HSDI柴油機(jī)霧化與排放特性瞬態(tài)多維建模和數(shù)值研究

前言

內(nèi)燃機(jī)發(fā)出的功率占全世界所有動(dòng)力裝備總功率的50％以上，為人類(lèi)的進(jìn)步做出了無(wú)法估量的貢獻(xiàn)。內(nèi)燃機(jī)在為人類(lèi)造福的同時(shí)，消耗了大量的能源，造成越來(lái)越嚴(yán)重的污染：汽車(chē)尾氣排放、噪聲、溫室效應(yīng)、酸雨、……隨著人類(lèi)對(duì)生活質(zhì)量的日益重視，人類(lèi)對(duì)內(nèi)燃機(jī)的創(chuàng)新和鍥而不舍的研究是必然和必不可少的?？茖W(xué)合理地使用技術(shù)裝備為人類(lèi)造福是人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的基本原則，追求技術(shù)的完美是人類(lèi)科學(xué)研究的永恒目標(biāo)。本書(shū)的出版就是這一思想的體現(xiàn)。內(nèi)燃機(jī)雖然應(yīng)用廣泛和技術(shù)成熟，但是隨著人類(lèi)要求的提高，評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化，它越來(lái)越體現(xiàn)出不完美，還存在進(jìn)步的空間。為了提高內(nèi)燃機(jī)的性能，人類(lèi)將研究的視線聚焦到了內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)和細(xì)節(jié)。改善燃燒、進(jìn)排氣、增壓、廢氣再循環(huán)、電噴、霧化、污染物形成和排放后處理等全都成為研究目標(biāo)，并取得了可喜的成果。研究手段采用了同時(shí)代能夠采用的所有先進(jìn)技術(shù)。多維模型仿真就是新技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用的典型范例。柴油機(jī)工作過(guò)程的多維模型是近20年來(lái)伴隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值分析技術(shù)和流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的工程模型。它包括缸內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)多維模型，基于流體動(dòng)力學(xué)的霧化多維模型，基于流體動(dòng)力學(xué)的燃燒多維模型，基于流體動(dòng)力學(xué)的排放多維模型。多維模型是以計(jì)算機(jī)代碼形式存在的計(jì)算機(jī)仿真工具，也是一種新方法。多維模型計(jì)算的技術(shù)關(guān)鍵包括復(fù)雜空間三維動(dòng)態(tài)網(wǎng)格理論和方法、缸內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)偏微分方程組及其三維求解，各種物理、化學(xué)子模型的三維建模與耦合方法，后處理與可視化技術(shù)等方面內(nèi)容。

內(nèi)容概要

　　《HSDI柴油機(jī)霧化與排放特性：瞬態(tài)多維建模和數(shù)值研究》旨在研制用于內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)和研究的計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化工具，探索內(nèi)燃機(jī)節(jié)能和降低有害排放的理論和方法?！禜SDI柴油機(jī)霧化與排放特性：瞬態(tài)多維建模和數(shù)值研究》對(duì)于網(wǎng)格算法、多維建模、CAE／CAD集成化、燃油霧化以及排放等5方面的研究進(jìn)行詳細(xì)的描述?！　〉谝?，提出了內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)復(fù)雜空間動(dòng)態(tài)網(wǎng)格的生成算法，研制了用于多維模型的前處理器。提出將缸內(nèi)網(wǎng)格劃分成動(dòng)態(tài)區(qū)和靜態(tài)區(qū)，分別進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算的方案；對(duì)動(dòng)態(tài)區(qū)的網(wǎng)格提出運(yùn)動(dòng)方向的網(wǎng)格增減方法；對(duì)于垂直氣門(mén)，采用氣缸截面網(wǎng)格的插入方法；對(duì)于斜置氣門(mén)，采取動(dòng)態(tài)網(wǎng)格的漂移計(jì)算等方法?！　〉诙?，改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)KIVA仿真軟件代碼，進(jìn)一步耦合柴油機(jī)缸內(nèi)多種物理和化學(xué)子模型，構(gòu)建內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程分析的多維模型。提出雙精度算法，創(chuàng)建基于PC計(jì)算機(jī)硬件的柴油機(jī)缸內(nèi)工作過(guò)程多維模型分析仿真平臺(tái)ICFD-CN。實(shí)驗(yàn)表明：多維模型能夠模擬缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)放熱率和燃油消耗率，其變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)吻合較好，數(shù)值誤差小。在模擬缸內(nèi)NOx和SOOT排放時(shí)，其變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)吻合較好。　　第三，通過(guò)采用缸內(nèi)性能等值線和深度緩存消影算法，提出基于內(nèi)容、時(shí)間和空間3因素的多維模型計(jì)算結(jié)果提取和傳遞方法，提出CAE／CAD集成化數(shù)據(jù)傳遞的重要圖形文件的設(shè)計(jì)方法，原創(chuàng)多維模型后處理可視化模塊代碼，設(shè)計(jì)圖形文件無(wú)限和有限命名方法，研制了內(nèi)燃機(jī)多維模型仿真可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了HSDI柴油機(jī)工作過(guò)程多維模型分析CAE／CAD集成化?！　〈送猓岢隽瞬捎枚嗑S模型工具研究柴油機(jī)霧化和排放的方法。分析IISDI柴油機(jī)的霧化特性，獲得了1137型柴油機(jī)燃燒時(shí)噴射燃油不同狀態(tài)的時(shí)空分布規(guī)律，建立了1137型柴油機(jī)霧化特性與燃燒、排放以及柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的聯(lián)系。最后，獲得了1137型柴油機(jī)NOx和SOOT排放特性，給出了1137型柴油機(jī)NOx和SOOT排放隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律、SOOT的生成和氧化歷程，獲得了大量設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于NOx和SOOT排放特性的影響規(guī)律?！　】傊禜SDI柴油機(jī)霧化與排放特性：瞬態(tài)多維建模和數(shù)值研究》的網(wǎng)格算法研究結(jié)果解決了CAE分析中關(guān)鍵的網(wǎng)格計(jì)算和耦合問(wèn)題，在內(nèi)燃機(jī)CAE分析和其他的數(shù)值計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要參考價(jià)值。多維建模研究結(jié)果對(duì)于內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)和研究手段的現(xiàn)代化，對(duì)于我國(guó)節(jié)能和環(huán)保事業(yè)都是重要的科學(xué)支持。此外，對(duì)于計(jì)算機(jī)仿真、數(shù)值分析和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)等學(xué)科走向應(yīng)用也具有一定的推動(dòng)作用。CAE／CAD集成化研究結(jié)果不僅是HSDI柴油機(jī)的CAE分析的重要技術(shù)支持，而且對(duì)于其他內(nèi)燃機(jī)和其他工程領(lǐng)域的CAE技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展具有參考價(jià)值。　　燃油霧化和排放研究結(jié)果不僅為提高柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和滿足排放法規(guī)要求提供了策略和研究方法，而且還對(duì)于其他排放物、其他燃料內(nèi)燃機(jī)的霧化和排放研究同樣具有重要作用。尤其是在特殊工況下的霧化和排放研究更能體現(xiàn)其價(jià)值，運(yùn)用它會(huì)大大地減少試驗(yàn)設(shè)備投資，節(jié)約試驗(yàn)成本。

作者簡(jiǎn)介

劉金武，1963年生，男，工學(xué)博士，原湖南工程學(xué)院教授，現(xiàn)為廈門(mén)理工學(xué)院教授，國(guó)家自然科學(xué)基金通訊評(píng)委，湖南省自然科學(xué)基金評(píng)委，湖南省內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)理事，湖南省黨外知識(shí)分子代表人物，湖南省知識(shí)分子聯(lián)誼會(huì)理事，湖南省無(wú)黨派代表人士。1984年以來(lái)，先后從事船舶工程、機(jī)械工程和動(dòng)力工程學(xué)科的高等教育和科學(xué)研究工作。研究方向是內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程多維模型建模和仿真。發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文60余篇，其中，E1、SCI和ISTP三大檢索系統(tǒng)收錄13篇，主持和參與國(guó)家、省級(jí)課題20余項(xiàng)，獲國(guó)家專(zhuān)利2項(xiàng)。主要課題有：主持車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制(湖南大學(xué)國(guó)家“985”二期工程子項(xiàng)目)，主持內(nèi)燃機(jī)燃燒污染物形成歷程數(shù)字化解析方法研究(湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目07JJ6077)，主持內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)(湖南省教育廳科研項(xiàng)目03c131)，主持KIVA計(jì)算結(jié)果的可視化技術(shù)研究(湖南工程學(xué)院科研項(xiàng)200201)，參與湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(02jjy4034)“基于敏捷制造的數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)研究”，參與湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(06JJ20018)“車(chē)用微粒捕集器復(fù)合再生過(guò)程氣粒兩相流動(dòng)及燃燒數(shù)值模擬”等。

書(shū)籍目錄

第1章 緒論1.1 課題的背景與意義1.1.1 HSDI柴油機(jī)霧化特性的研究意義1.1.2 HSDI柴油機(jī)排放特性的研究意義1.1.3 HSDI柴油機(jī)工作過(guò)程多維模型研究意義1.2 HSDI柴油機(jī)霧化特性的研究概況1.2.1 高壓渦流噴油器內(nèi)部流動(dòng)1.2.2 射流的流體動(dòng)力學(xué)行為1.2.3 射流蒸發(fā)過(guò)程1.2.4 射流碰壁過(guò)程1.3 HSDI柴油機(jī)排放特性的研究進(jìn)展1.3.1 噴射策略與NOx和微粒排放1.3.2 EGR和增壓與NOx和微粒排放1.3.3 同時(shí)減少NOx和微粒1.4 HSDI柴油機(jī)工作過(guò)程多維模型現(xiàn)狀1.4.1 復(fù)雜空間三維動(dòng)態(tài)網(wǎng)格生成技術(shù)1.4.2 缸內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)研究的多維模型1.4.3 基于CFD的缸內(nèi)霧化特性的多維模型1.4.4 基于CFD的燃燒和排放特性的多維模型1.5 課題來(lái)源與選題目的1.6 本課題擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題1.7 本課題的主要工作第2章 HSDI柴油機(jī)缸內(nèi)復(fù)雜空間動(dòng)態(tài)網(wǎng)格算法研究2.1 本章引言2.2 數(shù)值算法2.2.1 算法基礎(chǔ)2.2.2 缸內(nèi)動(dòng)態(tài)網(wǎng)格算法2.2.3 氣缸截面網(wǎng)格算法2.2.4 斜置氣門(mén)頂面和底面運(yùn)動(dòng)區(qū)升程方向網(wǎng)格算法2.2.5 節(jié)點(diǎn)漂移算法2.3 結(jié)果與討論2.4 本章小結(jié)第3章 基于多維模型的HSDI柴油機(jī)霧化研究3.1 本章引言3.2 霧化模型與公式3.2.1 燃油在噴嘴孔內(nèi)的流動(dòng)模型3.2.2 KH模型3.2.3 Taylor類(lèi)比破碎模型3.2.4 油滴蒸發(fā)模型3.2.5 射流碰壁模型 3.3 數(shù)值計(jì)算3.4 結(jié)果與討論3.4.1 物理參數(shù)對(duì)于未燃油質(zhì)量的影響3.4.2 空燃比對(duì)于混和氣分布的影響3.4.3 轉(zhuǎn)速對(duì)于混和氣分布的影響3.4.4 進(jìn)氣溫度對(duì)于混和氣分布的影響3.5 本章小結(jié)第4章 HSDI柴油機(jī)缸內(nèi)行為瞬態(tài)多維建模與驗(yàn)證4.1 本章引言4.2 多維模型與算法4.2.1 多維模型體系結(jié)構(gòu)4.2.2 模型與公式4.2.3 數(shù)值算法4.3 實(shí)驗(yàn)與仿真4.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置4.3.2 實(shí)驗(yàn)方案4.3.3仿真方案4.4 結(jié)果與討論4.5 本章小結(jié)第5章 基于多維模型的HSDI柴油機(jī)排放研究5.1 本章引言5.2 排放模型與公式5.2.1 Surovikin碳煙生成模型5.2.2 Nagle碳煙氧化模型5.2.3 Zel'dovich氮氧化物生成模型5.3 數(shù)值計(jì)算5.4 結(jié)果與討論5.4.1 空燃比對(duì)NOx和S00T生成和氧化的影響5.4.2 轉(zhuǎn)速對(duì)NOx和SOOT生成和氧化的影響5.4.3 進(jìn)氣溫度對(duì)NOx和SOOT生成和氧化的影響5.5 本章小結(jié)第6章 柴油機(jī)多維模型CAE／CAD集成化技術(shù)研究6.1 本章引言6.2 數(shù)值算法6.2.1 正軸測(cè)圖的投影變換矩陣6.2.2 正軸測(cè)圖的消影算法6.2.3 缸內(nèi)性能等值線算法6.2.4 基于CAE／CAD集成的數(shù)據(jù)提取與傳遞方法6.3 結(jié)果與討論6.3.1 無(wú)限圖形文件與有限圖形文件生成6.3.2 ICFD-CN后處理可視化模塊的程序結(jié)構(gòu)6.3.3 HSDI柴油機(jī)缸內(nèi)性能等值線圖和網(wǎng)格消影圖6.4 本章小結(jié)結(jié)論與展望參考文獻(xiàn)致謝附錄A 公開(kāi)發(fā)表的相關(guān)學(xué)術(shù)論文目錄附錄B 內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)行為仿真平臺(tái)(ICFD-CN)可視化模塊代碼

章節(jié)摘錄

插圖：HSDI柴油機(jī)缸內(nèi)行為瞬態(tài)多維建模與驗(yàn)證4.1 本章引言柴油燃燒是發(fā)生在高溫高壓環(huán)境下可壓縮的、復(fù)雜的、湍流的、三維的和多相的流動(dòng)過(guò)程。燃燒過(guò)程決定柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放，是柴油機(jī)缸內(nèi)行為的核心過(guò)程。對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的燃燒進(jìn)行研究的案例不勝枚舉，缸內(nèi)燃燒研究具有艱難性、復(fù)雜性和全球性的特點(diǎn)以及現(xiàn)實(shí)意義。多維模型考慮了不同的現(xiàn)象（湍流流動(dòng)、噴射、燃燒和排放）和燃燒室?guī)缀涡螤钪g的相互作用，是內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)復(fù)雜的物理和化學(xué)變化等客觀因素與現(xiàn)實(shí)結(jié)果之問(wèn)的聯(lián)系。建立多維模型的目的是通過(guò)考慮燃燒室內(nèi)溫度、成份、壓力、湍流和流場(chǎng)等因素及其變化來(lái)描述柴油機(jī)缸內(nèi)實(shí)際工作過(guò)程。由于多維模型提供每個(gè)幾何點(diǎn)的所有物理化學(xué)信息，以及隨著時(shí)間的變化，它比零維、一維、二維和準(zhǔn)維模型預(yù)測(cè)能力更強(qiáng)，并能更好地將燃燒現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為數(shù)值信息。多維模型已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者的重要工具。這些模型能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)者縮小選擇范圍，克服傳統(tǒng)分割一試驗(yàn)方法的不足。可是，目前還必須進(jìn)行包含計(jì)算方法在內(nèi)的某些簡(jiǎn)化和假設(shè)。s.zanforlin為了更好地弄清動(dòng)力學(xué)和湍流的各自作用，建立了柴油機(jī)燃燒數(shù)值模擬多維模型，并利用該多維模型研究了改變工況時(shí)湍流和化學(xué)動(dòng)力學(xué)對(duì)于燃燒的影響，并提出了基于著名的簡(jiǎn)化機(jī)理的詳細(xì)燃燒化學(xué)模型，結(jié)合簡(jiǎn)化的層流一湍流特征時(shí)問(wèn)模型的低計(jì)算量和低儲(chǔ)存需求的方法發(fā)現(xiàn)在燃燒早期的預(yù)測(cè)，噴射正時(shí)變化時(shí)，在碳煙與Nox換關(guān)系上，湍流起不到明顯的作用?？墒牵Ｐ筒辉试S次要的污染物質(zhì)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，尤其是低負(fù)荷下的CO，以及未燃碳?xì)洹?/pre>




編輯推薦
《HSDI柴油機(jī)霧化與排放特性:瞬態(tài)多維建模和數(shù)值研究》由北京理工大學(xué)出版社出版。





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