（动力工程及工程热物理专业论文）基于kiva3v的乙醇汽油燃烧过程仿真研究.pdf

investigation on numerical simulation of combustion process of ethanol and gasoline based on kiva-3v a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by yunsheng wang supervisor: prof. zuwei he major: power engineering and engineering thermophysics college of power engineering of chongqing university , chongqing, china. april 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘 要 内燃机作为常用的燃烧装置，消耗的能源量占世界石油消耗量的一半以上。 在当今能源危机与环境污染日益严重的情况下， 很多国家开始研究车用代用燃料， 用含水乙醇来部分代替汽油作为内燃机燃料逐渐被广泛的研究和应用。 kiva-3v 是美国 los alamos 国家实验室推出的内燃机过程仿真程序集，该 程序在国际上处于领先的水平，不仅可以直观反映缸内流场信息及燃烧过程，还 可以根据需要进行变参数的研究，为内燃机的技术革新提供理论支持。 本课题作为重庆市科委醇类汽油关键技术及生产示范重点攻关项目的一 部分，以台架试验所采用的 jl368q 汽油机为仿真对象，基于 kiva-3v 程序集对 含水乙醇汽油进行了一系列的研究，其主要工作有： 研读了 kiva 的运行方式和结构组成，对实验所用程序进行了微机化移植并 将含水乙醇汽油 e30w、e50w 的物性参数添加到主程序燃料库中；为了能够更 直观、详细的分析仿真结果，本文根据计算需要修改了部分输出语句，并编制了 otape9 与专业流场可视化软件 fieldview 之间的接口程序，提供了丰富的流 场分布信息； 本文利用对 jl368q 汽油机所建立的网格，进行了 e30w、e50w、汽油燃烧 过程的仿真计算。获取了每种燃料缸内气体压力、温度与 nox、co 随曲轴转角 的变化关系，并对三种燃料进行对比分析，得出了有意义的结论； 进行了含水乙醇汽油与汽油的变参数研究，在改变点火提前角、涡流比、负 荷的基础上，对三种燃料缸内气体压力和温度以及排放随曲轴转角的变化规律进 行研究，获取了不同燃料缸内气体压力和温度随曲轴转角的变化关系，获取了不 同燃料 nox、co、co2的排放分布规律。并将含水乙醇汽油的仿真结果与汽油仿 真结果进行对比，分析其原因，得出了有现实意义的结论。 关键词：关键词： 乙醇汽油，kiva-3v，仿真计算，汽油机 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 abstract internal-combustion engine, as commonly used installation, accounts for half consumption of petrol of the world. since our world is now confronted with the energy shortage crisis and increasingly deteriorate environment contamination, many countries has begun the study and application concerned with automobile substitute fuel material, that is how to partly substitute hydrated ethanol petrol for petrol now commonly used as fuel of internal-combustion engine. kiva-3v, advanced by american national laboratory, los alamos, is a international advanced programming set simulating the working process of internal-combustion engine and not only is it capable of directly displaying flow distribution information and burning consumption process within internal-combustion engine ,but it is also able to make further research about parameters according to varying needs so as to supply theory support for technological reform of internal-combustion engine. this research, as the significant part of research of the core technology of alcohol gasoline and emplary production belong to chongqings science and technology commission, based on kiva-3v programming set, use jl368q , a double fuel material internal-combustion engine, as simulation subject and make a series of research: make some software transplantation about the programming set and add nature parameters of hydrate ethanol petroleum of e30w、e50w to main programming database after intensive reading about operation process of kiva and its structure formation; according to computers need, rewrite some software instructions and composite a programming process connecting otape9 and fieldview, a kind of professionally smoothing and visual software, so as to provide a variety of flow distribution information and more direct and in-detailed analyzing simulation results. by use of grid established on jl368q , a double fuel material internal-combustion engine, this paper displays the simulation results of e30w、e50w and the process of petrol burning . after obtaining the every gas cylinders relationship of gas pressure , temperature and constant changing nox andco according to changing axis angle of crankshaft, this paper come to useful conclusion through analysis of three kinds of fuel 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 material. in the meanwhile, this paper obtains the results of interacting relationship of different gas cylinders,gas pressures and their own temperatures changing with axis angle of crankshaft and individual exhaustion distribution features of nox、co、co2 from different fuel material after deep research of variable parameters of petrol and hydrated ethanol petroleum and research of gas pressures, temperatures and exhaustion law with the change of axis angle of crankshaft from three different gas cylinders after changing the time of fire, ignition advance angles and load. whats more, these papers compares the simulation results between petrol and hydrated ethanol petrol and analyze them and finally come to result which may shed applicable light into the real world. key words: ethanol and gasoline, kiva-3v, numerical simulation, electronic fuel injection gasoline engine 重庆大学硕士学位论文 目录 iv 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 引言引言 . 1 1.1.1 课题提出的背景 . 1 1.1.2 课题提出的意义 . 1 1.2 内燃机燃料及内燃机仿真研究现状内燃机燃料及内燃机仿真研究现状 . 2 1.2.1 内燃机燃料发展现状 . 2 1.2.2 内燃机仿真软件研究概况 . 4 1.3 内燃机燃烧模型及模拟计算方法概述内燃机燃烧模型及模拟计算方法概述 . 6 1.3.1 三种模型的发展和概况 . 6 1.3.2 网格划分 . 7 1.3.3 数值计算方法简述 . 8 1.4 本论文主要研究工作本论文主要研究工作 . 9 1.5 本章小结本章小结 . 10 2 .kiva-3v 程序基本理论及运行方法程序基本理论及运行方法 . 11 2.1 控制方程和数学模型控制方程和数学模型 . 11 2.1.1 质量守恒方程 . 11 2.1.2 动量守恒方程 . 11 2.1.3 能量守恒方程 . 12 2.1.4 状态方程 . 12 2.1.5 湍流模型 . 12 2.1.6 化学守恒方程 . 13 2.1.7 kiva-3v 中的传递系数 . 14 2.2 喷雾模型和方程喷雾模型和方程 . 14 2.3 氮氧化物生成模型氮氧化物生成模型 . 15 2.4 边界条件边界条件 . 16 2.5 数值方法数值方法 . 17 2.6 前处理前处理 . 17 2.7 主程序主程序 . 17 2.8 后处理后处理 . 18 重庆大学硕士学位论文 目录 v 2.9 本章小结本章小结 . 22 3 汽油机燃烧过程仿真汽油机燃烧过程仿真 . 24 3.1 燃烧室网格的生成燃烧室网格的生成 . 24 3.1.1 发动机燃烧室和燃料的主要参数 . 24 3.1.2 燃烧室和活塞凹坑轮廓图 . 25 3.1.3 汽油机燃烧室网格生成 . 26 3.2 计算结果与对比分析计算结果与对比分析 . 26 3.2.1 三种燃料缸内平均压力及平均温度对比 . 27 3.2.2 三种燃料 nox 与 co 排放对比 . 28 3.2.3 缸内点火燃烧过程模拟 . 29 3.3 模型验证模型验证 . 31 3.4 本章小结本章小结 . 32 4 三种燃料在三种燃料在 jl368q 汽油机上的变参汽油机上的变参数研究数研究 . 33 4.1 点火提前角对汽油机燃烧过程主要性能的影响点火提前角对汽油机燃烧过程主要性能的影响 . 33 4.1.1 燃烧汽油时点火提前角对最大爆发压力 pmax 和最高燃烧温度 tmax 的影响 33 4.1.2 燃烧 e50w 时点火提前角对最大爆发压力 pmax 和最高燃烧温度 tmax 的影响 . 35 4.1.3 燃烧汽油时点火提前角对 nox 和 co 的影响 . 36 4.1.4 燃烧 e50w 时点火提前角对 nox 和 co 的影响 . 37 4.2 涡流比对汽油机燃烧过程主要性能的影响涡流比对汽油机燃烧过程主要性能的影响 . 38 4.2.1 燃用不同燃料时涡流比对缸内压力的影响 . 38 4.2.2 燃用不同燃料时涡流比对缸内温度的影响 . 41 4.2.3 燃用不同燃料时涡流比对缸内最高爆发压力的影响 . 44 4.2.4 燃用不同燃料时涡流比对 nox 的影响 . 45 4.2.5 燃用不同燃料时涡流比对 co 的影响 . 46 4.2.6 燃用不同燃料时涡流比对 co2 的影响 . 47 4.3 燃用不同燃料时负荷对燃烧过程的影响燃用不同燃料时负荷对燃烧过程的影响 . 48 4.3.1 燃烧不同燃料时负荷对最大爆发压力 pmax 和最高燃烧温度 tmax 的影响 . 48 4.3.2 燃烧不同燃料时负荷对 nox的影响 . 52 4.3.3 燃烧不同燃料时负荷对 co 的影响 . 53 4.3.4 燃用不同燃料时负荷对 co2 的影响 . 54 4.4 本章小结本章小结 . 55 5 全文总结与展望全文总结与展望 . 57 5.1 总结总结 . 57 重庆大学硕士学位论文 目录 vi 5.2 展望展望 . 58 致致 谢谢 . 60 参考文献参考文献 . 61 附附 录录 . 64 重庆大学硕士学位论文 1.绪 论 1 1 绪 论 1.1 引言 1.1.1 课题提出的背景 随着世界经济规模的不断增大，世界能源消费量持续增长。1990 年世界国内 生产总值为 26.5 万亿美元(按 1995 年不变价格计算)， 2000 年达到 34.3 万亿美元， 年均增长 2.7%。 根据 2004 年 bp 能源统计， 1973 年世界一次能源消费量仅为 57.3 亿吨油当量，2003 年已达到 97.4 亿吨油当量。过去 30 年来，世界能源消费量年 均增长率为 1.8%左右1。 根据美国能源信息署（eia）最新预测结果，随着世界经济、社会的发展， 未来世界能源需求量将继续增加。预计，2010 年世界能源需求量将达到 105.99 亿吨油当量，2020 年达到 128.89 亿吨油当量，2025 年达到 136.50 亿吨油当量， 年均增长率为 1.2%，随着世界能源消费量的增大，二氧化碳、氮氧化物、灰尘颗 粒物等环境污染物的排放量逐年增大，化石能源对环境的污染和全球气候的影响 将日趋严重。据 eia 统计，1990 年世界二氧化碳的排放量约为 215.6 亿吨，2001 年达到 239.0 亿吨，预计 2010 年将为 277.2 亿吨，2025 年达到 371.2 亿吨，年均 增长 1.85%。 面对以上挑战，未来世界能源供应和消费将向多元化、清洁化、高 效化、全球化和市场化方向发展。 作为最常见的燃烧装置之一，内燃机是工农业生产和交通运输中应用最广泛 的动力机械。据统计，内燃机消耗的能源占世界石油总消耗量的 60%2。因此， 研制高效率、低污染的发动机是长期以来各国科学和工程界所极力追求的目标， 并为此投入了大量的人力和财力。20 世纪 70 年代以来，石油危机问题凸显，世 界范围的能源短缺和控制污染的强烈呼声迫使人们在理论和实验两方面大大加强 了对内燃机燃烧的研究，以期达到节能和净化的目的。但传统的研究方法已经远 不能胜任这一要求，于是人们纷纷转而求助于一种新兴的、强有力的工具燃 烧过程的数值仿真。正是对燃烧模型的研究，为内燃机燃烧的改进提供了一条便 捷的道路。 1.1.2 课题提出的意义 本文拟用美国 los alamos 国家科学实验室发布的 kiva-3v 程序来模拟燃烧 醇类汽油（乙醇）在汽缸内的燃烧过程。由于缸内气体流动对内燃机性能的影 响至关重要，因此详细的缸内流场信息，是数值模拟的重要内容。结构和热力 过程的特殊性使内燃机缸内的气流运动与工程上一般形状较为规则的物理域流 场有很大的不同，具有三维、不定常、强压缩、强瞬变、强旋流、各向异性的 重庆大学硕士学位论文 1.绪 论 2 流动特征。汽油机缸内气流运动对混合气的形成以及燃烧过程有着重大的影响， 是降低油耗、减少排放和燃烧噪音的决定性因素之一3,4。多维数值模拟方法具 有费用低、给出信息量大等特点，便于研究几何形状等参数变化对柴油机燃烧 性能的影响以及进行多方案的对比研究。另外，kiva 系列的源程序给人们进行 燃烧过程的数值模拟研究提供了一个现成的框架和基础，人们可以根据自己的 需要和愿望对其进行增删和修改，以达到自己的目标，这是比较具有优越性的。 另外，研究醇汽油可以降低由汽车尾气带来的严重的大气污染，醇类燃料作为 一种汽车代用燃料大大减少了 hc 和 co 的排放。 目前全球的石油需求与日俱增，同时伴随着国际油价的持续上涨，全球各国 对石油资源的争夺也日益激烈。中国经济正在高速发展，数据显示中国已经成为 仅次于美国的世界第二大石油消费国， 而且对能源的巨大消耗已使中 国成为世界 上最大的石油进口国之一。据英国石油公司统计，2004 年世界石油需求增幅中中 国占大约 30%，日均石油消费增加 90 万桶。中国的汽车、钢铁、化工行业都处 在高速发展期，石油需求量的增长趋势将会延续，可以预期未来中国石油需求将 保持强劲增长的态势。在目前国际国内能源日益紧张，石油资源减少的情况下， 世界各国都在加速研究开发新的能源、特别是可再生的生物质能源。在可再生的 能源中，除水能、风能、太阳能以外，醇类燃料的研究也成为了热点。在美国、 巴西及西欧多数市售汽油都是含乙醇 5%至 15%的混合汽油。我国政府也十分重 视，于 2003 年颁布了 e10 乙醇汽油的国家标准，制定了相应的激励政策，并在 黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽、河北、江苏、山东、湖北等省市试点，以政 府行为强制推广 e10 乙醇汽油，把发展“替代能源”，特别是可再生的生物质能源 提高到了关系国家经济持续发展的战略高度5，所以用 kiva-3v 来模拟乙醇汽油 的燃烧过程有着现实实用意义。 1.2 内燃机燃料及内燃机仿真研究现状 1.2.1 内燃机燃料发展现状 经科技人员的研究，目前作为汽车代用燃料的主要有天然气、二甲醚、燃料 电池、甲醇、乙醇等6。 早在第二次世界大战前后，意大利就率先开发了天然气汽车；前苏联从 1937 年开始开发天然气汽车，目前俄罗斯已经形成全国性的天然气工业体系；其次， 美国、加拿大、巴西等国家也有较大的发展。到目前为止，全世界 40 多个国家拥 有加气站。我国现也在各个城市大力推广天然气汽车，尤其是公共交通的部分。 天然气的主要成分为甲烷，是很好的清洁代用燃料，汽车尾气比较干净，价格也 相对便宜。但其缺点也是显而易见的，由于气体燃料的能量密度低，天然气汽车 重庆大学硕士学位论文 1.绪 论 3 携带的燃料量较少，一般行驶距离较汽油车短。由于气体燃料在汽缸中的可燃混 合气里占有一定的容积(汽油机汽缸中流体燃料所占容积忽略不计)，在同样的汽 缸工作容积下，用天然气作燃料时作的功少。而目前用的天然气发动机大多是由 原汽油机改装的， 因而汽油汽车在改用天然气后功率往往会下降 10%20%左右； 除此之外，天然气是气态燃料，不容易储存和携带。为此，需要加压或液化以便 装瓶，还需要建造比汽油、柴油加油站投资都大的加气站，并形成一定的网络， 一次性投资较大。 二甲醚，又名甲醚。二甲醚（简称 dme）由于其具有易压缩、冷凝、气化及 与许多极性或非极性溶剂互溶特性，广泛用作气雾剂、致冷剂、民用燃料、汽车 用燃料、发泡剂及化工原料。二甲醚是一种无毒含氧燃料，它从煤、天然气等多 种资源中制取，能实现高效清洁燃烧，在交通运输、发电、民用等领域有着十分 美好的应用前景。近年来已引起欧美、日、韩及我国政府和专家的高度重视，加 快了其应用技术的开发研究。常规技术二甲醚的生产成本略高于柴油，在柴油机 上用二甲醚,需对气态二甲醚加压,使其变成液态,需增加设备及控制措施.另外,需 对加气站进行必要的改造,才能推广使用;虽具广阔的前景，但存在一些技术难点， 目前还处于探索阶段。 近 20 年来， 以质子交换膜式为代表的燃料电池技术， 受到世界各国普遍重视。 各大跨国汽车公司纷纷投入巨资，研发出了各种类型的燃料电池电动汽车；在我 国，国家科技部将研发燃料电池客车和燃料电池轿车列为“十五”和“十一五”计划 “863”重大科技项目。并已取得一系列重大科技成果，但是在多年科研实践中，也 暴露出一些技术、经济问题。燃料电池发动机的耐久性寿命短，燃料电池发动机 的制造成本居高不下，燃料电池发动机对工作环境的适应性很差，故目前燃料电 池汽车的使用成本过于高昂。 甲醇可以从煤和木材中制得，也可以用二氧化碳加氢制得，而煤和木材的资 源比石油和天然气要广泛的多。作为内燃机燃料，并不要求用纯甲醇。德国早在 70 年代就制成了甲醇发动机， 并正式投入公路使用。 我国从 2002 年 11 月到 2003 年 10 月，在太原、阳泉、临汾、晋城 4 个市已经进行试点，据不完全统计，仅 2003 年全省就有 48.26 万辆车次使用了甲醇汽油，涉及近 50 种车型，累计消耗 12192 吨甲醇汽油。山西省作为煤资源大省，推广煤制甲醇汽油有广阔前景。甲 醇车用燃料同其他代用燃料或添加剂相比，甲醇具有价格低廉、合成工序比合成 汽油简单、工艺成熟、能量效率高、又适用于汽车发动机的特点（如具有较高的 理论混合气热值、高辛烷值、抗爆性能好、含氧量高等特点） ，是比较成熟而且实 用的内燃机代用燃料。 美国和巴西推广乙醇燃料已经有 30 年的历史， 主要方式是在汽油中掺烧。 经 重庆大学硕士学位论文 1.绪 论 4 历了 70 年代的石油危机后， 美国政府开始大力推广燃料乙醇的生产和车用乙醇汽 油的使用。 目前美国已有 41 个州在推广使用车用乙醇汽油， 乙醇汽油的消费量已 经超过全部汽油消费量的 20%；巴西是石油贫乏的国家之一，政府禁止消费不含 乙醇的汽油。巴西甘蔗产量的 43%用于生产燃料乙醇，乙醇消耗总量的 92.5%用 于交通7,8。在我国，2004 年，国家发改委等国家 8 个部委联合下发了关于印 发车用乙醇汽油扩大试点方案和车用乙醇汽油扩大试点工作实施细则的 通知 ，扩大车用乙醇汽油在全国范围内的试点9。经试验表明：使用乙醇汽油的 汽车，在动力性和油耗和汽油相差无几；而排放却有不同程度的降低。乙醇作为 燃料在汽车上使用的技术难度小，但其成本稍高，目前主要靠国家政策性补贴。 1.2.2 内燃机仿真软件研究概况 内燃机燃烧过程决定了内燃机的经济性和动力性，并对燃烧噪声和排放有重 要影响。因此研究燃烧过程有极其重要的意义。但内燃机燃烧过程是一个极为复 杂的过程，它受到化学反应动力学、流体力学、传热学和热力学等定律的支配。 内燃机的燃烧还带有许多本身固有的特点，如燃烧室形状比较复杂，燃烧是在高 压和非稳态条件下进行，发生于一个三维的、与时间有关的、其化学反应机理还 不十分清楚系统中，这些增加了研究中的困难。近年来，由于先进测试技术如高 速摄影和取样、激光技术以及计算机的运用，燃烧过程的研究正在取得较大的进 展。自60年代后，由于计算机的广泛应用，使得对燃烧过程进行模拟计算成为可 能，在模拟的条件下，用一些数学模型预测发动机特性。这个模型变化多种多样， 经过几十年的发展，各种描述燃烧过程的模型层出不穷，其中有的模型已日趋完 善。 目前用于流动分析的软件主要有两类：计算流体力学（cfd）商业软件 fluent、 star-cd、 phoenics等及内燃机专用软件kiva、 fire、 boost等10。 不同的软件应用的领域各有不同。fluent是世界领先的cfd软件，在流体建模中 广泛的被应用。 由于它一直以来以用户界面友好而著称， 所以比较容易学习； fluent 的软件设计基于cfd软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的 物理现象， fluent软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使 计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复 杂流动计算问题。除此之外，还开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软 件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采 用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，大大方便了用户。 star-cd最初是由流体力学鼻祖-英国帝国理工大学计算流体力学领域的专 家教授开发的，他们根据传统传热基础理论，合作开发了基于有限体积算法的非 结构化网格计算程序。在完全不连续网格、滑移网格和网格修复等关键技术上， 重庆大学硕士学位论文 1.绪 论 5 star-cd又经过来自全球10多个国家，超过200名知名学者的不断补充与完善，成 为同类软件中网格适应性、计算稳定性和收敛性最好的佼佼者；它能够对绝大部 分典型物理现象进行建模分析，并且拥有较为高速的大规模并行计算能力，还可 以应用到工业制造、化学反应、汽车动力、结构优化设计等其他许多领域的流体 分析，此外star-cd可以同全部的cae工具软件数据进行连接对口，大大方便了 各种工程开发与研究。 phoenics是英国cham公司开发的模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用 cfd软件，有30多年的历史。网格系统包括：直角、圆柱、曲面、多重网格、加 密网格。可以对三维稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩流进行模拟，包括非牛 顿流、 多孔介质中的流动， 并且可以考虑粘度、 密度、 温度变化的影响。 phoenics 的开放性较好，提供对软件现有模型进行修改、增加新模型的功能和接口，可以 用fortran语言进行二次开发。 1985年，美国的los alamos研究所的amsden等人开发了kiva程序11，处理若 干统计样本，用拉格朗日法求解其运动轨迹和传热传质方程，液相对气相的作用 以源项的形式出现在气相的偏微分方程中。后来由日本东京大学肋坂知行等人改 进程序，增加了液滴分裂模型和碰壁模型。vamavas补充了控制混合的涡流分散燃 烧模型，以加入燃烧紊流的影响。1988年他们又推出其改进型的kiva-12；目 前，对缸内燃烧过程的各子模型实行了全面地改进和更新，计算性能和模拟精度 较以前原形有了大幅度的提高。1993年，kiva-3正式发布13。3型较型最大的 改进是采用