天然气转子发动机缸内气流运动和燃烧过程的实验和数值模拟研究

【摘要】：在环境污染与能源危机日益严峻的今天,人们迫切需要更加清洁和高效的新型能源系统。天然气作为一种储量丰富、清洁、高效的新型燃料,被各国广泛应用于各种动力系统中。其中,端面进气天然气转子发动机不但具有质量轻、体积小、运行平稳、噪声小和低速性能好等优点,而且还利用了天然气优异的燃料特性,在电动汽车增程器等系统中相比往复式发动机更具优势。但是,转于发动机特殊的结构和运行方式与往复式发动机不同,导致缸内的混合气运动和燃烧过程也不同,其狭长的燃烧室会导致火焰在传播过程中容易出现淬熄而残留大量的未燃烃。当燃用天然气时,天然气较慢的燃烧速度会进一步加剧这一问题,而目前关于天然气转子发动机工作过程的基础研究还远远不足。因此,进行端面进气天然气转子发动机缸内气流运动和燃烧过程的基础研究,优化天然气转子发动机的结构和技术参数,有着重要的科学意义和实用价值。本文首先分析了转子发动机的发展背景和动态,在深入探讨天然气转子发动机开发难点的基础上,搭建了转子发动机可视化实验台,测试和分析了低转速工况下缸内中心截面上的二维流场的基本变化规律。同时,在FLUENT软件的基础上通过编程实现了动网格运动,并添加相应的湍流模型、燃烧模型、点火模型以及简化的化学反应机理,通过与实验数据的对比验证,得到了基于化学反应动力学的天然气转子发动机工作过程动态计算模型,并计算得到了实验不易获得的常用转速工况下缸内三维流场、温度场以及部分中间产物的浓度场的变化规律。并在此基础上,系统的研究了运行参数、结构参数以及掺氢措施对天然气转子发动机缸内流场、燃烧和排放的影响。研究过程中取得的具有学术意义和实用价值的研究成果如下：(1)完成了光学转子发动机台架的搭建。对采用端面进气的Z160F转子发动机进行了光学化改装,并通过加装倒拖电机、能控制电机转速的变频器、粒子图像测速系统(PIV)的相关设备、轴编码器和烟雾发生器等部件,搭建了用于测试转子发动机缸内中心截面二维流场的实验台架。(2)进行了低转速工况下缸内中心截面二维流场的定量测试,并分析得出中心截面二维流场结构和变化规律。采用PIV系统,以烟雾发生器产生的液滴为示踪粒子,成功拍摄出缸内流场。通过分析实验结果发现测试区域内的气流有沿逆时针运动的趋势,且在特定的曲轴转角处存在逆时针涡流结构。另外,进气阶段的速度到压缩阶段的速度是依次递减的。其原因是进气阶段时,高速进气气流进入气缸,导致缸内气流速度很大。到了压缩阶段,进气气流已经消失,缸内流场主要靠转子推动,缸内气流速度要小很多。(3)构建了缸内流动和燃烧计算模型,并进行了实验验证。在FLUENT软件的基础上,通过编程实现了三维网格的运动,并添加了合适的湍流模型、燃烧模型以及简化的化学反应机理,建立了基于化学反应动力学的端面进气天然气转子发动机三维动态数值模拟模型。通过与实验数据的对比,验证了模型的可靠性。(4)通过数值模拟,计算出了转子发动机常用转速工况下的缸内三维流场的演变规律。高速进气气流进入汽缸后与下端盖撞击,在燃烧室前部和后部产生涡团,其半径随着转子的运动不断变化。到了压缩阶段,由于燃烧室容积的减小,涡团最终会在上止点前完全破碎成单向流。分析计算结果还发现,燃烧室后部的气流绕过进气口流向前部时会逆时针转向形成新的涡流,该涡流即为PIV实验中拍摄到的中心截面上的涡流。(5)通过数值模拟分别研究转速、进气压力和进气角度对流场、充气系数和湍动能的影响。随着转速、进气压力和进气角度的增加,在进气阶段缸内流体的运动形式从涡流为主向滚流为主转变。发动机充量系数随着进气压力的增加而增加,随着转速和进气角度的增加呈现先增加后降低的趋势。发动机缸内的湍动能也随着转速和进气压力的增加而不断增加。计算条件下,当进气角度为15°时,缸内湍动能达到最大值。(6)通过耦合简化的化学反应机理计算出缸内着火和燃烧过程,并分析得到了火焰传播规律。点火时,由于前火花塞附近处在均匀的单向流区域,而后火花塞处在上端面附近的单向流区到下端面附近的滚流区的过渡区域,导致燃烧阶段前火花塞附近的火焰面对称发展而后火花塞附近出现了偏向下端面发展的火焰。燃烧过程的主要中间组分CH2O、OH、CO的质量分数均是先升高后降低,它们的峰值都在上止点后,而NO的生成速度明显低于甲烷燃烧的速度。(7)通过数值模拟研究了多种结构和运行参数如点火位置、点火提前角、凹坑位置、凹坑形状以及引火槽的设计对燃烧过程的影响。当发动机的后火花塞位于滚流区的后部时燃烧速率最大,这是由于充分利用了滚流对火焰的加速作用,且燃烧室后部的混合气可以及时燃烧。随着点火提前角的提前,燃烧速率不断提高,这是由于在滚流破碎时刻一定的情况下,火焰传播提前能更好的利用缸内滚流运动对火焰传播的加速作用。就燃烧室凹坑位置而言,当燃烧室凹坑位于转子曲面长度方向的前端和转子曲面宽度方向的中心时,燃烧过程利用了燃烧室中部高速斜向流区对火焰的加速作用,缸内整体燃烧速率得到提高。就燃烧室凹坑形状和引火槽而言,在中凹凹坑燃烧室上开设中置引火槽时,可进一步的增加燃烧室中部的高速斜向流区的面积,使得缸内的整体燃烧速率进一步增加。同时由于燃烧效率高,缸内平均温度也较高,NO生成量也增多。(8)掺混氢气可以显著提高天然气转子发动机的燃烧效率。对比其它的氢气喷射方式,采用缸内低压早期喷射方式时缸内的燃烧速率最大。这主要是因为点火时刻缸内氢气分布较为均匀并且后火花塞的前部存在一个氢气的高浓度区,这种氢气浓度分布使得火焰在传播过程中更充分利用了高浓度氢气对火焰传播速度的加速作用,缸内整体燃烧速率最大。本文为端面进气天然气转子发动机的研究提供了实验和模拟基础,并为其燃烧效率的提高提供了理论指导。同时,论文中提出的研究方法和得出的结论对于其它燃料转子发动机系统的开发也有一定的参考价值。 【关键词】：天然气 转子发动机 流场 燃烧过程 PIV实验 三维动态模拟 影响因素
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-16
• 第一章 绪论16-32
• 1.1 转子发动机的工作原理及优缺点16-21
• 1.1.1 转子发动机的工作原理16-18
• 1.1.2 转子发动机的特点18-19
• 1.1.3 转子发动机与往复式发动机的区别19-20
• 1.1.4 转子发动机的分类20-21
• 1.2 天然气转子发动机的优势21-23
• 1.2.1 天然气的优势21-22
• 1.2.2 天然气发动机的特点22
• 1.2.3 端面进气天然气转子发动机的优势22-23
• 1.3 国内外转子发动机的发展及应用现状23-25
• 1.3.1 国内发展及应用现状23-24
• 1.3.2 国外发展及应用现状24-25
• 1.4 国内外转子发动机的研究概况25-30
• 1.4.1 国外研究概况25-29
• 1.4.2 国内研究概况29-30
• 1.5 本文研究的意义及主要研究内容30-32
• 第二章 转子发动机缸内流场的实验研究32-48
• 2.1 PIV测量技术32-39
• 2.1.1 PIV测试系统33-36
• 2.1.2 测试转子发动机缸内流场的附件36-38
• 2.1.3 示踪粒子的选择38-39
• 2.2 可视化转子发动机的改装39-42
• 2.3 光学转子发动机流场测试实验台的搭建42-43
• 2.4 实验测量的条件及步骤43
• 2.5 进气和压缩阶段的流场测试结果43-46
• 2.6 本章小结46-48
• 第三章 计算模型的建立及验证48-68
• 3.1 FLUENT软件简介49
• 3.2 物理模型的建立49-52
• 3.2.1 几何模型的建立49-50
• 3.2.2 网格的划分及动网格的设置50-52
• 3.3 数学模型的建立52-59
• 3.3.1 基本控制方程52-54
• 3.3.2 湍流模型54-55
• 3.3.3 点火模型55
• 3.3.4 燃烧模型和简化甲烷反应机理55-58
• 3.3.5 NO生成模型58-59
• 3.3.6 边界条件的设定59
• 3.4 网格密度和时间步长对计算结果的影响59-60
• 3.5 模型的验证60-67
• 3.5.1 湍流模型的验证60-65
• 3.5.2 甲烷简化反应机理的验证65-66
• 3.5.3 燃烧模型的验证66-67
• 3.6 本章小结67-68
• 第四章 转子发动机缸内流场的模拟研究68-96
• 4.1 转子发动机缸内流动过程68-76
• 4.1.1 缸内流场的变化过程68-75
• 4.1.2 缸内平均速度和湍动能75-76
• 4.2 转速对缸内流场的影响76-83
• 4.3 进气压力对缸内流场的影响83-89
• 4.4 进气角度对缸内流场的影响89-94
• 4.5 本章小结94-96
• 第五章 天然气转子发动机燃烧过程的模拟研究96-134
• 5.1 天然气转子发动机缸内燃烧过程96-100
• 5.1.1 燃烧行程的火焰传播过程97-99
• 5.1.2 缸内压力和关键组分的变化过程99-100
• 5.2 点火位置和点火提前角对天然气转子发动机燃烧过程的影响100-110
• 5.2.1 火花塞布置对燃烧过程的影响101-106
• 5.2.2 火花塞布置对OH质量分数和缸内压力的影响106-107
• 5.2.3 火花塞布置对缸内平均温度和NO的影响107-108
• 5.2.4 点火提前角对燃烧过程的影响108
• 5.2.5 点火提前角对OH质量分数和缸内压力的影响108-109
• 5.2.6 点火提前角对缸内平均温度和NO的影响109-110
• 5.3 燃烧室凹坑位置对天然气转子发动机燃烧过程的影响110-119
• 5.3.1 转子曲面长度方向的燃烧室布置对燃烧过程的影响111-116
• 5.3.2 转子曲面宽度方向的燃烧室布置对燃烧过程的影响116-117
• 5.3.3 燃烧室布置对OH质量分数和缸内压力的影响117-119
• 5.3.4 燃烧室布置对缸内平均温度和NO的影响119
• 5.4 燃烧室凹坑形状和引火槽的设计对天然气转子发动机燃烧过程的影响119-131
• 5.4.1 燃烧室形状对燃烧过程的影响121-127
• 5.4.2 引火槽对燃烧过程的影响127-129
• 5.4.3 燃烧室结构对OH质量分数和缸内压力的影响129-130
• 5.4.4 燃烧室结构对缸内平均温度和NO的影响130-131
• 5.5 本章小结131-134
• 第六章 掺氢对天然气转子发动机燃烧过程的影响134-152
• 6.1 掺氢方式的介绍134-136
• 6.2 有无掺氢工况下的流场对比136-138
• 6.3 掺氢工况下氢气喷射后在缸内的运动过程138-142
• 6.3.1 进气道喷射掺氢方式时的氢气缸内运动过程138-139
• 6.3.2 低压喷射掺氢方式时的氢气缸内运动过程139-141
• 6.3.3 中压喷射掺氢方式时的氢气缸内运动过程141-142
• 6.3.4 高压喷射掺氢方式时的氢气缸内运动过程142
• 6.4 掺氢工况下不同掺氢方式的缸内燃烧过程142-149
• 6.4.1 点火时刻不同掺氢方式缸内流场的分布142-143
• 6.4.2 点火时刻不同掺氢方式下的缸内氢气分布143-145
• 6.4.3 不同掺氢方式下的缸内火焰传播过程145-149
• 6.5 有无掺氢工况下缸内压力和NO排放的对比149-151
• 6.6 本章小结151-152
• 第七章 结论与展望152-156
• 7.1 结论152-154
• 7.2 论文创新点154-155
• 7.3 建议及展望155-156
• 参考文献156-164
• 致谢164-166
• 博士期间发表的学术论文和取得的研究成果166-168

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