本文關鍵詞：噴霧碰壁模型及柴油機冷起動的數值研究　出處：《湖南大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：內燃機缸內過程的多維數值模擬技術已經成為當前汽車發(fā)動機產品先進設計與開發(fā)的重要手段。與一維模擬相比,多維模擬包含流場的空間信息,通過這些結果可以洞察燃油的噴射、混合氣的制備、燃燒的過程以及排放物生成的更多細節(jié),其對于先進發(fā)動機技術開發(fā)的重要性不言而喻�？煽康亩嗑S模擬需要準確地模擬發(fā)動機工作的各個物理化學過程,比如燃油的噴射、霧化和蒸發(fā),因此需要建立不同的數值模型來完成這些任務,燃油的噴霧碰壁模型就是其中之一。近年來,隨著石油資源的日益枯竭以及全世界對環(huán)保問題的更加關注,內燃機的節(jié)能與環(huán)保成為技術發(fā)展的新要求,缸內直噴技術得到了越來越廣泛的應用。無論是柴油機還是直噴汽油機,冷起動工況都是有害排放最嚴重的工況之一。冷起動時由于缸內熱環(huán)境差,燃油霧化蒸發(fā)都不好,為了順利起動需要增加噴油,因此會有大量噴霧油滴碰壁形成壁面油膜,這是其排放惡劣的主要原因之一。為了準確地模擬內燃機中的噴霧碰壁現象并探討它對直噴發(fā)動機冷起動工況下排放的影響,需要開發(fā)更加精確的噴霧碰壁模型,這就就構成了本文研究的核心內容。本文首先對內燃機多維模擬中廣泛應用的開源程序KIVA-3V Release2的框架進行了簡單的介紹,并重點介紹了噴霧模擬的相關子模型。接著對現在廣泛使用的一些噴霧碰壁模型進行了詳細分析,對比了它們之間的差異和優(yōu)缺點。結果表明:現有模型開發(fā)較早,建立它們的試驗來源多為單個液滴或液滴串的碰壁試驗,與現代高壓共軌直噴發(fā)動機中的實際現象有較大出入,因此在某些工況下這些模型對高壓噴霧碰壁的模擬效果并不能令人滿意,需要開發(fā)新的數值模型。根據上面的分析提供的思路和方向,本文根據高壓噴霧碰壁的特點,提出了三個方面的改進意見:一是針對CFD軟件中噴霧計算的特點,提出了壁面射流子模型來修正碰壁液滴的氣液相對速度,從而能更加準確地計算液滴的阻力,而且極大地降低了計算對網格的依賴性;二是針對高壓噴霧碰壁后運動形態(tài)的特點,針對碰壁后液滴增加了升力的計算,從而能再現試驗中觀測到的壁面噴霧前端的渦旋;三是針對單個液滴碰壁和噴霧碰壁的差異,提出了計算高壓噴霧碰壁后粘附油膜比例的公式。通過與柴油噴霧試驗結果對比,新模型能明顯地改進預測效果,預測的壁面噴霧運動形態(tài)、貫穿度和厚度等與試驗值吻合良好。此外,在噴霧碰壁過程中同時發(fā)生的還有熱力學過程,即噴霧和壁面之間的傳熱傳質過程,這一過程雖然短暫,但也十分重要。在現有的數值模型中,液膜和壁面之間的傳熱基本都是按照熱傳導計算的,沒有考慮噴霧碰壁過程對傳熱的巨大影響。為此,本文基于柴油噴霧碰壁的傳熱學試驗開發(fā)了一個新的子模型來考慮這一過程。新模型考慮了不同噴霧碰壁情況下,碰壁液滴的動能對傳熱的影響,而對于氣相和液膜之間的熱交換則采用了氣體射流碰壁下的傳熱關系式來計算。模擬結果表明,新模型與試驗數據吻合良好,是現有液膜傳熱模型的有益補充。本文最后將開發(fā)的高壓噴霧碰壁的動力學和熱力學模型應用于某款小型直噴柴油機冷起動工況的模擬,并探討了排放物的生成機理和不同噴油規(guī)律對排放的影響。結果表明:冷起動時會有大量的壁面油膜產生,這些油膜是HC和CO排放的直接來源;燃燒之后壁面上剩余的油膜最多仍有25%,和試驗值比較接近;相對于單次噴射,采用兩次噴射有助于改善噴霧蒸發(fā),從而減少排放。
[Abstract]:The simulation technology has become an important means of advanced design and development of automobile engine products the multi-dimensional numerical processes of internal combustion engines. Compared with the one-dimensional simulation, simulation of multi-dimensional spatial information including flow field, through these results can insight into the jet fuel, gas mixture preparation, combustion process and more details of emission, the the importance of advanced engine technology development is self-evident. Reliable multidimensional simulation of each physical and chemical processes need to accurately simulate the engine work, such as fuel injection, atomization and evaporation, because of the need to establish different numerical models to accomplish these tasks, the fuel spray impingement model is one of them. In recent years, with the increasing depletion of oil resources and all over the world pay more attention on environmental issues, energy saving and environmental protection has become the new engine technology development for cylinder Direct injection technology has been more and more widely used. Either diesel or gasoline direct injection engine, cold start condition is one of the most serious harmful emissions. Due to the cold start cylinder thermal environment, fuel atomization and evaporation are not good, in order to successfully start to increase fuel injection, so there will be a lot of spray droplets the formation of wall wall film, which is one of the main reasons for its bad emissions. In order to accurately simulate the engine spray impingement phenomenon and to explore it in a direct injection engine cold start effect under the condition of emissions, need to develop a more accurate model which was spray impingement, constitute the core content of this paper. The framework of this the simulation of the internal combustion engine is widely used in the multi-dimensional open source KIVA-3V Release2 are introduced, and mainly introduces the related simulation model. Then the spray is now widely used Some spray impingement model in detail, compares the differences between them and their advantages and disadvantages. The results show that the existing model developed earlier, establish their test source for a single droplet on the wall or drop test, and the modern high pressure common rail direct injection engine in the actual phenomenon are quite different, so in in some cases these models to the effect of high pressure spray impingement is not satisfactory, need to develop a new numerical model. According to the above analysis to provide ideas and direction, according to the characteristics of high pressure spray impingement, puts forward suggestions from three aspects: first, according to the characteristics of CFD spray calculation software, put forward the wall jet model to correct the liquid droplet impingement velocity, which can more accurately calculate the droplet resistance, and greatly reduces the computation of the mesh dependence; two is to High pressure spray impingement after the movement characteristics of droplets increased after hitting the wall for lift calculation, which can reproduce the experimental vortex observed in the wall of the front end of the spray; three is the difference of single droplet impingement and spray impingement, the calculation of high pressure spray impingement after the adhesion of oil film formula. The proportion of compared with diesel spray test results, the new model can significantly improve the prediction effect, prediction of wall spray movement patterns, penetration and thickness agree well with experimental data. In addition, also occurred in the process of spray impingement and thermodynamic process, namely heat transfer process between spray and wall, although this process short, but is also very important. In the existing numerical model, heat transfer between the liquid and wall are calculated according to the heat conduction, without considering the great influence on the process of spray impingement on heat transfer for this ring, In this paper, the experimental study on heat transfer of diesel spray impinging on a new model based on the consideration of the development process. The new model takes into account the different spray impingement case, impingement droplet on the heat transfer effect of kinetic energy, and the heat exchange between the gas and liquid by gas injection flow under the impingement heat transfer formula to calculate. The simulation results show that the new model is in good agreement with the experimental data, is a useful complement to the existing heat transfer model. Finally, high pressure spray will develop into the kinetic and thermodynamic model is applied to a small direct injection diesel engine cold starting condition simulation, and discusses the influence mechanism of emissions and fuel the law of discharge. The results showed that the cold start there will be a lot of wall film, the film is a direct source of HC and CO emissions after combustion; remaining on the surface of the oil film is still up 2 5%, it is close to the test value; compared with the single injection, the two injection helps to improve the spray evaporation and thus reduce the emission.

【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U464.172

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本文編號：1357703