基于反应动力学方程的尿素结晶风险预测模型

根据尿素的结晶过程和生成机理,搭建基于反应动力学方程的结晶风险预测模型.分析影响结晶的关键因素,测试模型计算过程中的关键参数,提出以软硬结晶加权来表征尿素结晶风险程度.通过某重型柴油机尿素结晶过程的稳态工况试验和整车道路试验验证结晶风险预测模型.结果表明,结晶风险预测模型的预测一致性较好,能够及时预测结晶风险,为结晶清...     

国Ⅵ柴油机SCR系统尿素结晶风险评估方法初探

选择性催化还原(SCR)技术被广泛用于柴油机NOx排放控制,尿素结晶是这一技术的主要风险．提出一种评估SCR系统尿素结晶风险的有效方法,在对尿素结晶机理和计算流体动力学(CFD)模拟结果分析后,设计了包含24个不同温度、空速、喷射量的稳态试验和包含120个城市瞬态循环与8个交通拥堵循环的瞬态试验．通过稳态试验的尿素结晶观测结果得到每个工况点的结晶风险情况,并最终得出尿素喷射量与氨氮比(ANR)的限值Map,可为系统优化与标定提供量化目标;通过瞬态试验的尿素结晶观测结果可评估车辆在城市道路条件和交通拥堵状态下单个柴油颗粒捕集器(DPF)再生周期内的尿素结晶风险程度．     

直喷内燃机高压喷雾碰壁模型的开发

基于低压和高压喷雾碰壁后液滴运动形态的差异,分析了现有喷雾碰壁模型在模拟高压喷雾时的不足,提出了针对高压喷雾碰壁模拟的数值模型.该模型基于柴油喷雾碰壁的试验数据,并引入了壁面射流理论来估计靠近壁面的气相速度.针对高压喷雾碰壁后壁面喷雾的运动特点,增加了液滴升力的计算.通过与柴油喷雾碰壁试验进行对比,结果表明:新模型对高压喷雾碰壁液滴运动轨迹的计算更准确,并成功地再现了壁面喷雾前端的涡旋.此外,新模型的网格依赖性也被极大地降低.与传统喷雾碰壁模型相比,新模型更适合直喷发动机中的喷雾碰壁模拟,具有很强的工程实用价值.     

LPG碰壁喷雾的试验及数值模拟研究

基于离散液滴模型(DDM),并结合柴油机实际工作情况,建立了喷雾碰壁的数学模型.将该模型与KIVA程序耦合,对多种形态的喷雾碰壁进行了模拟计算.在压力定容室内,利用PIV高速摄影技术对液化石油气(LPG)和柴油的碰壁喷雾过程进行了试验研究.将模拟与试验结果进行了对比分析,并着重考察了碰壁角度对燃料碰壁过程的影响,获得了LPG喷雾碰壁特性的一般规律.与柴油相比,在同样条件下,LPG能在壁面上溅起较厚的液滴雾层,且溅起的液滴尺寸较小,在壁面上附着的油膜厚度较薄,说明LPG比柴油蒸发速度快,雾化质量好;随着碰壁喷雾倾斜角的增大,2种燃料在碰撞点壁面附近所产生的液滴数显著减少.     

基于计算流体力学的柴油机选择性催化还原系统尿素水溶液喷雾特性分析

为探究影响柴油机排气管尿素水溶液（ureawatersolution,UWS）雾化效果的因素,搭建了UWS喷射试验台架,通过激光粒度仪测得尿素液滴粒径分布,并运用Rosin-Rammler函数对试验获得的累积粒径分布进行非线性拟合,利用计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）软件对柴油机负荷工况、UWS喷射温度和排气管壁温3种不同因素对UWS喷雾雾化特征、NH3浓度分布及液膜形成的影响进行仿真计算。结果表明：低负荷工况下的排气流量和温度低,UWS喷入量少,尿素液滴分解NH3的速率较低,80 ms时刻NH3主要分布在排气管中游;中高负荷工况,排气温度高、UWS喷入量多,有利于尿素蒸发热解生成NH3,该时刻NH3浓度区域偏离轴线,贴近排气管上表面;喷雾液滴粒径随UWS喷射温度的升高而减小,范围在1～12μm,空间内NH3浓度小幅增加,液膜沉积率随喷射温度升高显著降低;排气管壁温对UWS喷雾液滴粒径和蒸发热解速率影响较大,壁温升高加快了液滴粒径减小的速度,当壁面温度为473 K时,150 ms时刻下液滴粒径主要集中在30μm以下,附着壁面的液膜厚度明...     

基于详细沉积物模型的尿素喷嘴内部结晶研究

采用详细的尿素沉积物模型,对尿素喷嘴内部的沉积物生成过程进行研究。在沉积物模型中,考虑了壁膜形成、蒸发、剥落、结晶和尿素副产物形成的基本过程,同时耦合了尿素热解的化学反应机理。以发动机台架和热重分析仪的试验结果,分别对喷嘴内壁面温度和尿素分解副产物的预测值进行验证。研究结果表明:模拟值与试验值基本一致,说明尿素沉积物模型可以较好地预测不同工况条件下尿素沉积的变化趋势。对尿素喷嘴内部的沉积物生成过程进行多维数值模拟结果表明:喷嘴内壁面温度在140℃以下时可以避免尿素分解副产物生成;在不出现硬结晶的条件下,排气温度为300℃和400℃工况(排气流量600kg/h)的最小喷射量分别为1000mL/h和2000mL/h。     

GDI喷油器喷雾碰壁的基础试验研究

为了研究直喷汽油机喷雾碰壁可能导致的机油稀释与碳烟排放增加问题,对某款直喷汽油机喷油器进行改造,使用相位多普勒激光测试系统(phase Doppler analyzer,PDA)研究了不同壁面条件下,近壁面处喷雾液滴的粒径分布与法向速度分布特点。研究结果表明:碰壁过程对距壁面较近的液滴径向发展有显著影响,自由喷雾表现为由轴线向外液滴特征粒径减小,而喷雾碰壁则为增大趋势;壁面温度对液滴粒径概率分布和法向速度分布影响显著,壁面加热条件下粒径集中于10μm范围内,而绝大多数液滴法向速度趋近于0;壁面干湿条件的影响主要表现在粒径概率分布、特征粒径径向发展和法向速度分布,粒径概率分布形态产生变化,特征粒径径向发展呈现为由轴线向外先减小后略有增大的趋势,法向速度在10~30m/s范围内的液滴数量明显减小。此外,碰壁位置是影响液滴分布的关键因素,碰壁位置距喷嘴越远,液滴粒径分布越趋向均匀。     

高韦伯数液滴撞壁诱导的中间射流破碎现象

针对内燃机缸内附壁油膜问题,模拟液滴撞壁过程,设计开发了气体驱动单液滴高速撞击热壁面试验系统.研究了液滴高速撞壁对二次雾化的影响,同时考虑壁面温度对撞击效果的影响.结果表明,目前液滴撞壁研究的韦伯数范围多是20～1 000,而通过使用驱动气体(氮气)将小液滴加速至10.8 m/s,从而产生碰壁韦伯数高达4 057的液滴;液滴在韦伯数高达一定条件下发生射流破碎现象,热效应并不是唯一导致其产生的因素;随着韦伯数的增加,射流高度及产生的次级液滴数量也随之增加;随着壁面温度升高,发生中间射流现象时的韦伯数随之降低;在高韦伯数条件下,在远高于水的Leidenfrost临界温度时并没有明显的Leidenfrost现象产生.     

液滴平壁铺展过程分析

液滴撞击壁面后的铺展行为是液滴撞壁的主要发展模式之一,对喷雾研究具有重要意义.通过对理想光滑壁面和实际粗糙壁面接触角的理论分析,发现壁面粗糙度是引起接触角滞后的主要原因,通过引入壁面阻力建立了粗糙壁面上接触角滞后模型.对接触线附近贴壁区域的流动状态进行分析,引入接触线特征参数求得固液间的黏性剪切力和气液界面上的黏性剪切力.在理论分析的基础上建立了动态接触角随接触线移动速度的变化关系式.通过研究动态接触角随接触线特征参数、液滴黏度、壁面粗糙度和气液表面张力的变化关系,获得了这些因素对液滴碰壁铺展行为的影响规律.     

二甲醚喷雾碰壁数值模拟与试验研究

基于离散液滴模型（DDM）,结合柴油机实际工作情况,建立了喷雾碰壁的数学模型.将该模型与KIVA程序耦合,对多种形态的喷雾碰壁进行了模拟计算.在压力定容室内,利用高速摄影机对二甲醚（DME）和柴油进行了喷雾碰壁的试验研究.将模拟与试验结果进行了对比分析,并考察了碰壁角度、碰壁距离等对DME碰壁过程的影响.获得了DME喷雾碰壁特性的一般规律;在同样条件下,DME喷雾体的壁面扩展度和油膜厚度均比柴油小,说明DME比柴油蒸发速度快,雾化质量好.     

基于线性回归模型的尿素喷嘴温度场预测分析

基于Design of Experiment(DOE)试验测温数据,采用线性回归分析方法,得到自主开发的水冷式尿素喷嘴6个关键位置的温度回归方程模型.实测温度值和预测温度值差值<5℃,表明模型精度较高.柴油机台架试验结果显示,预测温度误差为-4.4℃ ～5.7℃,表明尿素喷嘴温度回归模型可用于实际应用项目的开发预测,可在项目开发前期预测尿素喷嘴内部结晶和过热失效风险.     

车用柴油机Urea-SCR催化器优化设计及试验研究

运用CFD手段对SCR催化器进行了优化设计,分析了初级混合管内速度分布、载体内流量均匀性等。模拟结果表明:优化设计后的SCR催化器减少了尿素液滴碰壁的几率,提高了尿素液滴与尾气的混合均匀性。对优化设计后的SCR催化器进行性能试验、初期耐久试验和道路验证试验。试验结果表明:优化设计后的SCR催化器在欧洲稳态循环(ESC)和欧洲瞬态循环(ETC)下氮氧化物(NOx)转化效率相比原结构SCR催化器分别提高了11.8%和13.8%,且能有效避免尿素结晶结石等沉积物的形成。     

单液滴在多孔介质内碰壁过程的数值模拟

应用数值模拟方法研究不同尺寸单一液滴碰撞常温多孔介质内壁面时的运动与变形行为.界面跟踪采用基于VOF的体跟踪模型,简化的多孔介质结构应用孔隙网络模型.主要考查了初始液滴碰撞动能、表面能及液滴与多孔介质内壁面相对尺寸大小对液滴碰壁现象的影响,分析了液滴在多孔内壁面上形成液膜、液膜延展碰撞喉道壁面及飞溅破碎等过程的动力学特...     

汽油机掺醇燃烧进气油膜湿壁温度预测

对进气口喷射汽油机进气门处传热过程进行了分析,建立了进气油膜吸附壁面温度模型.通过冷机状态起动试验和温升过程数据分析,对已有模型结构进行了细化和改进,并基于试验数据及MATLAB参数辨识工具箱对模型参数进行了辨识.根据模型结构及试验数据,分析了油膜吸附壁面温度的关键影响因素和影响规律,以及不同掺混比例乙醇汽油下的差异.油膜吸附壁面温度变化规律类似一阶惯性系统特性,其温升时间常数可视为进气流量的单值函数,但稳态项与多个发动机工况参数有关,而不同乙醇汽油下油膜吸附壁面温度则差异不大.改进与辨识后油膜吸附壁面温度模型在纯汽油及掺醇汽油下均具有较高的预测精度,可直接用于油膜动态补偿器设计.     

基于混合热格子玻尔兹曼模型的液滴蒸发数值模拟

采用格子玻尔兹曼方法(LBM)的单组分伪势模型与有限差分耦合的混合热格子玻尔兹曼模型(TLBM)对液滴蒸发过程进行了研究。首先,通过对液滴在方腔内蒸发过程进行模拟,验证了所采用计算方法及程序的有效性。随后,模拟了液滴撞击高温壁面后的蒸发过程,研究了壁面温度、液滴邦德数和液滴雷诺数对蒸发过程的影响。结果表明,壁面温度、液滴邦德数和液滴雷诺数的增加均会造成液滴撞击高温壁面后蒸发速率的增大。     

油雾碰撞高温壁面的油滴分裂及与热壁间换热研究

1前言现实中许多领域都有液滴碰撞壁面的现象,如高速直喷式发动机中喷雾油束的撞壁,喷雾冷却及喷墨打印机的油墨与纸张的碰撞等。液滴碰壁涉及到液滴形状变化、运动状态改变以及与壁面之间热传递等复杂的物理过程,其中起控制作用的参数有:液滴的速度、粘度、表面张力和壁面的温     

柴油机SCR系统气液两相流准一维数值模拟

对柴油机选择性催化还原(SCR)系统气液两相流进行了准一维建模,并开发了模拟计算程序.用欧拉方法求解气相流动,其中压力速度耦合问题采用Simple算法求解.用拉格朗日方法求解液滴的蒸发、热解、运动和碰壁等过程,气液两相耦合通过在气相方程中附加源项的方式实现.模拟计算结果表明:随着排气平均温度的升高和排气流量的降低,尿素分解效率都会逐渐升高;尿素水溶液喷射速率对尿素分解效率影响不大;总体上液滴初始直径的减小能够促进尿素的分解,在不产生壁膜的前提下,合理组织尿素水溶液喷雾碰壁,可以促进大直径喷雾(50,μm以上)的尿素分解;增大排气管直径能够显著提高尿素分解效率,降低压力损失,是优化SCR系统性能的有效方法.     

喷嘴集成式SCR混合器设计与数值模拟研究

根据某柴油机设计一款喷嘴集成式选择性催化还原(SCR)系统,使其排放满足国Ⅴ标准,结晶量小于3g。首先研究穿孔管加混合器结构,结果表明这种结构的载体前端面蒸汽均匀性系数和尿素蒸发量不能满足设计要求,且在混合器上会形成大块结晶。随后提出一种新型混合腔结构,分析表明:载体前端面速度和蒸汽均匀性系数分别为0.95和0.98,载体能被充分利用;喷射系统采用三孔气助喷嘴,使得喷出的液滴直接撞向内筒圆管,在内筒圆管的高温作用下,液膜全部蒸发;此外尿素喷射轨迹会在底部形成2个较大旋涡,促进了液滴的雾化与混合。试验验证此结构SCR排放满足国Ⅴ标准,在低温工况下NO_x转化效率明显高于其他结构,尿素结晶满足设计要求。     

缸内直喷汽油机低速性能的优化

通过仿真与试验相结合的方法对2.0,L涡轮增压缸内直喷汽油机的低速性能进行了研究,分析了进气滚流比及喷油开始时刻对其性能的影响.使用高滚流气道并对喷油开始时刻进行优化,可有效改善燃烧稳定性和燃油经济性,但其对燃油湿壁问题的改善并不理想.采用两段喷油策略及改变喷油器安装角,对喷雾碰壁问题进行了优化.结果显示:与单段喷射相比,两段喷射可使燃油碰壁和壁面油膜量大幅下降,混合气均匀度也得到进一步提高.适当减小喷油器安装角可使燃油碰壁明显降低,壁面油膜量降低38%,且混合气也更均匀.     

逆向气流对油束碰壁及壁面油膜的影响

利用激光诱导荧光法(LIF)和数值模拟方法研究了异型壁面油束碰壁及油膜形成与演变过程机理.首先在燃烧室模拟装置上进行试验,利用LIF方法研究了气流运动对38°,喷油条件下油束碰壁过程的影响;随后,在模拟装置及试验条件的基础上,对壁面油膜的形成与演变过程进行了数值模拟研究.结果显示:无气流运动时,近壁区域液相燃油存在累积现象,燃油自然蒸发对壁面液相燃油的弥散作用有限,液相燃油残留时间达10,ms以上.与无气流运动时相比,在逆向气流作用下,液相燃油累积现象减弱,总体向二次油膜区域偏移,燃油油膜在壁面油膜残存量减少.在逆向气流作用下,由于油膜流动和空间油滴二次附壁,有可能导致壁面局部地方油膜变厚.