毕业设计说明书不同燃烧室及喷嘴形状对燃烧过程的影响

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1、河北工业大学城市学院2012届本科毕业设计说明书河北工业大学城市学院毕业设计说明书 作 者： 牛鹏 学 号： 095790 系： 能源与环境工程学院 专业： 热能 题 目： 不同燃烧室及喷嘴形状对燃烧过程的影响 指导者： 雒婧 讲师 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2013 年 6 月 1 日毕业设计（论文）中文摘要 题 目 不同燃烧室及喷嘴形状对燃烧过程的影响摘要： 本论文通过内燃机数值模拟软件FIRE对燃烧室进行了燃烧过程的模拟与计算，并且通过在只是更改压比从而改变燃烧室形状和只是更改喷嘴形状而不改变其他条件的前提下对燃烧过程；主要组分的分布以及排放物进

2、行了对比，将压比和喷嘴形状对燃烧和排放的影响做了简单的分析，且将燃烧过程中的温度与压力，燃料中的C12H26的主要质量分数以及排放物中烟尘，NO和二氧化碳的质量分数通过图表做了比较，得出以下结论结论:(1）随着压比的增加，温度、瞬时放热率都是随着压比的增大而增大，NO的主要质量分数变化并不是太大。随着压比的增加烟尘的主要质量分数降低了。可见只是通过更改压比来改变燃烧室的形状并不能起到将NO的主要质量分数和烟尘的主要质量分数同时降低的目的。(2）喷嘴改变后，压力和温度都有所上升但是上升的幅度并不是太大，但是NO和CO2的主要质量分数都有所上升，烟尘的主要质量分数比为改变前要低。关键词： 燃烧室形

3、状 燃烧 模拟 压比河北工业大学城市学院2012届本科毕业设计说明书 第35页 毕业设计（论文）外文摘要Title effects of different combustion chamber and nozzle shape on combustion process AbstractIn this article the combustion process is simulated in the combustion champer by using numerical simulation software FIRE.Then we compare the Combustion pr

4、ocess ; comparison of main components of the distribution and emission through only changing the shape of combustion chamber and nozzle shape .we also analysis The pressure ratio and nozzle shape effect on combustion and emissions . the combustion temperature and pressure in the process, dust mass f

5、raction in fuel and emissions of NO mass fraction and carbon dioxide through the chart were compared, the results as follows :1)With the increasing of pressure ratio, temperature and heat release rate increases,but mainly the mass fraction of NO is not changing too large .only by changing the pressu

6、re to change the shape of the combustion chamber can not decrease the main mass fraction of NO and soot .2) After the nozzle changed ,pressure and temperature are increase but not too large . the main mass fractions of NO and CO2 are on the rise, the main content of smoke are lower than not changed

7、Keywords： the shape of combustion champers combustion simulation pressure ratio 目 录第一章绪论 .31.1 燃料完全燃烧所需空气量的计算 .31.2 内燃机燃烧室形状的分类及对燃烧过程的影响 .6第二章. 内燃机燃烧过程的数值模拟模型 .82.1 国内外的现状 .82.2 内燃机热力学模型的选择 .12第三章计算的结果与讨论 .143.1 初始条件及边界条件的给定 .143.2 改变压比对燃烧过程的影响 .193.3 改变喷嘴形状对燃烧过程的影响.23第四章.结论 .30参考文献 .31致谢 .33 第一章绪论1

8、.1 燃料完全燃烧所需空气量的计算燃料燃烧的过程就是燃料中的可燃成分在高温下与氧气进行的剧烈氧化反应过程，同时也放出了大量的热。燃料中的可燃成分是由碳、氢、氮等元素组成的。当燃料与氧气完全反应时就会生成CO2、H2O、SO2、NO2等，这种燃烧就被称为完全燃烧；如果燃烧并未完全反映，产物中还存在着一些可燃烧的物质就称之为不完全燃烧。一般情况下，我们都要求燃料尽量做到完全燃烧，这样才不会造成资源的浪费。为了做到这一点，我们就需要了解燃料完全燃烧时所需的空气量时如何计算的。固体燃料燃料完全燃料燃烧时的化学方程式是：C完全燃烧时：C + O2 = CO2故一千克燃料中的碳完全燃烧时所需要的空气量为2

9、2.4/12*Car/100m3 ， 同时产生22.4/12*Car/100 m3二氧化碳。H 完全燃烧时：2H2 + O2 = 2H2O故一千克的氢完全燃烧时所需要的氧气量为22.4/4.032*Har/100 m3 ，同时产生22.4/2.016*Har/100 m3 水蒸气。所以说燃料完全燃烧时所需要的理论空气量为：Vo20 = 22.4/100*(Car/12 + Har/4.032-Oar/32) m3/kg因为在空气中氧的体积含量占空气总量的21%，所以说一千克的燃料完全燃烧时所需要的理论空气量为：Vk0=0.0899Car+0.625Har-0.0333Oar m3/kg气体燃料

10、中的可燃成分完全燃烧时的化学反映方程式为： CO + 0.5O2 = CO2 H2 + 0.5O2 = H2O CnHm + （n+m/4）O2 =nCO2 + m/2H2O 由上式可得每立方米的气体燃料在完全燃烧时所需要的理论空气量为： Vo20=1/21*0.5CO + 0.5H2 +（n + m/4)CnHm -O2 m3/m3（3）液体燃料的燃烧液体燃料的燃烧主要是发生在内燃机中，故本文主要以燃料C12H26为例进行计算。C12H26 燃料燃烧时的化学方程式是： 2C12H26 + 37O2 = 24CO2 + 26H20由上式可知每立方米的C12H26完全燃烧时所需要的理论空气量为：

11、Vk0=1/21*（12+26/4）C12H26-O2 m3/m3 1.1.1 影响燃料是否完全燃烧的因素（1） 空气系数 实际空气量与理论空气量的比值为空气系数，即 =Vk / Vk0当 1时，称为过量空气系数，而当其值小于1时称为消耗空气系数。为了保证燃料完全燃烧，是要求过量空气系数一般大于1的。当过量空气系数1时，由于燃料所需要的空气中的氧气供应不足，因此会导致燃料燃烧不完全。（2）氧气与燃料的接触面积 很显然，氧气与燃料的接触面积越大，燃烧的就可能越完全，接触面积越小，就越有可能燃烧不完全。从而导致燃料的浪费。当燃料颗粒与颗粒间的间距相对较大时，燃料与氧气接触的面积越大，燃料燃烧的越充

12、分，而当他们之间的间距比较小时，燃料很难与氧气充分接触，故不完全燃烧的可能性就越大。（3）燃烧室的形状燃烧室的几何形状对于混合气体的形成和完全燃烧起着至关重要的作用。不同形状的燃烧室会形成不同形状的流场，从而影响燃料的燃烧。1 .1.2 实际燃烧温度与理论燃烧温度燃料的燃烧温度指的是燃料燃烧时放出的热量是燃烧产物可能达到的温度。实际燃烧温度在实际的燃烧过程中烟气可能达到的温度称为实际燃烧温度。关于实际燃烧温度的求法依据下面的公式：Iy=Vy*cy*ty=（Qnet，ar+hr+Ik+Qwh）-（Qs+Qb+Qfj+W）其中 cy为烟气的比热容 ，ty为实际燃烧温度影响实际燃烧温度的因素又很多，

13、比如：燃烧设备的完善程度、燃料的特性、空气预热程度等。理论燃烧温度理论燃烧温度指的是燃料在绝热条件下完全燃烧时，又不考虑对外做功，烟气可能达到的最高温度。在此时Qs、Qb、W的值均为0故：Iy=Vy*cy*t11=Qnet，ar+hr+Ik+Qwh-Qfj理论燃烧温度只是与燃料的特性和空气与热度有关。它是设计时常用的一个工作指标。 1.2 内燃机燃烧室形状的分类及对燃烧过程的影响内燃机的种类主要分为两大类：点燃式内燃机和压燃式内燃机，而两者内燃机的燃烧室的形状又不尽相同，这里只是介绍几种典型的燃烧室。点燃式内燃机的燃烧室：（1）楔形燃烧室这种形状的燃烧室，它的气门的倾斜使得气道转弯较少，减少了

14、近气的阻力，提高了充量系数和效率，当然，它的压缩比的值也是较高的。这种形状的燃烧室有着较高的经济性和动力性。它的特点是结构简单、紧凑、散热面积和热损失都比较小。由于火花塞的位置使得燃烧火焰距离比较长。（2）浴盆型燃烧室这对这种形状的燃烧室，它们的高度都是相同的，它的宽度允许略超出气缸范围来加大气门的直径。浴盆形燃烧室虽然 有挤气面积，但是其效果比较差。火焰传播的距离也比较长，燃烧速率也比较低。燃烧的时间长，压力升高率也比较低。相关的实验证明，要改善发动机的性能，可以适当的增加挤气面积。总之，这种燃烧室进排气的效果比半球型燃烧室差。 （3）半球型燃烧室半球型燃烧室在气缸盖上，一般配突出的活塞顶。

15、这种燃烧室的结构比较紧凑，是火焰传播距离最短的一种形式。这种燃烧室，气流进入气缸的转弯最小，充量系数也是比较大的，在很高的转速下依然能够保持满意的充量系数。由于最高的燃烧温度高，NOx排放较多。 压燃式内燃机的燃烧室（1）浅盆形燃烧室这种燃烧室整个燃烧室是由气缸盖低平面、活塞顶面及汽缸壁所形成的单一容积。燃油直接喷入燃烧室，混合气体的形成是空间混合。影响这种燃烧室性能的因素有很多，其中主要的有：供油提前角、供油规律、油束雾化质量、喷雾锥角、压缩比、燃烧室形状等因素。（2）深坑形燃烧室这种燃烧室基本上分成两个空间：活塞中的燃烧室容积和活塞顶上的余隙容积，且喷孔的直径比较大。一方面利用一定的喷雾质

16、量，一方面组织进气涡流及形成挤流促进混合气形成及燃烧。与浅盆形燃烧室相比较深坑行燃烧室对燃油系统要求降低，由于利用进气涡流加强混合气形成，使空气利用率大大提高，并保持燃油消耗率低和启动容易的优点，所以在小型柴油机上得到广泛的应用。（3）涡流室燃烧室 这种燃烧室整个压缩机分为两部分：一部分在气缸盖与活塞顶之间，称为主燃烧室；另一部分容积在气缸盖上，形状基本为球形或圆柱形，称为涡流室。涡流室柴油机在农用、部分高速车用柴油机中有所应用，但是其存在启动性能和经济性能差的特点。 第二章 内燃机燃烧过程的数值模拟模型2.1 国内外的现状 从人类发明内燃机到现在为止，人类对于内燃机的认识有了突飞猛进的发展，

17、但是，由于人类对燃烧的认识仍然不够深入和燃烧技术的相对落后，因此造成了石油、煤、天然气等不可再生能源燃烧效率不高、燃烧污染排放严重等问题，因此导致了严重的资源短缺和环境污染。尤其是燃烧所释放的二氧化碳、烟尘、以及氮氧化物对大气的污染极为严重。世界各个国家为此也出台了一些相关政策，想从根源上对次加以改善，并且加大了对于燃烧这门科学的投入与研究，于是燃烧这门科学就蓬勃发展起来。随着科技的进步，计算机的出现，数值模拟这门科学在对于燃料的燃烧方面所起的作用越来越不容忽视，这使得它与燃烧这门科学相结合后给人们对于燃烧的研究带来了极大的便利，当然，这也使得模拟在内燃机燃烧室中的燃烧比传统的计算模型与方法极

18、为简单与省时，这也使这一技术处于研究和开发的前沿。很多人在燃烧的数值模拟这方面也做了大量的研究。（1）国内的研究现状上海七一一研究所的朱坚上海交通大学的黄晨以及天津大学的尧命发等人就曾经就柴油机的燃烧过程来说猜测燃烧室的几何形状（其燃烧室的径深比不同）可能会对其产生影响，并对此进行了数值模拟的研究1。他们使用特定的程序来确定装有燃料的柴油机在工作时的初始边界条件，用另一程序来研究不同形状的燃烧室对混合气体的燃烧过程和气体排放的影响。并利用工作模型所得出的计算结果与实验结果进行对比，发现误差极小。这一研究得出的结论是：1)应用工作过程的模拟对于得到较为准确的初始边界条件帮助很大，可以大大的提高计

19、算的精度。2)模拟的示功图与实际所测量的实验数据能够很好的吻合。3）径深比最大的NOx的排放量最高，径深比最大的和最小的碳烟的排放比较高，但是其生成的机理在这两个燃烧室中是不一样的，其模拟的结果与试验所测量的结果基本上是一致的。4）对与抑制NOx的生成来说，将径深比与喷油过程合理的配合，拥有很好的成效。燃烧后期让缸内产生适当强度的湍流，对于碳烟氧化的加速有很好的的效果。湖南大学的唐维新，袁文华和江苏大学的李德桃以及何志霞也对燃烧室的形状进行了研究，此外他们还对燃烧室的位置也进行了研究2，利用了自制可视化装置利用高速摄影技术。他们发现就燃烧来说，燃烧室的形状对燃烧具有决定性的影响，不同形状的燃烧

20、室会影响燃烧过程和气体的排放。不仅如此他们还研制出了一个实验装置，它具有很多功能和较强的通用性，使用此装置对于观察柴油机中燃料喷雾燃烧的照片极为清晰直观。大连理工大学的何旭，刘卫国，高希彦等人也研究了燃烧室的形状对其影响，他们利用较强的程序对具有较大收口中心凸起的燃烧室（A型）和直口凸台成哑铃状的燃烧室（B型）以及敞口较大的燃烧室（C型）进行了数值模拟。并对距上止点不同的位置处速度场温度场以及浓度场的分布进行了对比3。得出的结论是：1）A型的燃烧室能够产生很大的挤流，有较合理的涡流分布，十分有利与混合气体燃烧，充分改善燃烧质量。2）A型燃烧室的燃烧在整个室内都有B型的燃烧范围要比A型小C型燃烧

21、发生在燃烧室的上部不利于燃烧的进行。3）对于NO的排放方面，生成的速率和排放的质量最优的室A型，而B 型和C型基本是一致的。4）A型在燃烧的后期扩散燃烧的比较好因此可以采用将喷油推迟的方法使其最高的燃烧温度和压力降低。减少NO的生成，同时又改善了微粒和氮氧化物的排放。对燃烧室形状有研究的还有天津大学的焦运景，张惠明，田远，郑清平他们运用AVL公司开发的FIRE软件对不同形状的燃烧室进行了数值模拟，分析了缸内气体的流动情况，并对其排放情况和影响因素进行了分析和研究发现数值模拟的结果与实验所得结果能够很好的吻合4。继而得出结论：径深比太小的，不利于燃料和空气的良好混合，易造成局部缺氧，产生的碳烟比

22、较多，径深比如果过大燃料与空气混合虽然比较好但是温度上升比较快，NOx的生成量会增加。最终他们通过数值模拟的计算分析选取了形状最优的燃烧室。江苏大学的张程程和王谦对CA6DL1-30柴油机利用STAR-CD软件模拟不同燃烧室的凸台角度对混合物及雾化过程的影响以及缩口的直径对缸内气体的影响进行了研究5。并观察了不同形状的燃烧室对氮氧化物和烟尘排放的影响。他们发现：1）燃烧室中央凸台的形状对缸内气体的特性影响比较大，他们会影响气体的速度和方向。2）燃烧室的机构差异间接决定了发动机的排放特性和燃烧特性。3）C形燃烧室生成的烟尘比较少但是最终生成NOx的质量也比较大。对此他们发现推迟喷油可以同时降低颗

23、粒和氮氧化物。4）实际实验结果与模拟结果有着很好的吻合性，这说明数值模拟的这种方法可以代替部分实验，对燃烧室进行一定程度的优化设计，这项研究为柴油及内部系统的优化提供了一个权威的理论依据。（2）国外的现状来自于印度工程技术研究所汽车工程系的S. Jaichandar和马德勒斯技术学院汽车工程系的K. Annamalai研究了在直喷式柴油发动机中开放式燃烧室几何形状对生物柴油的燃烧以及废气排放的影响6。他们在不改变发动机压缩比的条件下使用了半球形，环形以及浅层燃烧室，结果他们发现：与在HCC和SCC中相比，在TCC中改进后的空气运动由于其几何形状改变了百分之二十的POME和空气的混合形式，这使得

24、其制动热效率得以提升，并且燃油消耗率比另外两种形状的燃烧室都要低。2）混合形式改变之后，在POME中的氧气的含量更高了，燃烧效果更好了，一氧化碳，UBHC和烟气的含量在TCC中比在其他形状的燃烧室中所产生的含量更低了。3）在POME中氧的存在和较好的燃烧使得燃烧室的温度提高了，从而导致氮氧化物的含量在TCC中比在HCC和SCC中更多了。4）由于燃烧室的壁温较高，空气较好的流通改变了混合的形式，因此在TCC中点或延迟发现的时间比在HCC和SCC中要晚。德黑兰Amirkabir科技大学伊朗理工学院的B. Yadollahi, M. Boroomand研究了在天然气直喷发动机中燃烧室的形状对注射和混

25、合配料的制备的影响，他也是应用AVL公司开发的FIRE软件所研究的课题进行了数值模拟7。他将研究分为了两个阶段，第一个阶段通过验证两种不同的情况来验证了模型的精度，结果发现：在模拟过程中，该模型能掌握所有的重要物理现象，并且在所有的验证情况下都能够很好地将数值模拟和实验数据吻合；在第二阶段中，它采用了已经被验证的移动网格验证模块，使用了五种不同形状的活塞头，并改动了喷油器的位置，在这基础上，对新型发动机的配置进行了讨论，提高了发动机的燃烧效率，降低了废弃的排放。当然，也有研究人员在燃料的选取方面进行了研究。比如来自于圣保罗大学理学院的Marcia Brajato和Jorge A.S. Tenr

26、io和美国陆军Natick士兵中心的 Joel B. Carlson等人对煤，甘蔗及其共混物的燃烧的排放进行了研究8。他们对燃料进行分级燃烧然后对其排放进行评估，结果发现，二氧化碳的排放在煤中是最高的，而一氧化碳和其粒子的排放大都来自于甘蔗。虽然来自于炉膛中煤及其共混物的一氧化碳和未完全燃烧的碳氢化合物并没有表现出明显的增减趋势但是甘蔗渣的排放随着温度的提升明显增多了。而来自韩国汉阳大学的Seung Hyun Yoon和Chang Sik Lee则研究了在发动机中沼气生物柴油双燃料燃烧时对燃烧性能和排放的影响9。为了分析单一燃料的燃烧和排放特性以及双燃料的燃烧方式他们在不同的条件下对燃烧压力和

27、热效率进行了评估。这项研究的结果表明：在不同的压力负荷条件下生物油和柴油分别单独燃烧时（单燃料燃烧模式）其燃烧模式是相似的。而在双燃料燃烧模式中，沼气和生物柴油的热释放率以及峰值压力稍低于沼气柴油低负荷时的状态。而在百分之六十的负荷状态时沼气生物柴油比沼气柴油具有更高的峰值压力和平均指示有效功率。双燃料的燃烧模式相比单燃料的NOx的排放量要低。同时沼气生物柴油的燃料中由于芳香烃较少，较低的含硫量因此烟尘的排放量比较少。韩国汉阳大学机械工程系的Hyung Jun Kim和Kwan Soo Lee以及Chang Sik Lee则研究了关于通过在均值冲量压缩点火的二甲醚发动机中利用窄的喷射角和提前喷

28、射定时技术减少废气排放的课题10。在这项研究中，他们将活塞头的形状加以修改换为了窄的喷射角和提前的喷射定时，通过一个化学动力模型计算了喷雾，燃烧和排放的特性。其计算结果与实验结果有着很好的一致性：1）在废气排放量的验证方面，Nox的排放在喷射开始后显示一个较低的数值，这一趋势在进行对Nox排放的计算时得到验证。另外烟灰与一氧化碳的排放与实验结果也是一致的。2）在上死点前30度喷射定时时NOx的排放量明显降低，然而在上死点前70度的喷射定时中碳氢化合物和一氧化碳排放的含量明显很高。同时随着喷射定时的提前IMEP 和ISFC分别有降低和增加的趋势。3）对于发动机的性能，随着喷油量的增加IMEP也随

29、之增加，但这却导致了燃料的加速消耗。随着喷射定时的提前，IMEP和ISFC分别呈现出减少和增加的趋势。在此基础上，IMEP和ISFC可以将在HCCI中对DME的优化作为一个未来的试验工作去做。来自北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程的的Myles D. Bohon，Brian A. Metzger，William L. Roberts，和美国环境保护局国家风险研究实验室空气污染和预防部门的William P. Linak以及美国杰拉蒂和米勒公司的Charly J. King做了甘油的燃烧和排放的研究11。因此他们开发了一个高涡流耐火材料燃烧器并提供了一个最初的气体排放特性以供参考。在此实验中他

30、们得出的结论是：1）甘油的最佳燃烧与运行是在非常高的漩涡和过量的空气下进行的。2）Nox以外，两个燃烧器产生的气体排放物与天然气和馏分燃料油的排放物相似，这也表明燃烧的效率较低碳氢排放量比较少。3）从原型燃烧器中排放的NOx比从内衬炉中的燃料燃烧排放要低20倍多。4)羰基排放量的初步测定表明与普通的化石燃料相比，甲醛和乙醛的排放量仅仅比空气大十倍，所测定丙烯醛的含量比17.5ppb要低，在这项工作中的第二阶段优先测定羰基化合物的含量。美国斯坦福大学机械工程系的Varun Mittal和德国亚申工业大学研究所的Heinz Pitsch研究了在可变压力下预混火焰的燃烧，他们认为这项研究对于建模装置

31、来说是非常重要的12。在这些条件下，他们提出了一些研究燃烧的新的模式。该模型能够显示由可变压力所引起的温度变化。该模型所使用的方法已被广泛用于等压预混火焰。此外，该模型在不同的湍流强度和长度尺寸方面验证了DNS模型。 2.2 内燃机热力学模型的选择内燃机工作过程的模拟计算，最早采用的是热力学模型，这种模型是建立在简单热力学关系基础之上的一种近似的、半经验的计算方法。这种模型的基本思路是：从物理过程出发，用常微分方程对系统的各个实际工作过程进行数学描述，通过编制计算机程序以求得到气缸内各参数的变化规律，然后再通过相应的计算公式，计算出发动机的宏观性能参数。一、模型的假定1）不考虑气缸内各点的温度

32、、压力和浓度的差异，认为气缸内的状态是均匀的。2）工质的比热容、比热力学能和比焓等热力学参数仅与气体的温度和气体的成分有关。3）不考虑进排气系统的压力和温度波动对进排气过程的影响，气体的流动视为准稳态流动，且不计气体流入和流出时的动能4）不考虑气体的泄露损失二、基本微分方程组计算内燃机工作过程的通用方程组可由热力学第一定律、质量守恒定律以及气体状态方程并经过适当的转换可得： 式中，为曲柄转角；为缸内气体的压力、容积和温度；为与气体交换的热量；为气体的质量；为比热力学能，为比焓；为气体常数；为瞬时过量空气系数；下标为为通过气缸门进入气缸的气体，下标为通过排气门流出气缸的气体，下标为燃料燃烧放热项

33、，下标通过壁面与系统外发生的热量交换。将上述方程组求解后，就可以得到温度、压力、质量三个参数和曲柄转角的关系，但是由于方程组中还有多个待求解的微分变量，因此必须建立相应的微分方程才能够是这个方程组封闭。需要补充的方程组是：1）气缸的工作容积 式中、和（曲柄连杆比）可以根据发动机的结构参数定。上式对求导后即为。2）气体的流动工质进、流出气缸的质量流率，可以由气体流经节流元件的计算关系式，一般关系是： 3）热交变换 式中各传热表面积可以根据位移的情况以及发动机的几何参数确定，壁面温度根据统计值确定，传热系数根据经验公式可以得到。4）放热规律燃烧的放热规律是比较复杂的，故在本类模型中用一个简化的燃烧

34、规律来代替实际的燃烧过程程，本方程选用的是韦伯函数。5）工质的物性内燃机的工质是由空气和燃油组成的混合气，所以它的组合成分在燃烧前后有着明显的不同。所以为了方便起见柴油机往往采用一个拟合多项式，以此用来计算工质的摩尔热力学能。式中为摩尔热力学能三 缸内实际工作过程的计算根据上式所建立的微分方程式就可以对内燃机的实际工作过程进行零维热力学计算。当计算回到初始的压缩点时，比较它们两次计算的结果，如果还是达不到精度的要求就将计算的到的终点参数作为初始参数，再次重新迭代计算，直到达到要求的精度。四 内燃机性能计算按照上述数值模拟计算的方法，就可以求出气缸内的压力、温度随着曲轴转角的变化关系。 第三章

35、计算的结果与讨论3.1 初始条件及几何条件的给定本文研究的是内燃机中的燃烧室对燃烧过程的影响，初始燃烧室的形状如图1所示 图3.1 燃烧室的基本参数有关发动机的一些性能的设定是：发动机的形式是直列六缸，增压中冷，发动机的转速时1400转每分；燃烧室的形状是直喷式缩口形燃烧室；最大的喷射压力是160MPa；气缸的直径是105mm，行程是125mm；喷油器有8个喷孔；连杆的长度是210mm；喷射的夹角是150度；压缩比是16:1；喷孔的直径是0.15mm。数值模拟开始是在225度，结束时刻是495度。喷油开始的时刻是355度，而结束的时刻是在368度。1、使用FIRE数值模拟软件进行数值的模拟与计

36、算，模拟的答大体步骤是：1）根据所给定的初始数据确定燃烧室的形状；2）对燃烧室进行网格的划分；3）设定初始参数和边界条件；4）进行模拟计算直到得出所有结果。5）在只是改变燃烧室形状的前提下，重复以上步骤；6）将所模拟各个工况的燃烧室模拟出的结果的温度、压力、瞬时放热率、二氧化碳的质量分数、NO的质量分数、C12H26的质量分数以及烟尘的质量分数与曲柄转角的关系以图表的形式输出出来；2、其具体的计算过程如下：1）确定燃烧室的形状所需参数是：表3.1 初始参数的设定名称设定名称设定气缸直径105mm 计算开始时刻227度压比16:01计算结束时刻495度连杆长度210mm 喷油开始时刻355度气缸

37、行程125mm 喷油结束时刻368度气缸的数量一般只是计算一个，由于曲柄直径为气缸行程的二分之一，故其直径为62.5mm。对于燃烧室的形状 图3.2 燃烧室形状 图2中用字母所表示的是我们要设定的，其各值如下表3.2所示3.2 初始参数的设定名称 数值（m）名称数值（m）R10.0018Da0.078R20.003Di0.068R2(Z)0.005S10R30.0055Tm0.005R3(X)0.0318Dm0.01R3(Z)0.012在CAD 中绘制出的图3.3如图所示 图3.3 燃烧室1为了顺利地进行数值模拟，只有这些是远远不够的，下一步是选取喷射器，我们选取第三种，如图3.4所示 图3.

38、4 喷射器的形状当然，用字母表示的也是要设定的，其表3.3如下表3.3 喷射器参数的设定 Iw0.0015m R20.0005m Ih0.0025m R2(X)0.0015m R10.001m R2(Z)0.0013m 2）对燃烧室进行网格的划分 图3.5 输出2D网格图本网格共画了2635个，其中间喷油部分还做了加密处理，边界网格用了238个，并无相交的网格。 图3.6 输出3D网格图 图3.7 输出3D网格图2）设定初始参数和边界条件在求解器中的运行模式我们要设定一些参数，运行的模式选取了曲柄的角度，在此，我们只是计算一个气缸行程就可以，因为是始终重复这个过程。另外进气和排气在这里是不加以

39、考虑的，因此，起始角度设定为225度，结束角度设定为495度。发动机的转速设定为1400转每分钟。为了节省时间减少不必要过程计算的繁复性，我们设定几个计算曲柄角的上止点，在此，我们设定四组即可，曲柄角的上止点分别是 355度370度400度495度，为了加快计算过程，计算的间隔我们可以加以设定，分别是每间隔2,0.5，2,3度计一次，在模型激活选项中我们要勾选的是流动模型，燃烧排放和喷雾。另外，我们还要选取空气的流动特性。初始条件对于模拟来说还是要设定的，在此我们要设定初始的温度压力以及密度等条件，其表3.4如下：表3.4 边界条件的设定名称参数压力295000pa温度440K湍动能22.26

40、m/s混合长度0.0075m 起始的温度，密度与压力是设定的。湍动能TKE=（3/2）*u2 而u=0.5*cm , cm=2*h*（n/60）其中cm为活塞的主要速度，u为HD内燃机的主要速度，h为气缸的行程，n为内燃机的速率，混合长度TLS=hv/2。计算初始时刻缸内气体的残余废气的质量分数EGR mass fraction 取为0。EGR composition 定义的是残余废气中氧的含量取其值为1，表明没有氧气。本课设由于没有计算EGR，故取为0。 在求解器控制中进行数值模拟时结构并不是一次就能得出来的，需要很多次的迭代，并且所求的结果也是比较多的。故在这里有必要设置一下其求解的标准，

41、为了是所求结果趋于准确，而又节省时间，在这里我们设定其最多迭代100次最少迭代10次。表3.5 收敛标准的设定收敛标准最大迭代次数100最小迭代次数10 3）参数设定完成后就能进行模拟了，模拟过程是计算机本身进行大量的迭代计算。所模拟出的结果是随着曲柄转角从225度到495度的变化燃烧室内的各个参数的变化情况的数据。3.2 改变压比对燃烧过程的影响改变压比后的各个参数与曲柄转角的关系图形如下图所示：图3.8 曲柄转角与C12H26的主要质量分数的关系由图3.8可知，随着压比的增加，C12H26的主要质量分数也会随着增加。但是三条曲线的趋势是一致的，都是先增加，增加到一定值后便随着曲柄转角的变化

42、逐渐降低。且是大概在380度处达到最大值。 图3.9 曲柄转角与CO2的主要质量分数的关系由图3.9可知，随着压比增加CO2的主要质量分数会减少。且三条曲线的趋势是一致的都是呈现出现增加，增加到一定之后不再变化。都是在368度的时候达到最大值。图3.10 曲柄转角与NO的主要质量分数的关系由图3.10可知，压比为15时，NO的质量分数的最大值是最大的，压比为17的此之，压比为16的最小。三条曲线的变化趋势基本一致，都是从368度时开始增加，而都是大概到了380度是带到最大值，之后不再随曲柄转角的变化而变化。ATDC图3.11 曲柄转角与瞬时放热率的关系由图3.11可知，随着压比的变化，瞬时放热

43、率并未太大的变化。三条曲线基本上重合在了一起。三条曲线都是在355度时陡然增加，到368度时达到最大值，之后便随着曲柄转角的变化急剧减小。图3.12 曲柄转角与温度的关系由图3.12可知，随着压比的增加，温度的变化并不是太明显。而且三条曲线的变化趋势是一致的。都是随着曲柄转角先是缓慢的变化，到了355度后便是急剧的增加，在380度时达到最大值。之后便是随着曲柄转角的变化而逐渐的减少。图3.13 曲柄转角与烟尘的主要质量分数的关系由图3.13可知，随着压比的增加，三条曲线的变化是基本一致的，烟尘的的主要质量分数在曲柄转角为368度时达到最大值，之后随着曲柄转角的变化逐渐减小。图3.14 曲柄专角

44、与压力的关系由图3.14可知，三条曲线随着压比的增加，最高压力值有所增加。但是三条曲线的趋势是基本一致的，都是随着曲柄转角的增加，压力逐渐增加，大概达到380度时达到最大值，之后便是随着曲柄转角的的压力逐渐减小。3.3 改变喷嘴形状对燃烧过程的影响在原有燃烧室的基础上对喷嘴加以改进了，改进后的图是 图3.15 改变喷嘴后的燃烧室通过将喷嘴的Ih和Iw减小使得喷嘴部分比先前的喷嘴形状变陡峭了了，也就是没有第一个工况的喷嘴位置平缓。 图3.16 温度与曲柄转角的关系由图中可以看出，当只是改变喷嘴的形状时，温度有所上升。并且温度改变的趋势是一致的。 图3.17 NO的主要质量分数与曲柄转角的关系由本

45、图可以看出，当燃烧室中的喷嘴改变形状后（第二种燃烧室），NO的质量分数相对于燃烧室1有着很明显的变化，并且NO的质量分数比喷嘴未改变前要高很多。当然，它们的变化趋势是一致的。 图3.18 烟尘的主要质量分数与曲柄转角的关系由图中可以看出，烟尘随着曲柄转角的主要质量分数变化是一致的，但是喷嘴的形状改变后烟尘的质量分数明显降低了。 图3.19 压力与曲柄转角的关系由上图可知，随着喷嘴的形状的改变，燃烧室的压力有所上升，并且压力随着曲柄转角的变化两者的趋势是一致的。 图3.20 CO2的主要质量分数与曲柄转角的关系由上图可知，CO2的质量分数在喷嘴改变后，是有所增加的。但是两者的变化趋势是一致的，都

46、是随着曲柄转角的变化在喷油开始后急剧的增加然后在喷油停止后达到最大值便不再发生变化。 图3.21 瞬时放热率与曲柄转角的关系由上图可知，喷嘴改变前后对于瞬时放热率的影响并不是太大，两条曲线是基本重合的。 图3.22 C12H26的主要质量分数与曲柄转角的关系由上图可知，喷嘴改变后，随着曲柄转角的变化，C12H26的主要质量分数有所减低，但是两者的变化趋势是一致的。另外，第一种燃烧室模拟出的在曲柄转角为360度时截面的各个参数的剖面图如图所示 图3.23 曲柄转角为360度时的截面的温度剖面图 图3.24 曲柄转角为360度时的截面的压力剖面图 图3.25 曲柄转角为360度时的截面的烟尘剖面图

47、 图3.26 曲柄转角为360度时的截面的NO质量分数的剖面图结论结论1：随着压比的增加，温度、瞬时放热率都是随着压比的增大而增大，NO的主要质量分数变化并不是太大。随着压比的增加烟尘的主要质量分数降低了。可见只是通过更改压比来改变燃烧室的形状并不能起到将NO的主要质量分数和烟尘的主要质量分数同时降低的目的。结论2:喷嘴改变后，压力和温度都有所上升但是上升的幅度并不是太大，但是NO和CO2的主要质量分数都有所上升，烟尘的主要质量分数比为改变前要低。参考文献1. 朱坚 黄晨 尧命发 A 燃烧室几何形状对柴油机燃烧过程影响的数值模拟研究 内燃机工程10000925（2007）02014052唐维新

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