HSDI柴油機霧化與排放特性瞬態(tài)多維建模和數(shù)值研究

前言

內(nèi)燃機發(fā)出的功率占全世界所有動力裝備總功率的50％以上，為人類的進步做出了無法估量的貢獻。內(nèi)燃機在為人類造福的同時，消耗了大量的能源，造成越來越嚴(yán)重的污染：汽車尾氣排放、噪聲、溫室效應(yīng)、酸雨、……隨著人類對生活質(zhì)量的日益重視，人類對內(nèi)燃機的創(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)裝備為人類造福是人類可持續(xù)發(fā)展的基本原則，追求技術(shù)的完美是人類科學(xué)研究的永恒目標(biāo)。本書的出版就是這一思想的體現(xiàn)。內(nèi)燃機雖然應(yīng)用廣泛和技術(shù)成熟，但是隨著人類要求的提高，評價指標(biāo)的變化，它越來越體現(xiàn)出不完美，還存在進步的空間。為了提高內(nèi)燃機的性能，人類將研究的視線聚焦到了內(nèi)燃機工作過程的每一個環(huán)節(jié)和細節(jié)。改善燃燒、進排氣、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代能夠采用的所有先進技術(shù)。多維模型仿真就是新技術(shù)在內(nèi)燃機設(shè)計研究領(lǐng)域進行應(yīng)用的典型范例。柴油機工作過程的多維模型是近20年來伴隨著內(nèi)燃機技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)值分析技術(shù)和流體動力學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來的工程模型。它包括缸內(nèi)流體動力學(xué)多維模型，基于流體動力學(xué)的霧化多維模型，基于流體動力學(xué)的燃燒多維模型，基于流體動力學(xué)的排放多維模型。多維模型是以計算機代碼形式存在的計算機仿真工具，也是一種新方法。多維模型計算的技術(shù)關(guān)鍵包括復(fù)雜空間三維動態(tài)網(wǎng)格理論和方法、缸內(nèi)流體動力學(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)燃機設(shè)計和研究的計算機仿真優(yōu)化工具，探索內(nèi)燃機節(jié)能和降低有害排放的理論和方法?！禜SDI柴油機霧化與排放特性：瞬態(tài)多維建模和數(shù)值研究》對于網(wǎng)格算法、多維建模、CAE／CAD集成化、燃油霧化以及排放等5方面的研究進行詳細的描述?！　〉谝?，提出了內(nèi)燃機缸內(nèi)復(fù)雜空間動態(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)格劃分成動態(tài)區(qū)和靜態(tài)區(qū)，分別進行網(wǎng)格計算的方案；對動態(tài)區(qū)的網(wǎng)格提出運動方向的網(wǎng)格增減方法；對于垂直氣門，采用氣缸截面網(wǎng)格的插入方法；對于斜置氣門，采取動態(tài)網(wǎng)格的漂移計算等方法。　　第二，改進內(nèi)燃機KIVA仿真軟件代碼，進一步耦合柴油機缸內(nèi)多種物理和化學(xué)子模型，構(gòu)建內(nèi)燃機工作過程分析的多維模型。提出雙精度算法，創(chuàng)建基于PC計算機硬件的柴油機缸內(nèi)工作過程多維模型分析仿真平臺ICFD-CN。實驗表明：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，其變化趨勢與實驗吻合較好，數(shù)值誤差小。在模擬缸內(nèi)NOx和SOOT排放時，其變化趨勢與實驗吻合較好?！　〉谌ㄟ^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、時間和空間3因素的多維模型計算結(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)計方法，原創(chuàng)多維模型后處理可視化模塊代碼，設(shè)計圖形文件無限和有限命名方法，研制了內(nèi)燃機多維模型仿真可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)了HSDI柴油機工作過程多維模型分析CAE／CAD集成化?！　〈送猓岢隽瞬捎枚嗑S模型工具研究柴油機霧化和排放的方法。分析IISDI柴油機的霧化特性，獲得了1137型柴油機燃燒時噴射燃油不同狀態(tài)的時空分布規(guī)律，建立了1137型柴油機霧化特性與燃燒、排放以及柴油機經(jīng)濟性和動力性的聯(lián)系。最后，獲得了1137型柴油機NOx和SOOT排放特性，給出了1137型柴油機NOx和SOOT排放隨時間和空間的變化規(guī)律、SOOT的生成和氧化歷程，獲得了大量設(shè)計參數(shù)對于NOx和SOOT排放特性的影響規(guī)律?！　】傊禜SDI柴油機霧化與排放特性：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)格計算和耦合問題，在內(nèi)燃機CAE分析和其他的數(shù)值計算應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要參考價值。多維建模研究結(jié)果對于內(nèi)燃機設(shè)計和研究手段的現(xiàn)代化，對于我國節(jié)能和環(huán)保事業(yè)都是重要的科學(xué)支持。此外，對于計算機仿真、數(shù)值分析和計算流體動力學(xué)等學(xué)科走向應(yīng)用也具有一定的推動作用。CAE／CAD集成化研究結(jié)果不僅是HSDI柴油機的CAE分析的重要技術(shù)支持，而且對于其他內(nèi)燃機和其他工程領(lǐng)域的CAE技術(shù)、計算機應(yīng)用的發(fā)展具有參考價值?！　∪加挽F化和排放研究結(jié)果不僅為提高柴油機燃油經(jīng)濟性和滿足排放法規(guī)要求提供了策略和研究方法，而且還對于其他排放物、其他燃料內(nèi)燃機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)其價值，運用它會大大地減少試驗設(shè)備投資，節(jié)約試驗成本。

作者簡介

劉金武，1963年生，男，工學(xué)博士，原湖南工程學(xué)院教授，現(xiàn)為廈門理工學(xué)院教授，國家自然科學(xué)基金通訊評委，湖南省自然科學(xué)基金評委，湖南省內(nèi)燃機學(xué)會理事，湖南省黨外知識分子代表人物，湖南省知識分子聯(lián)誼會理事，湖南省無黨派代表人士。1984年以來，先后從事船舶工程、機械工程和動力工程學(xué)科的高等教育和科學(xué)研究工作。研究方向是內(nèi)燃機工作過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，主持和參與國家、省級課題20余項，獲國家專利2項。主要課題有：主持車用發(fā)動機虛擬實驗平臺研制(湖南大學(xué)國家“985”二期工程子項目)，主持內(nèi)燃機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)基金項目07JJ6077)，主持內(nèi)燃機燃燒過程計算機仿真平臺的二次開發(fā)(湖南省教育廳科研項目03c131)，主持KIVA計算結(jié)果的可視化技術(shù)研究(湖南工程學(xué)院科研項200201)，參與湖南省自然科學(xué)基金項目(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)基金項目(06JJ20018)“車用微粒捕集器復(fù)合再生過程氣粒兩相流動及燃燒數(shù)值模擬”等。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 課題的背景與意義1.1.1 HSDI柴油機霧化特性的研究意義1.1.2 HSDI柴油機排放特性的研究意義1.1.3 HSDI柴油機工作過程多維模型研究意義1.2 HSDI柴油機霧化特性的研究概況1.2.1 高壓渦流噴油器內(nèi)部流動1.2.2 射流的流體動力學(xué)行為1.2.3 射流蒸發(fā)過程1.2.4 射流碰壁過程1.3 HSDI柴油機排放特性的研究進展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 同時減少NOx和微粒1.4 HSDI柴油機工作過程多維模型現(xiàn)狀1.4.1 復(fù)雜空間三維動態(tài)網(wǎng)格生成技術(shù)1.4.2 缸內(nèi)流體動力學(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 課題來源與選題目的1.6 本課題擬解決的關(guān)鍵問題1.7 本課題的主要工作第2章 HSDI柴油機缸內(nèi)復(fù)雜空間動態(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 斜置氣門頂面和底面運動區(qū)升程方向網(wǎng)格算法2.2.5 節(jié)點漂移算法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)的流動模型3.2.2 KH模型3.2.3 Taylor類比破碎模型3.2.4 油滴蒸發(fā)模型3.2.5 射流碰壁模型 3.3 數(shù)值計算3.4 結(jié)果與討論3.4.1 物理參數(shù)對于未燃油質(zhì)量的影響3.4.2 空燃比對于混和氣分布的影響3.4.3 轉(zhuǎn)速對于混和氣分布的影響3.4.4 進氣溫度對于混和氣分布的影響3.5 本章小結(jié)第4章 HSDI柴油機缸內(nèi)行為瞬態(tài)多維建模與驗證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 實驗與仿真4.3.1 實驗設(shè)置4.3.2 實驗方案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)值計算5.4 結(jié)果與討論5.4.1 空燃比對NOx和S00T生成和氧化的影響5.4.2 轉(zhuǎn)速對NOx和SOOT生成和氧化的影響5.4.3 進氣溫度對NOx和SOOT生成和氧化的影響5.5 本章小結(jié)第6章 柴油機多維模型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 正軸測圖的投影變換矩陣6.2.2 正軸測圖的消影算法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)論與展望參考文獻致謝附錄A 公開發(fā)表的相關(guān)學(xué)術(shù)論文目錄附錄B 內(nèi)燃機缸內(nèi)行為仿真平臺(ICFD-CN)可視化模塊代碼

章節(jié)摘錄

插圖：HSDI柴油機缸內(nèi)行為瞬態(tài)多維建模與驗證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過程。燃燒過程決定柴油機的燃油經(jīng)濟性、動力性和排放，是柴油機缸內(nèi)行為的核心過程。對內(nèi)燃機缸內(nèi)的燃燒進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以及現(xiàn)實意義。多維模型考慮了不同的現(xiàn)象（湍流流動、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)燃機缸內(nèi)復(fù)雜的物理和化學(xué)變化等客觀因素與現(xiàn)實結(jié)果之問的聯(lián)系。建立多維模型的目的是通過考慮燃燒室內(nèi)溫度、成份、壓力、湍流和流場等因素及其變化來描述柴油機缸內(nèi)實際工作過程。由于多維模型提供每個幾何點的所有物理化學(xué)信息，以及隨著時間的變化，它比零維、一維、二維和準(zhǔn)維模型預(yù)測能力更強，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)動機設(shè)計者的重要工具。這些模型能夠指導(dǎo)設(shè)計者縮小選擇范圍，克服傳統(tǒng)分割一試驗方法的不足?？墒牵壳斑€必須進行包含計算方法在內(nèi)的某些簡化和假設(shè)。s.zanforlin為了更好地弄清動力學(xué)和湍流的各自作用，建立了柴油機燃燒數(shù)值模擬多維模型，并利用該多維模型研究了改變工況時湍流和化學(xué)動力學(xué)對于燃燒的影響，并提出了基于著名的簡化機理的詳細燃燒化學(xué)模型，結(jié)合簡化的層流一湍流特征時問模型的低計算量和低儲存需求的方法發(fā)現(xiàn)在燃燒早期的預(yù)測，噴射正時變化時，在碳煙與Nox換關(guān)系上，湍流起不到明顯的作用?？墒?，模型不允許次要的污染物質(zhì)的準(zhǔn)確預(yù)測，尤其是低負(fù)荷下的CO，以及未燃碳氫。

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《HSDI柴油機霧化與排放特性: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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