TBD620柴油机缸内工作过程仿真研究

利用PRO／E建立TBD620柴油机的进气道和燃烧室三维模型;并在FIRE软件中对进气、压缩和燃烧过程进行仿真计算。分析了TBD620柴油机双进气道可控涡流系统对缸内涡流、油气混合和燃烧排放特性的影响。结果表明,低负荷工况时关闭双进气道可控涡流系统的进气控制阀能显著改善缸内混合气的形成,提高柴油机燃烧及排放性能。     

高涡流比对低速双燃料船舶发动机天然气/空气混合及燃烧性能的影响

以X92DF超大缸径低速二冲程双燃料船用发动机为研究对象,基于三维数值计算分析了天然气和空气混合过程及燃烧特性,并研究了扫气和燃烧过程中缸内涡流强度对混合质量和火焰传播的影响。结果表明：由于上止点前缸内天然气和空气的混合气浓度分布不均,造成局部高浓度区域出现燃烧异常现象,导致缸内压力振荡幅度增大。通过分析不同涡流强度对缸内天然气/空气的混合质量的影响可以得出,随着扫气过程中涡流强度的增大,上止点前缸内天然气高浓度区域面积明显减小,表明天然气和空气的混合质量得到明显提高。同时,随着缸内涡流比的增加,加快了预燃室射流火焰在主燃烧室内的传播速度和缸内天然气的燃烧速度。进一步研究得出缸内混合质量的提高可以有效地避免局部异常燃烧现象和降低压力振荡。最后,提出一种改善缸内混合质量和减小压力振荡的策略,为液态天然气在船机上的普及提供了一定了理论基础。     

汽油机可变涡流进气管的循环模拟研究

研制了一种阀片式可变涡流进气管,采用嵌入该结构的1.4L汽油机循环模拟模型,探讨了基于循环模拟研究汽油发动机缸内涡流运动的途径,分析了可变涡流进气管对汽油机性能、油耗和排放的影响.研究结果表明:该结构可以实现对缸内涡流运动强度进行调节,进气终了时涡流比调节范围为0～2.2,在不影响发动机中低转速动力性能的前提下,可以降低燃油消耗率为5%左右,同时改善HC和CO排放.     

不同过量空气系数下射流点火发动机燃烧、排放和爆震特性的试验研究

基于单缸试验机研究了过量空气系数对射流点火发动机性能的影响.通过分析发动机性能曲线、缸内燃烧情况及爆震特性探究射流点火最佳运行区间,并与火花点火燃烧方式进行对比.结果表明,射流点火可以有效提升瞬时放热率并拓展发动机稀燃极限,缩短缸内混合气滞燃期与燃烧持续期,同时燃油经济性有一定提升.在稀燃条件下氮氧化物排放极低.爆震方...     

柴油机进排气过程的三维数值模拟

利用瞬态可压缩黏性流体微分方程和k-ε两方程紊流模型,采用有限体积法对某柴油机单缸进排气过程进行了三维数值模拟。计算结果表明:进气过程中缸内涡流的产生是由于进气流带动缸内空气由小涡流转变成大涡流,且大涡流是偏心的;排气涡流是由于受气门阻力产生气流回旋而生成的,最大气流速度集中在远离排气口的地方;柴油机转速对缸内气流变化影响较大。     

进气系统耦合燃烧室形状对船用柴油机燃烧和排放的影响

以AVL程序为计算平台,采用Boost和Fire软件分别建立柴油机一维和三维仿真模型进行模拟计算,利用Miller循环和EGR技术来降低缸内燃烧温度,并通过燃烧室和涡流比的合理匹配来改善缸内的油气混合,从而减少排放物生成,满足越来越严格的排放法规.结果表明,随进气门关闭正时的提前,缸内温度逐渐降低,NO_x排放减小,但进气门关闭过早会增加NO_x排放;燃烧室结构的优化并匹配合理的初始涡流比能够改善缸内流动,进一步减少排放,增加指示功率;EGR策略可以弱化缸内高温分布,减少NO_x排放,但碳烟排放有所增加.采用改进的燃烧室和涡流比并匹配Miller循环和EGR技术可使NO_x排放降低96.5%,,同时使功率输出略有增加.     

四气门柴油机缸内涡流形成过程试验研究

在稳流模拟试验台上,利用研制的缸内三维流场测量装置,运用热线风速仪测量了四气门柴油机缸内不同高度横截面的三维流场,通过对大量试验数据的分析,揭示了四气门柴油机缸内涡流的形成过程及气门开度对其影响的变化规律。四气门柴油机缸内涡流主要由气缸周边处的强气流产生;缸内主涡流出现在两进气道气门的下方,随气门开度的增大而增强;副涡流出现在远离进气门一边,随气门开度的减小而减强。当缸内空气主涡流动量矩流率与缸内空气总动量矩流率近似相等时,就形成了始稳面,始稳距离随气门开度的减小而增大。     

在螺旋进气道内喷气的柴油机可变涡流进气系统

设计了一种在螺旋进气道内喷射空气的柴油机可变涡流进气系统——喷气式可变涡流进气系统。对该系统的稳流气道试验表明,喷嘴在特定位置上向气道内喷射空气,可以增强或者降低气缸内涡流强度。通过稳流气道试验,确定了最大程度改变缸内涡流强度的最佳喷嘴安装位置及空气喷射方向,选择了喷嘴尺寸及空气喷射压力,并测定了不同喷射压力下,气缸内涡流比与模拟发动机转速的关系。对该系统做了单缸柴油机试验,结果表明,喷气式可变涡流进气系统基本不影响充气系数,但通过该系统对气缸内涡流强度的调节,有效地改变了发动机的排放性能     

直喷式柴油机燃油喷雾碰壁与空气卷吸模型的研究

本文提出了一个适合在准维模型中使用的直喷式柴油机喷雾碰壁与空气卷吸的数学模型。采用紊流射流理论推出了新的壁面射流计算公式,并在正确描述喷注贯穿的基础上建立了有涡流作用的空气卷吸模型。该研究结果用于准维模型的理论计算与实测结果吻合很好,证明了模型的实用性。     

进气加湿耦合涡流比对船用柴油机燃烧和排放的影响

针对某一款四冲程船用柴油机,利用商业模拟软件AVL-Fire建立柴油机三维数值模型,研究进气加湿耦合涡流比对燃烧的影响以及改善NOx和碳烟折中关系的潜力,给出优化方案,得到满足TierⅢ排放法规的技术路线并保证指示燃油消耗率增长在2%以下.结果表明,加湿率增大,缸内温度和压力的峰值均降低,且最大降幅都约为2%;滞燃期延长,燃烧重心后移,对燃烧热效率不利.缸内温度和进气氧浓度的下降有效降低了NOx排放,最大降低幅度约为56.7%.一定的涡流比可以促进油气混合,而太大的涡流比会降低油束贯穿距,使喷雾前端偏转角度增大,影响油气混合.涡流比的增大对NOx和碳烟的排放形成先增后降的影响,在涡流比为0.5时碳烟排放最低.此外,对各种进气加湿率和初始涡流比获得的结果进行优化,其中有9种算例同时降低了NOx和碳烟排放,并且在初始涡流比为0.50时,加湿率100%和80%的两种方案满足TierⅢ的排放标准.     

Fluid flow and heat transfer in plasma reactors—I. Calculation of velocities,temperature profiles and mixing

A mathematical representation has been developed to describe the velocity field and the associated temperature and concentration fields in a plasma jet system, which involves the injection of additional gas streams. In the statement of the problem, allowance was made for the swirl of the plasma jet, and one important objective of the work was to explore the effect of this swirl on the principal process variables. It was found that swirl plays an important role in providing mixing between the plasma jet and a reactant or diluent gas stream introduced through an annular port. It was shown, furthermore, that the model may be used for representing the quenching of the system by an axi-symmetrically introduced gas stream, having a direction perpendicular to the axis of the jet.     

空气运动对小型直喷式柴油机着火前喷雾混合过程的影响

本在单缸试验柴油机上，采用同步摄影技术，研究了空气运动对不型直喷式柴油机着火前喷雾混合过程的影响。试验结果表明，进气涡流对油束的吹偏作用较小；提高涡流强度使油束保持不被“撕裂”的初始段减小，碰壁前油束端部平均速度降低，油束喷雾锥角增大。提高涡流强度还使油束背风面的“撕裂”程度加剧，顺涡流方向壁面油束扩展加快。着火前燃油喷雾沿燃烧室径向分布与涡流强度和在周向气流作用下油束碰壁后的“撕裂”程度有关。     

采用旋流拱顶燃烧器的W型锅炉炉内流动特性

采用旋流燃烧器,可以强化燃烧器出口煤粉气流的着火,配合采用燃烧器内部分级燃烧方式后,也有利于降低污染气体的排放。但采用旋流燃烧器后,由于W型锅炉燃烧的特殊性,给锅炉的设计和运行带来了新的情况,如对旋流燃烧器在W型锅炉拱顶采用旋流燃烧器后炉内的空气动力特性不能很好得到掌握,不但得不到旋流燃烧器所带来的优点,还会引起很多问题。本文对采用旋流燃烧器的W型锅炉的炉内多相流动特性进行分析,并与相应的采用直流燃烧器的W型锅炉进行对比,指出在采用直流燃烧器的W型锅炉设计中常采用的参数在采用旋流燃烧器时可能会出现的问题,并提出了改进的方法。     

旋转气体介质对环膜液体射流破碎不稳定性影响的研究

利用线性不稳定性理论研究了旋转气体介质对黏性环膜液体射流破碎的影响。研究结果表明,无论是轴对称模式还是非轴对称模式,由液体环膜内部气体介质旋转所产生的离心力是液体射流的失稳因素,有助于液体射流的破碎。另外,由液体环膜外部气体介质旋转所产生的离心力是液体射流的促稳因素,不利于液体射流的破碎。当相同强度的旋转同时存在于内部和外部气体介质中时,对于轴对称模式,内部气体介质的影响显著,而对于非轴对称模式,则外部气体介质的影响更为明显。通常情况下,非轴对称模式的扰动增长率强于轴对称模式的扰动增长率,因此会在环膜液体射流的破碎中占据主导地位。     

涡流运动降低柴油机混合气浓度及碳烟排放的数值分析

为了揭示涡流运动对柴油机混合气形成及碳烟排放的影响规律，采用经过实验验证的喷雾及湍流模型，用CFD数值分析软件对某车用柴油机燃烧室内不同涡流条件下柴油喷雾的混合气浓度、速度矢量场、燃油液滴空间分布及油束特性进行了模拟计算．模拟结果表明，当涡流比从0到5．0依次增大时，过喷孔轴线的铅垂面内喷雾浓度场局部浓区燃空当量比逐渐降低，而过喷孔轴线且与铅垂面垂直的平面内喷雾浓度场局部浓区的燃空当量比则先降后升，而不是逐渐下降．只有合理选择剖切平面，即选择过喷孔轴线且与铅垂面垂直的平面，才能正确评价涡流运动对燃烧室内混合气浓度分布及碳烟形成区域分布的影响规律．组织燃烧室内气流运动，须兼顾与气缸轴线垂直的水平面内的涡流运动和过气缸轴线的铅垂面内的湍流或滚流运动．涡流比太大，铅垂面内的湍流或滚流太弱，会削弱喷雾射流对燃烧室底部空气的卷吸，降低燃烧室底部的空气利用率．随涡流比增大，射流顺涡流方向的弯曲度增大，不同喷孔的油束会发生相互干涉，在靠近气缸中心的区域内形成局部浓混合气，不利于降低碳烟排放．对具体的燃烧室结构和喷油系统，合理匹配涡流运动十分必要．     

降低小型柴油机排放的试验研究

从生物混合燃料成分、燃烧室结构和排气再循环等方面探索降低柴油机排放的方法。通过对柴油机排放性能的大量试验研究,结果表明:对于直喷式柴油机,生物混合燃料的NOx排放与柴油的排放基本相当,碳烟排放则比柴油有较大幅度的降低,而涡流室柴油机,NOx的排放量却有大幅度的降低,碳烟排放则比直喷式柴油机有更大幅度的降低,生物燃料的添加比例对NOx的排放影响不大。柴油机采用排气再循环技术后,混合燃料的碳烟排放仍比柴油少,混合燃料可以承载一定的EGR率而不增加碳烟排放。排气再循环可以大幅度地降低NOx排放且与EGR率有关,与燃料的性质关系不大。涡流室柴油机采用生物燃料和排气再循环,可以同时降低NOx和碳烟的排放,排放效果非常优良。     

A simulation of the combustion of hydrogen in HCCI engines using a 3D model with detailed chemical kinetics

The influence of changes in the swirl velocity of the intake mixture on the combustion processes within a homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine fueled with hydrogen were investigated analytically. A turbulent transient 3D predictive computational model which was developed and applied to the HCCI engine combustion system, incorporated detailed chemical kinetics for the oxidation of hydrogen. The effects of changes in the initial intake swirl, temperature and pressure, engine speed and compression and equivalence ratios on the combustion characteristics of a hydrogen fuelled HCCI engine were also examined. It is shown that an increase in the initial flow swirl ratio or speed lengthens the delay period for autoignition and extends the combustion period while reducing NO_x emissions. There are optimum values of the initial swirl ratio and engine speed for a certain mixture intake temperature, pressure, compression and equivalence ratios operational conditions that can achieve high thermal efficiencies and low NO_x emissions while reducing the tendency to knock     

Flame structure and NOx emission characteristics in a single hydrogen combustor

In this study, the effects of fuel-induced swirl number on the flame structure and NOx emissions are observed. A tube-type nozzle with four fuel injection holes is used. The fuel injection holes are located away from the centerline of the nozzle to induce a low swirl effect in the flow. First, the flame structure changes with the fuel-induced swirl number, separating into four small flames in the high-swirl region; the flames are classified into three types. Subsequently, NOx emissions decrease with an increase in the fuel-induced swirl number. However, this shows a stepwise discontinuous change rather than a gradual change. The NOx emission is linearly proportional to the residence time of the combustion gas, which is calculated using the flame volume and flame structure. In conclusion, the change in the flame structure by the fuel-induced swirl is a decisive factor in the reduction of the NOx.     

Numerical study on the effect of jet spacing on the Swirl flow and heat transfer in the turbine airfoil leading edge region

ABSTRACT

In this paper, flow and heat transfer of a swirl chamber that models an internal cooling passage for a gas turbine airfoil leading edge is studied with numerical simulation. The geometry consists of a circular pipe, and rectangular section inlets that lead inlet flow to impinge tangentially on the circular pipe. The effects of the ratio of jet spacing to swirl chamber radius and Reynolds numbers on swirl cooling performance are investigated. The results indicate how the pressure loss and globally averaged Nusselt number on the swirl chamber wall increase with increases of Reynolds number and the ratio of jet spacing to swirl chamber radius. A Nusselt number correlation on these parameters is suggested. Also shown is how Nusselt numbers on the swirl chamber surface increase with the ratio of jet spacing to swirl chamber radius.