缸内直喷天然气射流混合过程的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了天然气缸内直喷自由射流、撞壁射流以及涡旋结构在直口、缩口和敞口3种燃烧室形状中的形成过程,并在此基础上设计了适用天然气缸内直喷混合气形成的新型燃烧室.结果表明:采用较小的喷射夹角可以改善射流撞壁过程,提高混合气形成质量;喷射夹角为80°时,缩口燃烧室中,附壁射流脱壁后涡旋结构中燃料不易扩散,天然气混合速度较低,直口燃烧室和敞口燃烧室天然气混合速度接近.3种燃烧室形状中天然气射流混合过程会经历3个重要转折点:自由射流撞壁、附壁射流脱壁以及涡旋结构生长和扭曲阶段,其中在涡旋结构生长和扭曲阶段气体燃料与空气快速混合.最后,根据天然气射流在缸内混合过程设计出脱壁型燃烧室(SACC),大大增加形成可燃混合气的燃料比例,并能提高混合气的均匀度.     

直喷式汽油机缸内浓度场数值模拟

对直喷式二冲程汽油机缸内浓度场进行了数值模拟,选取两种代表性的发动机工况,采用球顶燃烧室,改变喷油定时和喷雾方向,研究它们对燃烧室内混合气浓度分布的影响。通过仿真分析得到:喷油定时和喷油方向对缸内浓度场分布有很大影响。当喷油器的中心轴线与气缸中心轴线的夹角为15°的喷油方向,喷油定时在低负荷选择95°CA、高负荷选择160°CA时,可以在火花塞附近形成有利于点火的混合气浓度,在整个燃烧室形成有利于分层燃烧的浓度场分布。     

天然气/柴油双燃料发动机燃料喷射及着火特性

基于计算流体动力学(CFD)软件CONVERGE模拟了缸内高压直喷式柴油微引燃液化天然气(LNG)发动机的燃料喷射混合以及着火过程,校核和验证了湍流模型对模拟结果的影响,分析了天然气喷射正时、天然气喷射持续期及柴油与天然气射流中心轴线的夹角对缸内柴油和天然气射流发展、混合和着火的影响.结果表明:Smagorinsky大...     

直喷式柴油机燃烧过程模拟与分析(一)

利用KIVA-Ⅱ程序模拟计算直喷式柴油机燃用柴油时缸内的燃烧过程，如混合气形成过程、缸内温度场、主要有害物质NOx的生成浓度分布等。通过对直喷式柴油机燃用柴油时燃烧过程的模拟计算与分析，对模拟燃用绿色能源-二甲醚的燃烧过程提出了一些建议。     

直喷式柴油机燃烧过程模拟与分析(二)

利用IIVA-Ⅱ程序模拟计算直喷式柴油机燃用柴油时缸内的燃烧过程，如混合气形成过程、缸内温度场、主要有害物质NOx的生成浓度分布等。通过对直喷式柴油机燃用柴油时燃烧过程的模拟计算与分析，对模拟燃用绿色能源-二甲醚的燃烧过程提出了一些建议。     

柴油射流控制压燃放热过程的数值模拟

针对双直喷型柴油射流控制压燃模式的放热过程,通过三维数值模拟耦合简化化学反应动力学机理,对该模式高温放热过程中存在的独立两阶段特性开展研究.结果表明:射流压缩自燃阶段受到柴油射流压缩自燃的主导,同时周围的部分预混合气也参与燃烧.随着缸内温度和压力的升高,达到预混合气的自燃条件,在压缩上止点后6°CA附近,独立区域内预混...     

增压中冷柴油-天然气双燃料发动机燃烧特性的实验研究

对天然气替代率、引燃柴油喷油时刻和中冷后进气温度等燃烧系统参数对增压中冷柴油—天然气双燃料发动机燃烧特性的影响进行了实验研究。研究结果表明：增压中冷柴油—天然气双燃料发动机的燃烧放热速率比纯柴油快，引燃柴油的着火时刻和缸内燃料空燃比值决定着双燃料发动机的燃烧特性，即着火时刻在上止点前且空燃比值较小时，其燃烧接近于定容燃烧过程，随着天然气替代率的升高，缸内最大爆发压力和最高燃烧温度升高；而着火时刻在上止点后且空燃比值较大时，其燃烧接近于等压燃烧过程，随着天然气替代率升高，缸内最大爆发压力和最高燃烧温度降低。最大爆发压力、最高燃烧放热率和最高燃烧温度随引燃柴油喷油提前角的增大而升高；而随着进气温度升高，最大爆发压力和缸内温度增大。     

基于喷孔布置及喷射参数协调控制的双直喷发动机燃烧及碳烟排放特性研究北大核心CSCD

通过建立三维计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)柴油/天然气双直喷模型耦合多组分混合物简化化学动力学机理及现象学碳烟模型,模拟研究了天然气射流中心轴线与水平方向夹角α、天然气喷射持续期(natural gas injection duration,NID)的协调作用对柴油微引高压直喷天然气发动机燃烧过程及碳烟生成、氧化过程的影响。结果表明:缩短NID可提高扩散火焰的传播速度,增加燃烧区域的化学反应速率,且最高燃烧压力、峰值放热率、最大压力升高率(maximum pressure rise rate,MPRR)、指示热效率(indicated thermal efficiency,ITE)升高;随NID缩短,A_(4)、C_(2)H_(2)消耗反应速率增加,OH生成峰值增加,碳烟生成降低而氧化增强。增大α促进了大尺度涡旋结构的生成,降低了进入挤气区域的燃料比例,同时利于ITE的改善;较短的NID下,增大α后最高燃烧压力、峰值放热率提升明显;α增大至20°可显著降低A_(4)、C_(2)H_(2)生成峰值,抑制碳烟成核及表面生长反应,降低碳烟生成。综合考虑最高燃烧压力、ITE、MPRR及碳烟排放,确定两个优化方案分别为:α=15°&NID=16.5°及α=20°&NID=21.5°。     

船用预燃室式天然气发动机稀薄燃烧特性试验

以船用预燃室式天然气发动机为研究对象，以点火正时(SOI)和过量空气系数(φ_a)为变量开展缸内稀薄燃烧特性影响规律的研究．在此基础上对试验数据开展主效应和帕累托分析，得出量化的规律性结果．结果表明：一方面，影响着火延迟和燃烧放热速率权重较大的为SOI，通过优化可以将滞燃期缩短至12°CA以内，将燃烧重心控制在14°CA ATDC以前；而对于燃烧持续期，影响权重较大的为φ_a，将各工况下φ_a控制为1.66～1.84，可以将燃烧持续期控制在28°CA以内；另一方面，φ_a的运行范围已经达到并超过了车用重载的稀薄极限．由于采用了独立供气的预燃室形式，船用预燃室式天然气发动机可在缸径较大、平均有效压力(BMEP)较高的前提下实现比重载天然气发动机更加稀薄的燃烧组织，从而有利于实现较高的热效率，同时更好的兼顾NO_x排放．     

双燃料直喷发动机喷孔几何位置对燃烧排放的影响

基于柴油引燃天然气缸内直喷发动机,采用AVL-Fire软件研究了天然气和柴油喷孔相对交角、相对距离和相对夹角这3个重要几何参数对燃烧排放的影响.结果表明:两喷孔相对交角影响NOx和碳烟(soot)排放,NO最小生成量比最大生成量少36%,,通过改变相对交角可以同时降低NO和soot排放,但对缸内平均压力的影响较小;两喷孔相对距离会影响污染物生成,并且相对距离越小,温度场分布越均匀,发动机缸内平均压力越高;两喷孔相对夹角减小时,发动机缸内平均压力升高,NO_x排放增加.研究结果对双燃料直喷发动机的两喷孔相对位置的优化有一定的指导作用.     

天然气发动机预燃室内混合气形成对点火射流的影响

针对船用天然气发动机预燃室内的混合气形成及射流点火特性进行了研究。基于试验标定和验证的喷雾燃烧模型,对预燃室内的柴油雾化–混合–着火过程进行了仿真计算,获得了混合气形成对点火射流特性的影响规律。结果表明,在同时考虑预燃室内燃油湿壁量与雾化质量时,存在一个最佳喷射压力匹配区间,且在相同喷射压力下采用两段喷射可以减少预燃室的燃油湿壁量;增大预燃室内混合气浓度分层并缩短初始着火点与射流孔的距离,可减小燃料损失,增长放热持续期,提高点火能力。     

喷射式燃烧器气体流动与燃烧数值模拟

对一国产30kW车用喷射式加热器的燃烧器内气体流动与燃烧进行了数值模拟。由计算分析知．燃烧器导流体切向进气道所进空气射流可加强混合气的混合燃烧,并在导流体底部形成一绕中心轴线的涡流环,因该涡流环中心存在低压,从而可使部分下游燃烧的高温气体在燃烧室尾部缩口的配合下向中上游回流。该回流在燃烧室中下游产生一个绕燃烧室中心轴线的回流环,该回流环既可使高温回流气体维持燃烧器的续燃温度．同时还可加速混合气的燃烧。但从燃烧室的温度场分布图看,其高温区有所偏后,这对燃烧室在不同空燃比下的续燃稳定性不利．且易造成排气温度过高,使热效率下降．因此燃烧室缩口须适当前调．以使回流区前移。     

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。     

预燃室火焰射流对双燃料着火燃烧过程的模拟研究

基于计算流体力学(CFD)程序耦合动力学机理,研究了一台大型低速二冲程船用柴油机改装的柴油-天然气双燃料发动机预燃室系统的布置方案对射流火焰发展过程的影响,以及由此对缸内流动、燃烧和有害污染物氮氧化物(NO_x)生成历程的影响。结果表明:预燃室方案造成射流火焰对撞会对碰撞区域及周围流场产生较大扰动,同时在碰撞区域形成富燃区,抑制该区域内NO_x的生成;射流火焰不碰撞则会增大其贯穿距离,实现更大空间范围的多点着火,放热更集中,同时会因较高的温度使NO_x排放上升;此外射流火焰与缸盖、活塞和缸套等壁面接触会显著降低其流动速度和燃烧温度,造成燃烧效率下降,缸内湍动能减小,在实际应用中应尽可能避免。     

双燃料发动机的燃烧模型

针对双燃料发动机燃烧特性，建立了柴油喷雾扩散燃烧子模型和气体燃烧均质混合气火焰传播燃烧子模型，应用该模型研究了双燃料发动机燃烧机理，计算结果和实验结果相当吻合。计算表明：当引燃柴油比例较大时，双燃料发动机燃烧过程以喷雾混合控制燃烧为主，柴油喷雾扩散燃烧模型与实测较吻合；当柴油比例较小时，该过程以均质混合气火焰传播燃烧为主，均质混合气火焰传播燃烧模型与实测软吻合。计算结果表明，引燃柴油量对双燃料发动机性能影响较大，引燃柴油减少，着火滞燃期延长，缸内最大爆发压力升高。     

射流喷嘴角度和当量比对轴向分级燃烧室中预混反应射流的影响

针对燃料轴向分级模型燃烧室进行了热态数值模拟,分析了射流喷嘴角度和当量比对模型燃烧室的速度场、温度场、停留时间、湍动能分布以及污染物排放量的影响。结果表明：随着射流当量比的增加,除45°外,射流喷嘴角度为90°和135°时射流喷嘴下游均有明显的回流产生,烟气在燃烧室中的停留时间增加;随着射流喷嘴角度的减小,一级燃烧区停留时间增加,二级燃烧区停留时间减少,但总停留时间增加;随着射流喷嘴角度和射流当量比的增大,燃烧室中高湍动能区域扩大;与90°和135°相比,在45°射流角度下,射流当量比较低时NO_x质量分数较高,说明在一定的工况下射流角度为45°时NO_x排放特性更低。     

喷孔夹角对直喷汽油机混合气形成与燃烧特性的影响

基于试验验证了喷雾模型和燃烧模型,采用CFD技术研究了喷孔夹角对直喷汽油机喷雾发展、混合气形成以及缸内燃烧特性的影响.研究结果表明,增加喷孔夹角,减小喷雾之间相互作用,有利于燃油雾化,改善了缸内混合气及缸内燃烧,提高了缸内压力和放热率.喷孔夹角大小的选择直接影响直喷汽油机缸内混合气质量与燃烧优劣.     

大缸径预混气体机燃烧过程仿真研究

采用发动机缸内CFD专业分析软件Converge对某大缸径预混燃烧天然气发动机工作过程中缸内三维流动、气体混合以及燃烧过程进行仿真计算。通过与试验结果中缸压曲线以及放热率曲线的对比,验证本次三维仿真计算模型的合理性和准确性;通过本次计算得到了大缸径天然气发动机流场分布的详细信息,为后续的发动机机型优化奠定了一定的基础,并且为疲劳强度和温度场的计算提供热力学边界条件。分析结果表明,我们的研究对象某预混气体机的预燃室内在点火前可以形成均匀的甲烷质量分数约为3.5%的混合气,并且可以稳定点火,借助预燃室喷孔形成火焰射流点燃主燃室混合气使燃烧扩散至整个气缸。     

天然气柴油双燃料发动机内部燃料混合模拟研究

基于AVL FIRE软件,模拟了缸内直喷引燃天然气和柴油喷射混合过程,对湍流模型进行了校核和验证,分析了不同喷孔高度、喷孔倾斜角及喷孔交角下柴油和天然气射流的混合情况。研究表明:k-ε湍流模型更适用于天然气/柴油双燃料的模拟;喷孔高度、倾斜角及交角越大,索特平均值经(SMD)越小,其中喷孔交角大的获得的雾化效果最好;喷孔之间的相对位置决定了油气射流之间能量传递,从而影响了油气贯穿距及雾化效果。     

扫气口角度对双燃料船机混合及燃烧的影响

针对一台低压喷射二冲程天然气/柴油双燃料发动机进行三维全尺寸模拟,研究了扫气口角度对天然气混合过程以及功率和排放的影响.结果表明:引燃油喷射前,天然气分布呈现出分层,其中扫气口角度θ20°时,天然气集中分布在活塞顶附近,呈"上下"分层;扫气口角度θ≥20°时,混合气浓区集中分布在气缸壁附近,呈"左右"分层,同时会出现天然气逃逸现象;适中的扫气口角度(θ=25°)有利于降低天然气消耗率,低于此值时预燃室附近天然气稀薄,火焰传播速度低,燃烧持续期长;高于此值时,燃烧相位前移,压缩负功增加.此外,当扫气口角度过小时,由于活塞顶部天然气过浓,会使NOx排放急剧增加,甚至超过TierⅢ排放法规的限值.