（轮机工程专业论文）船用柴油机缸内燃烧与温室气体排放研究.pdf

中文摘要 摘要 随着联合国气候变化框架公约谈判的不断深入，温室气体的排放越来越 引起人们的关注。为了减少温室气体排放，目前各国各行业都已积极加入到节能 减排的行动中，作为货物周转量最大的运输方式海运业也不例外。i m o 出台 了一系列减少船舶温室气体排放的方案，其中包括改进主机、优化船体和船舶上 部构造、使用低碳燃料、航线优化等措施。 本文对改进主机带来的减排效果进行了研究。以6 1 3 5 型柴油机为典型，利用 数值仿真软件k i v a - 3 v 对其进行网格划分，然后输入正确的i t a p e 5 文件，对其 缸内燃烧和温室气体排放进行了模拟，得到了大量数据文件，如缸内平均压力、 缸内平均温度、缸内温度场以及温室气体的排放量。作者通过研究数据传递和接 口技术，利用t e c p l o t 3 6 0 和o r i g i n 8 0 对数据进行了可视化，得到了大量的主要 性能曲线和图形，然后在此基础上对其主要参数，如喷油提前角、转速、负荷和 燃烧室偏心量等参数进行了改变，分别计算出多项主要性能曲线和图形，并分析 它们的改变对柴油机性能和温室气体排放的影响。 通过对计算结果的分析可知：c 0 2 的排放随着喷油提前角和转速的增大而增 大，随着负荷的增大而减小，随着燃烧室偏心量的增大呈现先增大后减小的趋势。 研究结果表明，本文采用的基于k i v a 建立的模型能够较清晰地反映柴油机缸内燃 烧和温室气体排放，对优化柴油机燃烧和排放具有一定的参考价值。 关键词：温室气体：排放；柴油机；数值模拟 英文摘要 a b s t r a c t w i t l lt h en e g o t i a t i o no ft h eu n i t e dn a t i o n sf r a m e w o r kc o n v e n t i o no nc l i m a t e c h a n g e ( u n f c c c ) g e t t i n gf u r t h e ri nt e s t i f i e d ，m o r ea n dm o r ec o n c e r nh a sb e e nd r a w n o nt h er o l eo fg r e e n h o u s eg a s ( g h g ) e m i s s i o n s i no r d e rt or e d u c et h ee m i s s i o n s ，m o s t c o u n t r i e sa n dd e p a r t m e n t sh a v en o wa t t e n d e dt ot h ej o bo fe n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o n r e d u c t i o n t h e r ei sn oe x c e p t i o ni no c e a l ls 1 1 i p p m gi n d u s t r yw h i c hu n d e r t a k et h el a r g e s t f r e i g h tu l r n o v e rv o l u m e as e r i e so fm e a s u r e st or e d u c i n gs h i p p i n gg h ge m i s s i o nh a s b e e nu n v e i l e db yi n t e r n a t i o n a lm a r i t i m eo r g a n i z a t i o n , w h i c hc o n t a i n su p g r a d em a i n e n g i n e ，i m p r o v eh u l la n ds u p e r s t r u c t u r e ，u s el o w - c a r b o nf u e l sa n dv o y a g eo p t i m i z a t i o n e t c t h ee f f e c ti n 拄o d u c e db yu p g r a d i n gm a i ne n g i n eh a sb e e nd i s c u s s e di nt h ep a p e r k i v a - 3 vi sa p p l i e di nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es t u d yf o rt h e6 1 3 5 - t y p ed i e s e l e n g i n e w i t l lt h ei n p u to fi p r e pa n di 耵心e 5 ，k i v am a k i n gap e r f e c t l yg r i da n do u t p u t al o to fd a t as u c h 硒a v e r a g ep r e s s u r e ，a v e r a g et e m p e r a t u r e ，t e m p e r a t u r ef i e l da n dg h g e m i s s i o ne t e t h e nt e c p l o t 3 6 0a n do r i g i n 8 0w a su s e dt om a k eo u t p u td a t a v i s u a l i z e da n da c q u i r en u m b e r so fp e r f o r m a n c ec u r v e sa n df i g u r e s a n dt h e na n a l y s i s t h ea f f e c t i o no ft h ed i f f e r e n tg e o m e t r i cp a r a m e t e r st oe n g i n ep e r f o r m a n c ea n dg h g e m i s s i o n s ，w h i c he v a l u a t et h ei n j e c tt i m e s ，t h ee n g i n es p e e d ，t h el o a da n dt h eo f f s e to f c o m u s t i o nc h a m b e r t h r o u g ht h ea n a l y s i so f r e s u l t s ，t h er e s u l ti sa c q u i r e d w i t l lt h ef u e li n j e c tt i m ea n d e n g i n es p e e di n c r e a s e d , c 0 2e m i s s i o ni si n c r e a s e d , a tt h es a m et i m e ，w i t ht h el o a di s i n c r e a s e d ，c 0 2e m i s s i o ni sd e c r e a s e d ，i na d d i t i o n , c 0 2e m i s s i o ni si n c r e a s e da n dt h e n d e c r e a s e dw h e nxo f f s e to fc o m b u s t i o nc h a m b e ri si n c r e a s e d 啊1 er e s u l ms h o wt h a tt h e m o d e lh a sb e e nb u i l tb a s e do nk r 、狐c a l lc o r r e c t l yr e f l e c to nd i e s e le n g i n ec o m b u s t i o n a n dg h ge m i s s i o ni nt h ec y l i n d e r , a n dp r o v i d eg u i d a n c et or e s e a r c h i n gt h ec o m b u s t i o n a n de m i s s i o no ft h ed i e s e le n g i n e k 呵w o r d s ：g h g ：e m i s s i o n ；d i e s e le n g i d e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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= = 艇旦苤油扭氲凼燃烧皇温室氢馇扫 趑研究：。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。 学位论文作者签名：骆 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。 不保密叫( 请在以上方框内打“) 谳粼：溺高名：象峭 日期小o 年多月刁日 船用柴油机缸内燃烧与温室气体排放研究 第1 章绪论 1 1 研究背景 当南极洲上空的臭氧空洞日益扩大；当世界多国出现旱灾、热浪、飓风和龙 卷风等自然灾害；当“人间天堂”马尔代夫面临着消失的危险时，“全球变暖 的现象越来越引起人们的注意。在2 0 世纪，全球平均接近地面的大气层温度上升 了o 7 4 * ( 2 1 1 ，海平面已经上升了2 0 c m 。同时，科学界发现过去5 0 年可观察的气候 改变的速度是过去1 0 0 年的两倍，我们有理由认为该时期的气候改变是由人类活 动所引起的。研究表明，温室气体含量的不断增加正是全球变暖的人为因素中最 主要的部分 2 1 。 全球因人为产生的温室气体主要有6 种：c 0 2 ，c u 4 ，n 2 0 ，c f c ，0 3 和s f 6 气体。国际电工委员会i e c1 6 3 4 号报告对上述6 种气体对温室效应的贡献率排序 显示，c 0 2 约占6 0 ，c 地约占1 5 ，0 3 约占8 ，c f c 1 2 约占8 ，n 2 0 约占 5 ，c f c 1 1 约占4 ，s f 6 约占0 0 1 【3 】。由此可见，c 0 2 对全球变暖所起的作用 较其它温室气体的排放显得更为重要，我们有理由认为它是工业时代以来全球变 暖的主因。 为了控制全球变暖的发展趋势，第4 4 届联合国大会于1 9 9 0 年决定成立政府 间气候变化谈判委员会，协商联合国气候变化框架公约草案。1 9 9 2 年，联合 国环境与发展峰会在巴西里约热内卢召开，通过了联合国气候变化框架公约( 又 称u n f c c c ) 。公约中，发达国家同意在2 0 0 0 年之前将他们释放到大气层的c 0 2 及其它“温室气体”的排放量降至1 9 9 0 年时的水平，但是公约中各缔约方对气候 变化问题综合治理持有不同意见，并没有就此制定出具体可行的措施t 4 1 。为了使全 球温室气体排放量达到预期水平，需要世界各国作出更加细化并具有强制力的承 诺。于是引发了新一轮关于加强发达国家义务及承诺的谈判。历经八届会议，在 1 9 9 7 年，终于形成了关于限制c 0 2 排放量的成文法案。在第三届缔约方大会上对 这一法案内容的研讨、磋商成为大会的主要议题。当本届大会结束时，该公约已 经初具雏形，并以当届大会举办地京都命名，始称京都议定书。依据这一议 定书，发达国家以1 9 9 0 年确立的排放量削减水平为基准，于2 0 0 8 2 0 1 2 年间把 六种温室气体的总排放量减少5 2 。为达到限排目标，各参与公约的工业化国家 第1 章绪论 都被分配到了一定数量的减少排放温室气体的配额。如欧盟分配到的减排配额大 约是8 。发展中国家无须承担任何义务，但被邀请在自愿的基础上参与f 熨。 2 0 0 9 年1 2 月7 , - - 一1 9 日，在丹麦首都哥本哈根召开了联合国气候变化框架公 约第1 5 次缔约方会议暨京都议定书第5 次缔约方会议，也就是我们所说的 哥本哈根世界气候大会。会议超过8 5 个国家元首、1 9 2 个国家环境部长出席，会 议商讨了京都议定书一期承诺到期后的后续方案，并就未来应对气候变化的 全球行动签署新的协议。会议讨论的焦点在“责任共担 ，会议达成了不具法律约 束力的哥本哈根协议，其维护了联合国气候变化框架公约及其京都议定 书确立的“共同但有区别的责任 原则，就发达国家实行强制减排和发展中国 家采取自主减缓行动作出了安排，并就全球长期目标j 资金和技术支持、透明度 等焦点问题达成广泛共识【6 】。 作为世界最大的发展中国家，我国也已经积极行动起来。2 0 0 9 年1 1 月2 5 日， 国务院总理温家宝主持召开的国务院常务会议上，决定到2 0 2 0 年我国控制温室气 体排放的行动目标，并提出相应的政策措施和行动。会议决定，到2 0 2 0 年我国单 位国内生产总值c 0 2 排放比2 0 0 5 年下降4 0 - 4 5 ，作为约束性指标纳入国民经 济和社会发展中长期规划，并制定相应的国内统计、监测、考核办法【7 1 。 在全球减排大环境下，国际海运业也及时加入了温室气体减排的行列。为了 减少海运业温室气体排放，国际海事组织( i m o ) 和海上环境保护委员会( m e p c ) 针对船舶温室气体的减排问题，在执行京都议定书的基础上，做出了很大努 力。 2 0 0 0 年，海上环境保护委员会发布了题为i m o 关于船舶温室气体排放的研 究的研究报告。其主要内容是确定国际海运的温室气体排放量及其在全球总排 放量中的比重，并从技术、营运和基于市场等方面研究减少温室气体排放的方法。 此外，研究还提出了几种可能实现船舶c 0 2 减排的长期和短期措施，如改进主机、 优化船体设计、船体维护、推进器的设计和维护、燃料选择、机械监控、对船舶 纵倾、发动机性能、螺距和舵角的优化等，该研究为i m o 开展进一步工作提供了 坚实基础。 2 0 0 8 年，i m o 完成了“c 0 2 的排放机制”和“c 0 2 的排放标准 。这些计划的 实施使得世界所有新造船与在航船舶受到了严格的温室气体排放标准限制，广大 2 船用柴油机缸内燃烧与温室气体排放研究 发展中国家也将因此陷入接受温室气体减排的被动局面。 2 0 0 9 年7 月，m e p c 对i m o 关于船舶温室气体排放的研究进行了更新， 在m e p c 5 9 次会议上发表了题为第二次i m o 关于船舶温室气体排放的研究的 报告，其主要内容是确定国际海运业现在和未来的排放量，对m a r p o l 附则v i 的实施带来的海运业减排进展进行了分析，并对技术、营运和基于市场等方面研 究减少温室气体排放的方法进行了评判，确定了各种减排方案的减排潜力。最终 预测了国际海运业的未来排放情景以及海运排放对全球气候的影响。中期排放情 况表明，如果不采取政策措施来加以限制，到2 0 5 0 年，由海运业的发展带来的船 舶温室气体排放量将会增加1 5 0 ，达到现在的2 5 0 ( 相比2 0 0 7 年的排放量来说) 【1 2 】。由此可见，海运业温室气体减排已经刻不容缓。 1 2 项目研究的必要性及意义 随着对船舶排放控制的标准越来越严格，海运业方面各种限制温室气体排放 的法规的不断出台，寻求降低船舶柴油机的温室气体排放的方法成了当前船舶行 业所面临的严峻课题之一。因此，开展柴油机温室气体生成机理的研究，提出有 效减少温室气体排放的措施具有十分重要的意义。 近年来，高速、大容量计算机的迅速发展，使得数值模拟结果越来越精确， 如果能够利用一种数值仿真软件建立一种计算模型，使得其模拟结果与实验数据 相吻合，然后在此基础之上调整柴油机的的各种性能参数、几何形状参数等，研 究参数的改变对柴油机燃烧过程和排放的影响，这不仅降低了实验所需费用又提 高了结果的分析效率。为此，本文引进了美国l o sa l a r n o s 国家实验室研究开发的 k i v a 3 v 程序，并建立了船舶主机燃烧数值模拟仿真平台，从降低船舶主机的排 放和功耗，满足日益苛刻的国际排放标准方面进行了研究，这对船舶温室气体的 排放量估算与减排有着重要的实用价值。此外，本课题针对上海柴油机厂生产的 6 1 3 5 型柴油机创建的燃烧过程数值模拟平台，揭示了船舶主机燃烧机理，并对各 参数对主机温室气体排放的影响规律进行了研究，为进一步研究船用柴油机温室 气体排放指明了方向，具有重要的理论意义。 1 3 研究的主要内容 本文基于美国l o sa l a r n o s 国家实验室主持研究开发的k i v a 3 v 程序，对上海 第1 章绪论 柴油机厂生产的6 1 3 5 型柴油机的燃烧与排放进行了数值仿真计算，得到大量的数 据，并对结果进行了分析。 本文首先对内燃机数值研究现状进行了简单介绍，然后利用k i v a 3 v 对上海 柴油机厂生产的6 1 3 5 型柴油机进行了网格划分，进行了数值模拟计算，利用t e c p l o t 3 6 0 处理程序使计算结果转化为直观的平面图形，得到大量动力特性曲线和排放特 性曲线，确定了此船用柴油机的缸内温室气体燃烧与排放。然后在保持柴油机其 它参数不变的情况下，通过改变不同的参数( 如喷油提前角、转速、负荷、燃烧 室偏心量等) ，研究改变这些参数对柴油机的燃烧和温室气体排放物的生成规律的 影响，为柴油机的优化设计提供了指导。 4 船用柴油机缸内燃烧与温室气体排放研究 第2 章内燃机燃烧过程数值研究 内燃机缸内工作过程极其复杂，不仅包含有气体的流动，而且包括喷油、雾 化、蒸发及燃烧过程等等，并且随着活塞运动和进排气阀的运动，流体边界和边 界条件都处于快速的变化过程中，因此要对内燃机的内部工作过程进行仿真是一 件相当困难的工作。直到上世纪6 0 年代，随着高速c p u 、大容量硬盘等高新技术 的问世和飞速发展，内燃机工作过程和燃烧过程数学模型的研究有了突飞猛进地 发展。可以说，内燃机工作过程数值仿真的发展历程，就是一个由简单到复杂、 由粗略到精确、由零维到多维的发展过程1 0 1 。经过这几十年的发展，各种描述缸 内工作过程的模型已日趋完善【l l 】。 2 1 内燃机燃烧数值模拟与燃烧模型 内燃机的燃烧在高压和非稳态条件下进行，燃烧室形状复杂，燃烧的化学反 应机理尚不十分清楚，若要对其进行完整的数值模拟就显得较为困难。此外，内 燃机燃烧过程的数值模拟是一个极为复杂的任务，它囊括了多个学科的知识，包 括传热学、热力学、流体力学、化学反应动力学和数值计算等等，这些特点都增 加了研究的困难，使得内燃机燃烧模拟成为一大难题【1 3 】。但是随着人们研究的不 断深入，内燃机燃烧过程模拟不断向前发展，至今已经形成了较为完善的模型， 按其发展层次和时间顺序，依次经历了单纯燃烧放热率计算、零维模型、准维模 型和多维模型四个发展阶段【1 4 j s ，下面我们一一讲述。 2 1 1 燃烧放热率计算阶段 燃烧放热率的计算，是2 0 世纪5 0 6 0 年代柴油机数值模拟研究的主要工作。 它的基本思想是由实际发动机测得的示功图p 利，通过热力学第一定律，计算 出更直接地反应燃烧过程特征的燃烧规律，其实质是通过数学手段把实验延伸。 放热率的研究不仅为诊断和评价柴油机的燃烧过程和工作循环的合理性提供了手 段和方法，更重要的是形象地展现了燃烧过程的物理图像，为进一步分析和研究 燃烧过程的物理一化学机理，建立预测模型打下了基础1 1 6 - 18 1 ，这种模型迄今在性 能研究中仍受到重视。 2 1 2 零维模型 第2 章内燃机燃烧过程数值研究 零维模型又称单区模型，用于对柴油机燃烧过程的一些宏观性能参数做预测 分析，如示功图随发动机运行工况及燃烧初始参数变化的规律等。零维模型对柴 油机中非定常、非均匀的压力场、温度场、速度场和化学组分浓度场耦合在一起 的实际燃烧过程做了如下假设： ( 1 ) 柴油机气缸内的各物理量在空间上是均匀的； ( 2 ) 缸内工质符合理想气体状态方程。燃料的燃烧为完全燃烧，即燃烧产物全 部变成h 2 0 ，c 0 2 ，n 2 ，0 2 ； ( 3 ) 缸内工质在各瞬时均达到热力学平衡态，工质的状态由质量和能量守恒方 程、理想气体状态方程控制。 零维模型具有描述某一类型发动机的初始及运行参数与发动机的燃烧性能参 数的关系，可以预测同类型发动机的燃烧过程。如果将其并入工作过程的计算程 序，可以预测发动机的一些性能参数( 如油耗、功率及增压配合的选择优化等) 。 这类模型的优点是简单、计算方便、节约计算时间和内存，适用于大的发动机整 机工作过程模拟和整机优化计算。但零维模型所作的假设也带来了缺陷，由于其 把缸内空间看作均匀的，把一些复杂的化学反应的中间过程作了简化，这样就使 得我们无法把握燃烧的本质和其规律性，无法详细了解各参数的改变对温室气体 排放和其它有害排放物的产生过程的影响，也就不能对如何减少温室气体的排放 做出指导。 2 1 3 准维模型 准维模型也叫分区模型，它是为研究和预测柴油机的排放特性及寻求对其控 制的措施而发展起来的。与零维模型相比，准维模型把热力学框架可以应用的范 围拓宽到燃烧过程的变化，从实际燃烧的物理、化学过程出发，建立简化的燃烧 模型。在热力学模型的基础上将整个燃烧过程抽象为喷雾、燃烧( 包括燃烧准备) 、 传热和化学反应等子过程，分别建立子模型，再由燃烧室内总质量、能量守恒及 容积等约束条件确定各子模型的关系，来描述整个燃烧过程，计算排放物的形成。 现在，柴油机燃烧的准维模型大体可以分为两大类：一是忽略燃料雾化和蒸 发过程的气态射流模型f 1 9 】；二是用于燃料油滴的蒸发速率控制燃烧的油滴模型f 2 0 1 。 两类模型都假定燃烧室内压力是均匀的，并假定各喷雾之间相互独立，互不影响， 6 船用柴油机缸内燃烧与温室气体排放研究 建立了各子区的能量及化学反应方程以及传热和排放模型。 1 9 7 5 年，美国c o m m i n s 公司的林慰梓提出了“气态射流模型，1 9 7 6 年，日 本广岛大学广安博之等人提出了“油滴模型，1 9 8 2 年，对它进行了重新修正。此 外，一些专家还从其他角度出发，发展了某些较为特殊而新颖的模型。k o b a y a s h i 和k a m i m o t o 等人提出了一个基于概率密度函数( p d f ) 的模型1 2 l 】。1 9 7 8 年，池上 询从概率密度函数的概念出发，借用了化学反应工程的碰撞一弥散模型，从而发 展了一个柴油机燃烧的随机模型嘲。 准维模型相比零维模型虽有了很大进展，但它仍然以曲轴转角为唯一自变量， 这样有着计算时间少的优点，但是很难对燃烧室几何参数和缸内气流变化对柴油 机燃烧过程和有害排放物的产生的影响做出准确的评估，这就限制了准维模型的 发展。为了更好的模拟缸内参数的变化对柴油机燃烧过程和排放物的影响，就产 生了后来的多维模型。 2 1 4 多维模型 多维模型较前面的零维模型和准维模型有了很大的发展，是一种较为精细的 模型，它考虑了燃烧室中的压力、温度、工质成分等基本参数的多维空间分布， 通过求解支配燃烧现象的物理、化学方程的基本微分方程，来确定工质的流动特 性及相关燃烧产物的组分、浓度等参数的空间分布【2 3 1 。它几乎包含了缸内燃烧过 程所涉及的各个领域，如湍流、燃烧化学反应和传热等。随着人们研究的不断深 入，现在多维模型已经可以与些子模型，如湍流运动、化学反应子模型等，结 合适当的边界条件，对内燃机缸内的气体流动、预混燃烧和扩散燃烧等进行模拟。 多维模型在对柴油机缸内燃烧模拟过程中，做出了以下假定： ( 1 ) 在某一瞬时，柴油机气缸内的压力均匀； ( 2 ) 气缸中的空间分为空气区、燃烧区和燃烧产物区三部分； ( 3 ) 从燃烧开始时，燃烧产物区的温度随时间的变化关系独立于其它分区： ( 4 ) 每一区中的混合物特性均匀。 多维模型是现阶段最为精细的仿真模型。它解决了零维模型和准维模型无法 解决的问题，可以对燃烧室几何参数和缸内气流变化对柴油机燃烧过程和有害排 放物的产生的影响做出准确的评估，是现阶段数值模拟的主流。 第2 章内燃机燃烧过程数值研究 上述几类内燃机燃烧模型可以根据实际情况来分析解决各类问题。例如，零 维和准维模型可以进行一些变参数研究，讨论运行变量的变化对内燃机动力性能、 效率和排放的影响。然而当我们想要知道内燃机缸内流动的细节时，多维模型则 表现出明显的优点。随着高速c p u 和大容量硬盘等高新技术的发展，多维模型成 为了现阶段最为常用的燃烧模型。 2 2 内燃机缸内工作过程仿真c f d 软件简介 随着对内燃机燃油经济性和排放的要求不断提高，国内外相关机构纷纷对内 燃机缸内燃烧进行研究，这就需要对内燃机缸内燃烧实现可视化，因此出现了一 大批c f d 软件并得到了广泛运用，取得了良好的效梨1 0 l 。 国外在c f d 软件方面开展工作较早，目前用来模拟缸内工作过程的常用软件 主要有k i v a ，f i r e ，s t a r - c d ，f l u e n t ，s c r y u ，p o w e rf l o w 等等。这些 程序的差异主要表现在各种描述燃烧和流动过程的物理、化学过程模型的不同有 机组合以及采用不同的数值方法上，不同的软件在不同应用领域有各自的优势。 k i v a 系列程序由美国l o sa l a m o s 国家实验室主持研究开发，采用f o r t r a n 7 7 语言编写，由于其源程序是开放的，研究者们可以基于原有模型，根据自己的需 要添加程序，使得k i v a 更加符合自己的使用要求，这加快了k i v a 的发展，提高 了k i v a 的适用性。目前k i v a 主要用于模拟实际燃烧装置中的空气流动、燃油喷 雾、燃烧和排放。 f l u e n t 程序是一种有代表性的c f d 软件，它提供了友好的用户界面，并为 用户提供了二次开发接口( u d f ) ，采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术， 因而f l u e n t 能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解 的自适应网格技术及成熟的物理模型，使f l u e n t 在传热与相变、化学反应与燃 烧、多相流、旋转机械、动变形网格、噪声等方面有广泛应用 2 4 1 。 s t a r - c d 是c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c s 公司开发出来的第一个采用完全非结构 化网格生成技术和有限体积方法来研究工业领域中复杂流动的流体分析商用软件 包。它能够对绝大部分典型物理现象进行建模分析，并且拥有较为高速的大规模 并行计算能力，可以应用到工业制造、化学反应、结构优化设计等许多领域的流 体分析。此外，s t a r c d 可以同全部的c a e 工具软件数据进行连接对口，这大 8 船用柴油机缸内燃烧与温室气体排放研究 大方便了各种工程开发与研究。 奥地利a v l 公司开发的发动机专用三维模拟软件f i r e 依靠其强大的试验力 的支持，最近发展也相当快。f i r e 不仅能求解通用流动问题，也能求解复杂的内 燃机缸内流动和燃烧等现象【l o 】。 针对我国国情，我国内燃机行业的科技工作者在消化吸收国外软件的精髓的 基础上进行了研发，也开发了大量面向微机的多维数值模拟程序。 1 9 8 5 年，大连理工大学率先完成了缸内轴对称二维层流流动的计算模拟、喷 雾模拟、二维燃烧数学模型模拟等缸内过程的模拟工作1 2 5 1 。1 9 9 5 年，吉林工业大 学的许思传等人开发了内燃机缸内多维气流运动模拟程序s u n i t 2 6 1 ，华中理工大 学的贺萍等开发了大型微机化软件包- - g e f s m t 2 r l 。1 9 9 8 年，同济大学的杜爱民、 江苏理工大学的朱诞章等推出了柴油机工作过程的三维模拟程序e n g i n e c f d 1 1 1 2 4 1 。1 9 9 9 年，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室蒋勇等开发设计 了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i p i c c f d l 2 趴。 2 0 0 0 年，北京理工大学的杜巍等在吸收了国内外的先进经验和过去开发r e s 2 d ， r e s d 一2 d ，r e s 3 d 等程序的基础上，开发了大型内燃机燃烧过程多维模拟程序 r e s 3 d i i 等【2 9 1 。 这些国内大型内燃机工作过程数值仿真程序，充分吸收和采用已有的国外先 进的技术成果，其中具有较高的实用价值就是k i v a ，k i v a 程序集中的数学模型 和数值方法的开发成功，缩短了我国与发达国家在这一领域的差距，也为内燃机 企业开发新产品提供了有力的技术支持，对于推动我国内燃机事业的迅速发展起 着不可估量的作用。 2 3 内燃机工作仿真技术存在的问题及发展方向 随着研究的不断深入，内燃机工作过程的模拟理论和技术已经不断完善，其 在内燃机设计和研究中的作用己得到公认，但仍存在一些不足有待改进1 3 0 3 1 】： ( 1 ) 当前的仿真数学模型大都是基于物理模型或相似模型的基础上建立的，在 建立过程中进行了简化、抽象和假设，这加大了计算结果与实验结果的偏差； ( 2 ) 目前采用的仿真数学模型，其中的部分系数和边界条件的确定仍需借助实 验解决，无法成为一种独立的研究手段； 9 第2 章内燃机燃烧过程数值研究 ( 3 ) 数学模型中采用的通用数值或推荐值，是通过经验公式或者在不同的条件 下和不同的内燃机上实验获得的，普适性较差，在应用时必须根据实际情况恰当 选择参数，否则难得到满意的结果； ( 4 ) 目前很多c f d 仿真软件是针对特定的工作过程和特定的机型编制的，软件 的可移植性和可扩充性较差。 虽然存在不足，但内燃机循环模拟所带来的便利及体现出来的优越性越来越 明显，尤其是对于新型内燃机的研制、选型及改进等方面，仿真软件的应用节约 了大量的人力物力，提供了极大的方便。为了使仿真软件更好的为科技工作者服 务，今后开展仿真研究工作应重点从以下几方面发展： ( 1 ) 探讨适合内燃机工作特点的仿真方法，在保证计算精度和计算速度的前提 下，建立具有普适性的模型； ( 2 ) 注意从内燃机整机性能进行模拟研究，建立简单、概念明确的模型； ( 3 ) 软件的结构应具有较好的可移植性和扩充性； ( 4 ) 注重排放的研究和模拟，特别是温室气体的排放； ( 5 ) 采用友好的用户界面，方便用户使用。 2 4 本章小结 本章简要地介绍了内燃机数值模拟的发展历程，从燃烧放热率计算阶段、零 维、准维到多维模型，分别讲解了它们的概念、特点及在内燃机燃烧研究中的地 位与作用，得出多维模型是现阶段最为精确的模型，然后简单介绍了现阶段常用 的内燃机缸内工作过程仿真c f d 软件以及国内的发展成果。其中，k i v a 系列程 序代表了当今内燃机燃烧模拟的最新成就，由于其源程序是开放的，研究者们可 在其原有模型的基础上使其更加完善或更适用于某一特定情况，因此许多国家的 研究者运用k i v a 程序进行内燃机工作过程的理论研究与探索。本章最后阐述了目 前内燃机工作仿真技术存在的问题以及发展方向。 l o 船用柴油机缸内燃烧与温室气体排放研究 第3 童k i v a 程序概述与运用 k i v a 程序主要是用于计算各种内燃机燃烧流动过程的多维大型通用程序，它 是一个用于科学研究的实验性程序，而并非用于生产开发的商业性程序。k i v a 3 v 采用f o r t r a n 7 7 语言编写，目前较为常用的是通用的多系统平台版本，不像原来的 k i v a i i 针对c r a y 系列计算机运行而编写，所以可以更为方便地移植到现在的工 作站或p c 机上使用1 3 2 矧。由于其源程序是开放的，研究者们可以基于原有模型， 根据自己的需要添加不同的模型和子程序，使得k i v a 更加符合自己的使用要求， 这加快了k i v a 的发展，提高了k i v a 的适用性。值得一提的是，k i v a 程序虽然 在设计之初是以模拟内燃机为目的的，但随着它的不断发展与完善，现在也可以 用于燃气轮机、工业炉和加热器等燃烧装置。 已经商业化的k i v a 系列源程序给人们进行燃烧过程的数值模拟研究提供了 一个现成的框架和基础，正是这一优势使得众多的科研人员加入到k i v a 的发展中 来，极大地激活了k i v a 的生命力。其对内燃机工作过程模拟的结果显示出，它可 以有效地模拟柴油机缸内燃烧和排放，是研究缸内燃烧和排放的有用工具。此外， 它还对新发动机的概念设计作出指导，这一点使得k i v a 的实用性大大增加，这一 结果是令人鼓舞的。正因为如此，k i v a 系列程序得到了越来越广泛的应用。 为此，本文选用k i v a 软件作为本文数值模拟计算分析的基础平台，下面主要 针对第二版的k i v a 3 v 程序作出介绍。 3 1k i v a 模型控制方程 流体运动作为物质运动的一种形态，就必须符合自然界中关于物质运动的某 些普遍规律【3 4 ，3 5 1 ：1 ) 质量守恒定律；2 ) 能量守恒定律；3 ) 动量守恒定律等。对所研 究的连续流体对象可以利用不同的方法建立模型进行离散化，常用的建模方法包 括有限差分法、有限容积法和有限元法【3 6 1 。k i v a 3 v 使用的是有限容积法。反映 流体运动及其内在因果关系的流体动力学方程就由这些守恒方程组成。 本节常用的向量表示为： 缸内流体任意点伍矽的速度为z ，= 甜似y , z , o ，v - = v ( x , 彤互砂，w = w 仁y , z , o x ，y ，z 方向的单位向量分别用7 ，歹，毒表示。 第3 章k i v a 程序概述与运用 定义位移矢量i 为：i = 订+ 谚+ 五 流体速度矢量厅为： 厅= u ( x ，y ，z ，r ) - + 如，y ，z ，t ) j + m ，y ，z ，r 谚 矢量算子v 为：v ：7 旦+ 7 旦+ 石旦 缸。加昆 3 1 1 质量守恒方程 组元m 的连续性方程 鲁小c 气班亏p 卜点。 ， 其中：p 广组分m 的密度，k g m 3 ；少一总密度，k g m 3 ；i i 一流体速度，m s ： = 。一组分m 的化学反应源项；= 一喷雾蒸发的质量源项；d 扩散系数；如j d i r a c d e l t a 函数( m = 1 ，a m ，= 1 ；m 1 ，如尸0 ) 。 根据定义，组分m 的质量分数y m 和扩散系数d 为： 匕：盟，d ：敏，s c 为s c h m i d t 数； 总的流体连续方程，可以通过对所有组分求和得到，如式3 2 。 粤+ v ( 司) ：兰 ( 3 2 ) 3 1 2 动量守恒方程 动量守恒方程可以表示为式3 3 ： a 譬m ( 刊= 一吉跏唧( 引m m 。+ 雩 ( 3 3 ) 其中：卜压力梯度尺度系数，用于低马赫数流动计算的收敛：卜流体压力，p a ； l 【_ 湍流的脉动动能，k j m ，；卜粘性应力张量，n m ；季一比体积力，一般认为 是常数；户5 一喷雾产生的单位体积的动量增加量，k g ( m 2 砂；彳旷- 常数，层流时， a o = o ，湍流时，a o = l 。 3 1 3 能量守恒方程 能量方程可以写成温度、静焓、滞止焓和内能的形式，对于内燃机缸内这种 流速较高的流动，为防止动能的计算误差影响到内能k i v a 采用内能方程的形式： 船用柴油机缸内燃烧与温室气体排放研究 a 掣+ v ( 引) ：一却i j + ( 1 4 y ：v 厅一v 3 + 4 v + 玉参 ( 3 4 ) 其中：i 一除去化学能的比内能，k j k g ；卜流体温度，足；k 一组分m 的比 焓，肜；忌一热传导系数；q 一由化学反应引起的内能变化源项；q 一由喷雾引起 的内能变化源项；卜湍能的耗散率；了热流矢量，为热传导和焓扩散两部分的 总和，尉。 歹= 一网丁一司阮v ( 气= ) 】 ( 3 5 ) 3 1 4 化学成分守恒方程 k i v a 提供了两种化学反应计算方法，动力学反应和平衡反应，两种反应在计 算中的切换由两个温度限值t o u t 和t e u t e 来控制，环境温度低于t c u t 时不计算化学 反应，高于t c u t e 时采用平衡反应计算，介于两种之间时采用动力学反应计算。 通用的化学反应方程式表示为： 口。，x 。e b = r x r a ( 3 6 ) 其中，代表l m o l 量的组分m ；，k 为化学反应方程系数。 对于化学动力学反应r ，其反应速率表示为： ，、略，、 几= b 耳l 考j 咆r 耳l 孝j ( 3 7 ) 其中，知、分别为第r 个反应的正向、逆向反应速率系数；口：，、醛，为反 应指数，不一定等于、6 胛，可用经验反应指数。 ( 2 ) 对于化学平衡反应r ，其反应速率0 3 ，隐式取决于a 阶段组分密度p 棚的限制 条件： u 和礤州 b 8 ， 式中：k c 仃) 浓度平衡常数，只取决于温度。 3 2k i v a 3 v 的主要模型 本文主要对船用柴油机缸内燃烧与排放进行了研究，因此，在这里，我们重 点关注一下k i v a 3 v 中与燃烧与排放有关的子模型，介绍如下： 3 2 1 计算网格 第3 章k i v a 程序概述与运用 网格分为结构化网格、非结构化网格和分块结构化网格三大类。k i v a 程序本 身带有的二维或三维网格生成器属于分块结构化网格。分块结构化网格是介于结 构化网格和非结构化网格之间的一种新的网格生成技术，兼有二者的优点。它比 结构化网格具有更强的适用于复杂几何边界形状的能力，同时又不像非结构化网 格那样过于复杂【明。此种形式采用网格拼接技术，将复杂的几何形状划分为许多 几何形状简单的区域，每一区域单独生成自己的网格，然后拼接成一个整体。拼 接前，每一块网格有自己独立的逻辑和物理坐标，但拼接后的网格逻辑坐标消失。 网格之间逻辑坐标的关系通过图3 1 所示的六点相邻关系确定。 76 1 1 = 1 1 t a b ( 1 4 ) 1 2 = 1 3 t a b ( i1 ) 1 3 = 1 3 t a b ( 1 4 ) 1 5 = 1 8 t a b ( i1 ) 1 6 = 1 8 t a b ( 1 2 ) 1 7 = i1t a b ( 1 3 ) 1 8 = i1t a b ( 1 4 ) j m t a b ( 1 4 )1k m t a b ( 1 4 ) 图3 1 计算网格顶点逻辑关系 f i g 3 1l o g i c a lr e l a t i o n so fc o m p u t i o n a l 鲥dv e r t e x k i v a 3 v 采用的是块结构化的任意六面体计算网格，可以构造较为复杂的流动 计算区域，计算时网格可以任意运动并能进行网格的重整以调节网格的疏密程度， 所以非常适合于内燃机这种做往复式运动的流场的计算。气阀模型使得k i v a 程序 可以模拟完整的四冲程发动机工作循环，涉及气体流动、喷油、传热、燃烧和废 气的生成等，几乎包括了发动机工作过程中的所有物理现象3 8 , 3 9 1 。 3 2 2 流场计算和湍流模型 k 1 v a 3 v 的流场计算在空间上对扩散项采用中心差分格式离散，对流项采用准 二阶迎风格式离散，在时间上使用显隐结合的方法兼顾e u l e r i a n 和l a n g r a n g i a n 两 种计算方法。程序中提供了两种湍流模型供用户选用。一种是标准的抽模型但作 了压缩性修正，其方程中考虑压缩性的附加项系数取为c ，= 一1 0 ，但在对流项 1 4 船用柴油机缸内燃烧与温室气体排放研究 计算中，用湍流积分尺度7 代替了提高s 计算精度。边界层的动量和能量传递采用 经修正的双层壁函数。另一种是重整化群( r n g - r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ) k - e 模 型，它的原理与标准的缸s 模型基本相同，但是它考虑了平均拉伸应力和流体压缩 性的影响，该项的系数和前面提到的系数c 妇均为流体变形速率的函数，这样使得 模型的适用范围更宽。原来k i v a i i 中的亚网格尺度模型( s g s ：s u b g r i ds c a l e ) 由 于计算效果差在此后的版本中已被删去。 3 2 3 化学反应及燃烧模型 柴油机的缸内燃烧是一个复杂的过程，它除了包含流场和湍流外，还包含有 复杂的化学反应，如c o 、c 0 2 、n o x 和碳烟等的生成等，不同的化学反应的速度 差别很大，有些化学反应过程较为缓慢，有些化学反应过程极为迅速，所以我们 在处理这些反应过程的时候不能统一而论。为此，k i v a - 3 v 中认为反应迅速的化 学反应的目的是使化学反应趋于平衡，从而假设快速化学反应处于瞬态平衡中， 采用部分平衡流方程来模拟燃料的氧化和污染物的形成。 部分平衡流把全部化学反应分为两种平衡反应和动力学反应。其中平衡 反应主要是指反应进行速度