个破碎过程。但是，这些模型中另加的一些参数则由于缺乏初次破碎区域的实验 数据而很难确定。 目前应用最为广泛的喷雾两相流数值模拟计算方法是英国帝国理工学院 d b s p a l d i n g 等首创的半隐式控制容积法( s i m p l e ) 和美国l o sa l a m o s 实验室 提出的任意拉格朗日一欧拉法( a l e ) 【5 】【1 0 1 。s i m p l e 的含意是求解压力耦合方程的 半隐式算法，此算法对积分区域的离散化一般采用正交网格系统。a l e 法不要求 网格的正交性，特别适合于内燃机工作过程计算。a l e 方法将每一时间步长的计 算分为三个阶段。第一阶段是显式的拉格朗日计算，网格保持不动；第二阶段是 隐式的，它通过一个迭代过程求出压力在本时刻的新值，进而求出速度的新值； 第三阶段把网格移动到新的位置，同时计算对流通量。各方程在时间和空间上均 7 第1 章绪论 为离散方程。a l e 方法特别适于计算内燃机这样具有复杂边界的问题，但其非正 交网格所能使用的时间步长受到很大限制，计算量比较大。 柴油机湍流燃烧模型目前应用的主要有s p a l d i n g 提出的湍流扩散火焰的k g 模型、涡破碎模型( e d d yb r e a ku p ) 、拟序火焰面燃烧模型、概率密度方程( p d f ) 模型、统一二阶矩模型。湍流扩散火焰模型用k - 方程模化湍流的输运作用，采 用一个适当的概率密度函数p ( f ) 来描述混合分数f 的脉动性质。涡破碎模型( e d d y b r e a ku p ) 假定化学反应速率和化学动力学无关，而只取决于未燃的微气团在湍流 作用下破碎成更小微团的速率，认为破碎速率与湍流脉动动能衰变的速率成正比 【1 1 】。拟序火焰面燃烧模型，该模型假设反应区域与湍流尺度相比很薄，所以湍流 对当地的火焰结构没有影响，而仅在火焰面上感应产生拉伸【1 1 】【1 2 】【1 3 1 。概率密度方 程( p d f ) 模型采用概率密度方程 1 4 1 ，是最近几年发展起来的求解湍流燃烧的新方 法。它是通过求解完全格式的p d f 输运方程，求出所有有关流动与燃烧的参量， 但该方法计算量非常大。目前工程中应用比较普遍的是简化的p d f 模型，假定瞬 时化学反应速率为温度和混合分数或者温度和氧浓度的函数【1 l 】【1 3 】【1 5 】。统一二阶矩 阵模型考虑了化学反应对关联量耗散的影响，对包括反应率系数的脉动和浓度脉 动关联在内的所有关联量都用统一形式的二阶矩阵输运方程加以封闭和求解。此 模型可用于模拟详细反应动力学，且计算量远远小于p d f 方程模型的计算量【】【1 6 1 。 一些发达国家( 如美国、法国等) 开始采用直接的数值模拟( d n s ) 、大涡模拟( l e s ) 等手段模拟湍流燃烧的过程。在国外已经取得相当研究进展的多维燃烧模型，目 前在我国仅处于刚刚起步阶段。缸内燃烧过程分析的常用数值模拟工具有： s c r y u 、p o w e r f l o w 、s t a r - c d 、f i r e 、k i v a 、f l u e n t 等。不同的软件在不同 应用领域有各自的优势，例如s c r y u 、p o w e rf l o w 在剥离再附着、喷流、涡流 等方面的计算精度比较高，适合于空气动力学方面的研究，而s t a r - c d 因它的计算 和分析时间比较短，所需内存容量不大，且可以自动生成非结构化网格，广泛应 用于发动机定常流、喷雾燃烧、冷却水等领域的分析。a v l 公司的发动机专用三 维模拟软件f i r e 依靠其强大试验能力的支持，最近发展相当快。 应用多维数值模拟对柴油机燃烧过程和喷雾进行仿真模拟计算，可以进一步 船用低速二冲程柴油机工作过程数值模拟 深入理解整个混合物形成和燃烧的过程，对于研究燃烧过程的影响因素及排放物 形成的机理，提高柴油机的动力性和经济性，降低n o x 和碳烟排放，并使其满足 日益严格的排放法规的要求有着重要的意义。 1 2f i r e 软件简介 f i r e 软件是由奥地利a v l 公司开发的用于模拟内燃机缸内流场、喷雾、燃烧 过程的c f d 软件，跟大多数的c f d 软件一样，f i r e 由前处理，求解器和后处理 三部分组成。在c f d 进程中，前处理是相当重要的部分，因为通过它生成的网格 类型和质量通常能决定整个模拟计算的可靠性，流场离散计算的精度以及计算时 间。f i r e 拥有网格和动网格生成能力，包含了全自动，半自动以及手动网格生成 功能，能够对包括进气道在内的复杂结构轻松实现快速优质的网格划分。同时， f i r e 包含了丰富的湍流，燃烧和排放预测模型，湍流模型有缸湍流模型、r n g 、 r s m 模型和a v l - h t m 模型等，燃烧模型有e b u 模型，小火焰模型，p d f 模型， 拟序模型和特征时间尺度模型等。排放模型包含了z e l d o v i c hn o x 预测模型， k e n n e d y - h i r o y a s u m a g n u s s e n 碳烟模型，k e n n e d y - h i r o y a s u m a g n u s s e n - r a d 碳烟模 型以及高级碳烟模型。同时f i r e 还有预留给用户自定义模型。用户可以非常方便 的根据不同的求解对象和环境选择各类不同的计算模型，以实现模拟计算与实际 情况的一致性。 1 3 本课题研究的意义和内容 柴油机由于在各种动力机械中热效率最高，功率范围宽广，起动迅速，维修 方便，运行安全，使用寿命长，因而得到了广泛的应用，特别是在运输船舶上， 柴油机作为主机和副机更是占有统治地位。 现代船用柴油机已经发展到一个较高的技术水平。今后，随着生产力的发展， 将会对船用柴油机提出更高的要求，船舶柴油机也将继续发展改进。当前，柴油 机的发展可以概括为：以节能为中心，充分兼顾到排放与可靠性的要求，全面提 高柴油机性能。其中，排放就是现代柴油机面临的挑战之一。 据统计，内燃机所消耗的能源占世界石油总量的6 0 。随着人类环保意识的加 9 第1 章绪论 强，人们越来越注意自己身边的环境。内燃机产生的有害废气及噪音对环境有严 重的危害，危及到人们的健康和生命。因此，各国纷纷制定了严格的排放法规来 限制柴油机的排放，保护环境。 对于船舶柴油机，国际海事组织m a r p o l7 3 7 8 公约的新增附则v i 防止 船舶造成大气污染规则对船舶主机排放提出了严格的限制。该规则适用于每一 台安装在2 0 0 1 年1 月1 日或以后建造的船舶上、输出功率大于1 3 0k w 的柴油机， 以及每台安装在2 0 0 1 年1 月1 日或以后经重大改装的船舶上、输出功率大于1 3 0 k w 的柴油机。 对柴油机排放的限制主要有两点： ( 1 ) 关于n o ，限制。当柴油机转速n 1 3 0r m i n 时，n o 。1 7 9 ( k w h ) ； 当柴油机转速1 3 0 n 2 0 0 0r m i n 时，n o 。4 5 0xn 眦g ( k w h ) ；当柴油机 转速n 2 0 0 0r m i n 时，n o ，4 9 8 9 ( k w h ) 。 ( 2 ) 关于s o ，限制。规则要求船舶柴油机使用的任何燃料的硫含量不得超过 4 5 m m ；在s o ，排放控制的区域如地中海区域，燃料硫含量不得超过1 5 m m ， 或柴油机的s o ，排放总量应小于6 o g ( k w h ) 。可以预见，随着排放法规的实施 以及排放法规的逐步严格，将对柴油机的研制开发、制造及使用产生巨大的影响， 甚至在某种程度上引导着柴油机的发展方向。【l j 随着对柴油机排放限制的提高，提高经济性，降低排放成为船舶柴油机发展 中的新课题。当前对数值模拟这块，对船用大型低速二冲程柴油机的研究和发表 的论文较少，这便是本课题的意义所在。 本文的主要内容为，应用a v l 公司开发的三维数值模拟软件f i r e ，首先对某 大型低速二冲程柴油机的气阀一气口式直流扫气过程作不定常三维流动数值模拟。 按照设定的进出口边界结合条件和物理条件，对柴油机缸内气体流动和残余废气 浓度分布随时间的变化过程作细致的描述。接着对柴油机的压缩过程、喷雾过程 和燃烧过程进行数值仿真计算，展示了缸内流场、喷雾发展形态及空间分布情况 和缸内温度场、压力场及排放物浓度分布情况。并改变喷油提前角进行燃烧计算， 对比在不同时间喷油时，柴油机缸内燃烧的温度场和压力场的变化以及n o 。和 s o o t 的排放情况。以此研究喷油提前角对低速二冲程柴油机的燃烧和排放的影响。 l o 船用低速二冲程柴油机工作过程数值模拟 1 4 本章小结 本章是在阅读大量文献的基础上，对柴油机的发展历程，柴油机工作过程( 扫 气、燃烧) 数值模拟的理论及方法的现状和未来发展趋势作了详尽的综述，并简 介了本课题研究的背景意义和开展的主要工作。 第2 章柴油机的气相流动和直喷燃烧模型 第2 章柴油机的气相流动和直喷燃烧模型 2 1 气相湍流流动模型 2 1 1 湍流模型 湍流是一种复杂的非稳态三维流动，通常把湍流定义为具有随机性、扩散性、 高雷诺数、三维涡量脉动性、耗散性及连续性特征的复杂流动。故亦称涡流为流 体的一种“紊乱无序”的运动，它的每个单个的瞬态流动是无法预测的，带有随 机的性质。但是湍流不是流体本身所具有的某些特征而是流体流动的特征。从数 学的观点看，湍流是n s 方程的通解，求解湍流于求解层流无本质区别，目前已具 有足以求解湍流问题的有关方程式，但实际上由于计算机存储能力及运算速度尚 不足以求解任何有实际意义的湍流问题。从物理结构上可以把湍流看成是由各种 不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方向分布是随机的。 大尺度的涡旋主要有流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟， 是引起低频脉动的原因；小尺度的涡旋主要是由粘性力所决定，其尺寸可能只有 流场尺度的千分之一的量级，是引起高频脉动的主要原因。大尺度的涡旋破裂后 形成小尺度的涡旋。较小尺度的涡旋破裂后形成更小尺度的涡旋。因而在充分发 展的紊流区域内，流体涡旋的尺寸可在相当宽的范围内连续地变化。大尺度的涡 旋不断地从主流获得能量，通过涡旋间的相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡旋传 递。最后由于流体粘性的作用，小尺度的涡旋不断消失，动能就耗散为流体的热 能。同时由于边界的作用、以及扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生， 这就构成了湍流运动。【1 7 】 至今对湍流的本质仍然没有完全认识清楚。根据湍流产生的原因，主要可分 为两大类：【1 3 】 ( 1 ) 气流流过固体物体表面时产生的，称为壁面湍流( w a l lt u r b u l e n c e ) ( 2 ) 在同一流体中，不同流速的流体层之间产生的，称为自由湍流( f l e e t u r b u l e n c e ) 。 在内燃机气缸中的湍流主要是第二类湍流。在内燃机的整个工作循环中，其 1 2 船用低速二冲程柴油机工作过程数值模拟 缸内气体充量始终在进行着复杂又强烈瞬变的湍流运动，这种湍流运动是内燃机 在工作过程和燃烧过程中各种物理化学过程的一个共同的基础，决定了各种量在 缸内的输运及其空间的分布。因此要正确的模拟和分析内燃机的燃烧，必须对湍 流运动的正确描述和模拟。 湍流运动与换热的数值计算方法大致分为三类【19 】： ( 1 ) 直接模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 这是用三维非稳态n a v i e r s t o k e s 方程对湍流进行直接数值计算的方法。要对高度复杂的湍流运动进行直接 的数值计算，必须采用很小的时间与空间步长，才能分辨出湍流中详细的空间结 构及变化剧烈的时间特性。因此，湍流的直接模拟对内存空间及计算速度的要求 非常高，目前根本无法用于工程数值计算。 ( 2 ) 大涡模拟( 1 a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 这种方法旨在用非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方 程来直接模拟大尺度涡，但不直接计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的 亚格子r e y n o l d s 应力模型来考虑。大多数亚格子r e y n o l d s 应力模型都是用涡粘性来 描述的。大涡模拟方法对计算机内存及速度的要求虽然仍比较高，但远低于直接 模拟方法对计算机资源的要求，在工作站上甚至在p c 机上都可以进行一定的研究 工作，因而近年来的研究与应用日趋广泛。 ( 3 ) 应用r e y o n l d s 时均方程( r e y n o l d s - a v e r a g i n ge q u a t i o n s ) 的模拟方法在这类方 法里，将非稳态控制方程对时间作平均，在所得出的关于时均物理量的控制方程 中包含了脉动量乘积的时均值等未知量，于是所得方程个数就小于未知量的个数。 要使方程组封闭，必须做出假设，即建立模型。在r e y n o l d s 时均方程法中，又有 r e y n o l d s 应力方程法及湍流粘性系数法两大类。本文采用在工程流动与数值计算中 应用最广的湍流粘性系数法。 2 1 2 描写湍流流动和传热的控制方程的通用形式【2 0 l 所有气体流动与传热过程都受最基本的三个物理规律的支配，即质量守恒、 动量守恒及能量守恒。它们的控制方程都可以表示成以下通用形式： p 詈= p 警+ 础磬= 硫+ 誓 ( 2 1 ) 1 3 第2 章柴油机的气相流动和直喷燃烧模型 式中瓦d 是实质导数，夕是流体密度，乒是单位质量的通用变量，元是在控制 边界单位时间；的局部扩散源项，丸是单位时间的质量源项。 ( 1 ) 动量守恒方程，乒= 玩户鲁= p 警+ 鹏誓= 愚，+ 鲁 = p g i - i 劫x , + 专h 等+ 百a o j 号警磊) 亿2 ， ( 2 ) 能量守恒方程，；= 疗= 磊+ 冬： p 鲁= p ( 警+ 玩碧) - 魄+ 蓄+ 杀k 眈) + 专( 名誉 ， ( 3 ) 浓度方程， ；= 仑： p 譬= p 滢+ d 茜) - 分+ 专( 。蔷 c 2 聊 2 1 3 湍流对流换热的r e y n o id s 时均运算规则及方程【1 8 】 ( 1 ) r e y n o l d s 时均运算规则