柴油机喷雾燃烧过程试验与数值模拟研究

1、5月29日培训内容安排柴油机喷雾燃烧试验和数值模拟研究计算流体力学CFD在内燃机开发中的应用柴油机排气系统及尿素还原系统SCR优化设计CFD分析汽油机排气系统及三元催化器TWC优化设计CFD分析后处理装置化学反应动力学柴油机喷雾燃烧过程试验与数值模拟研究余皎博士2007-05-29第二期发动机CAE分析技术高级培训班内容提要柴油机喷雾过程试验研究柴油机喷雾过程数值模拟柴油机燃烧过程试验研究柴油机燃烧过程数值模拟柴油喷雾过程柴油喷雾是一个瞬态,发生复杂的物理和化学应的多相流过程;燃油雾化、液滴的破碎,蒸发,燃油与燃烧室壁面碰撞;燃油混合气在燃烧室空间分布;燃油与空气混合质量是影响燃烧好坏的关键;

2、喷雾过程模拟准确与否是燃烧性能模拟好坏的前提;激光诊断技术 Rayleigh ScatteringPlanar Laser-inducedFluorescence Raman ScatteringMie Scattering 喷雾燃烧激光诊断系统 Sandia喷雾研究定容装置 燃油撞壁过程 内容提要柴油机喷雾过程试验研究柴油机喷雾过程数值模拟柴油机燃烧过程试验研究柴油机燃烧过程数值模拟拉格朗日多相流气体以连续相方程描述,喷雾液体以离散相方程描述,耦合求解连续相和离散相方程相同特性的粒子(droplet属于一个粒子包(parcel,求解连续相和离散相的动量,质量,热量交换,以及求解离散相的运动轨

3、迹计算时考虑湍流扩散对粒子的影响拉氏方法同时适用于气液/气固/液固两相流描述燃油喷雾的主要方法喷雾模型雾化模型破碎模型粒子间相互作用撞壁模型沸腾模型液滴与气体之间的相互作用多组分蒸发湍流扩散 液滴-气体之间的相互作用传质 蒸发沸腾传热 内容提要柴油机喷雾过程试验研究柴油机喷雾过程数值模拟柴油机燃烧过程试验研究柴油机燃烧过程值模拟Sandia燃烧研究光学发动机 直喷式柴油机喷雾发展过程 柴油喷雾燃烧新概念模型 传统燃烧过程的-T图 (1Intake of a premixed charge(2The charge is compressed(3The charge is compressed f

4、urther(4Infinitesimaly later传统柴油机燃烧与HCCI燃烧区别 传统燃烧和HCCI燃烧循环温度对比 EGR对滞燃期和燃烧温度的影响 内容提要柴油机喷雾过程试验研究柴油机喷雾过程数值模拟柴油机燃烧过程试验研究柴油机燃烧过程数值模拟柴油机燃烧模型组成shell自燃模型柴油燃烧模型污染物生成模型NOx模型Soot模型Shell自燃模型Shell模型是在退化分枝链锁反应机理基础上提出的8步反应,通过链引发,链传播,线性链中断,二次链中断,退化支链过程来表述自燃过程。当温度大于某一固定值如1100K 或者温度随时间变化大于106 K/s时自燃过程停止,燃烧开始。自燃模型可以模拟

5、冷火焰的传播,两级自燃。通过控制温度来控制从两级自燃到一级自燃。燃烧模型:涡破碎模型(EBU在湍流燃烧时,燃料蒸气和氧气均以大小不等并做随机运动的涡团形式存在,燃烧在这两类涡团的界面上进行,因此反应速率取决于两类涡团破碎成Kolmogorov尺度的速率,反应速率由下式决定: 汽油机和柴油机都可选用涡破碎模型,主要区别在于A,B两个经验系数不同汽油机的爆震模拟采用4步shell模型燃烧模型:LTCT模型组分m的反应速率利用组分m的质量分数与组分m的质量分数的局部瞬时的热力学平衡值的差值与特征时间之比来表示。燃油化学反应速率由下式计算: 反应特征时间是考虑有限反应速率(实际情况与无限反应速率(平衡

6、状态的偏离,由于平衡状态的特征反应时间为零,因此可用特征反应时间来代表真实反应与理论反应的偏差程度,也就是说特征时间是反应完成平衡所需的时间。为了精确计算平衡温度,一般取7种组分,即燃料,O2,N 2,CO2,CO,H2和H2O。燃烧模型:ECFM-3Z模型 污染物生成模型:NOx生成机理包括Thermal 模型,Prompt模型和Fuel模型。Thermal模型中NOx通过空气中的N2和O2在高温下反应生成。反应机理是扩展了的Zeldovich机理。Prompt模型中NOx是由于碳氢原子团和空气中的氮反应生成。它受温度影响小,在通常情况下,Prompt生成的NOx 占总的NOx比例很小,可以

7、不考虑。它不受Zeldovich机理控制,而是通过碳氢原子团生成,在浓混合气火焰中, CH原子团比较多,有利于它的生成。Fuel模型NOx是由于燃料中的氮组分和氧反应所生成。对于煤和重油的燃烧,燃料中的氮是NOx排放的一个重要的组成部分。在内燃机中只出现Thermal模型和Prompt模型(Building blocks Soot emissions内燃机运动网格 气门关闭后,气道的网格排除在计算范围之外气门开启后,排气道和进气道的流体单元属性与气缸流体单元属性改为同一类型 -2ATDC(点火NO distributionCHEMKIN模拟HCCI燃烧主要是内燃机燃烧过程模拟燃烧过程详尽的化学反应机理分析燃烧产物的生成机理和排放预测敏感性分析,为STAR/KINetics提供简化的反应机理燃油添加剂和代用燃料自燃和爆震汽油机火焰传播速度降低排放,后处理装置(三元催化器-(表面化学反应V(t=180º=540ºHCCI发动机模拟-2利用n-heptane(C7H16代替汽油两种C7H26 燃烧化学反应机理详尽化学反应机理(LLNL超过500种物