（轮机工程专业论文）大型低速二冲程船用柴油机工作过程数值模拟和优化.pdf

中文摘要 摘要 柴油机的工作过程包括气体流动、涡轮增压、喷油、燃烧、传热与传质以及 化学反应动力学等多种物理过程。因此，柴油机的工作过程不仅关系到柴油机的 动力性、经济性、燃烧噪音和有害废气生成，而且还直接影响到柴油机的可靠性 和耐久性。对柴油机工作过程的研究可以采用实验和数值模拟计算两种方法，传 统通过实验的设计方法开发周期长、投资高、难度大，已经不能满足市场要求， 而利用计算机对柴油机工作过程进行仿真计算是现代柴油机设计方案论证及优 化、性能预测和样机的研究改进等过程中的重要手段。 本文利用a v lb o o s t 软件对m a nb & w5 s 5 0 m c 型大功率船用二冲程柴 油机工作过程进行了数值模拟与优化计算。结合柴油机工作过程计算的基础和 a v lb o o s t 软件计算原理，建立了该柴油机模拟计算模型。利用所建立的模型， 对该柴油机进行了推进特性的模拟计算，并与实验数据进行了对比。结果表明， 模拟数据和实验数据能较好的吻合，从而验证了该机工作过程模型的正确性。在 此基础上，利用所建立的模型，分析了m a nb & w5 s 5 0 m c 型柴油机的压缩比、 燃烧起始角、燃烧持续期、配气相位和排气系统对柴油机性能的影响，并对各参 数进行了优化，确定了最佳参数值。 按照计算结果，对m a nb & w5 s 5 0 m c 型柴油机的结构参数进行了改进， 并对改进后的柴油机和原机分别进行数值模拟计算。结果表明，改进后柴油机的 动力性、经济性与排放特性得到了不同程度的改善。达到了本文研究的目的。 关键词：船用柴油机；工作过程；数值模拟；性能优化 英文摘要 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fw o r k i n gp r o c e s sf o r l a r g e - s c a l el o w - s p e e dt w o - s t r o k em a r i n ed i e s e le n g i n e a b s t r a c t w o r k i n gp r o c e s so fd i e s e le n g i n er e f e r st oa i r f l o w ，t u r b o c h a r g e r , f u e li n j e c t i o n , c o m b u s t i o n ，h e a tt r a n s f e ra n dc h e m i c a lr e a c t i o nd y n a m i c se t c h e n c e ，w o r k i n g p r o c e s so f d i e s e le n g i n ei n f l u e n c e sd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，f u e le c o n o m yp e r f o r m a n c e ， b u r n i n gn o i s ea n de m i s s i o nf o r m a t i o ne t c ，m o r e o v e rd i r e c t l yi n f l u e n c e sr e l i a b i l i t ya n d d u r a b i l i t yo fd i e s e le n g i n e i nr e s e a r c ho fw o r k i n gp r o c e s so fd i e s e le n g i n e ，t r a d i t i o n a l e x p e r i m e n t a l a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d sc a l lb ec h o s e t r a d i t i o n a l e x p e r i m e n t a lm e t h o dw h i c hh a sl o n gd e v e l o p m e n tp e r i o d ，h i g hr e s e a r c hc o s t ，l o t so f d i f f i c u l t i e s ，c a n n o tm e e tm a r k e t sd e m a n d s b u ta p p l y i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt o s t u d yo nw o r k i n gp r o c e s so fd i e s e le n g i n ei sa ni m p o r t a n tm e a s u r ew h i c hi su s e dt o d e m o n s t r a t ea n do p t i m i z et h em o d e md i e s e le n g i n ed e s i g np r o j e c t f 1 0 r e c a s td i e s e l e n g i n e sp e r f o r m a n c e ，r e s e a r c ha n di m p r o v et h es a m p l e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fm a nb & w5 s 5 0 m cd i e s e le n g i n e w o r k i n gp r o c e s si sp e r f o r m e db yt h ea v l b o o s ts o f t w a r ei nt h i sp a p e r a c c o r d i n g t ot h ed i e s e le n g i n ew o r kp r o c e s sc o m p u t a t i o nf o u n d a t i o na n dt h ea v lb o o s t s o f t w a r ec o m p u t a t i o np r i n c i p l e ，t h ed i e s e le n g i n ea n a l o gc o m p u t a t i o nm o d e li sb u i l t u p o nt h eb a s eo ft h ew o r k i n gm o d e l ，t h ep r o p e lc h a r a c t e ro ft h ed i e s e le n g i n ei s s i m u l a t e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h ea n a l o gd a t ac a nt a l l yw i t ht h ee m p i r i c a ld a t u mt h a t c o n f k r m e dt h em o d e li sc o r r e c t o nt h i sb a s e ，w i mt h eu s i n go ft h em o d e l ，t h e i n f l u e n c e so ft h ec o m p r e s s i o nr a t i o ，t h es t a r t i n go fc o m b u s t i o na n g l e ，c o m b u s t i o n d u r a t i o n ，t h ev a l v et i m i n ga n de x h a u s ts y s t e mo nt h em a n b & w5 s 5 0 m cd i e s e l e n g i n e sc o m b u s t i o np e r f o r m a n c ea r es t u d i e d a n dt h e n , e a c hp a r a m e t e ri so p t i m i z e d c o m p u t a t i o na n dt h eb e s ta n s w e ri sv a l i d a t e d a c c o r d i n gt ot h ec o m p u t a t i o nr e s u l t ，t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fm a n b & w 5 s 5 0 m cd i e s e le n g i n ea r ec h a n g e d ，a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o m p u t a t i o no f b e f o r ea n da f t e ri m p r o v e m e n td i e s e le n g i n ea r ec a r r i e do u t t h er e s u l ti n d i c a t e s ，t h e i m p r o v e m e n td i e s e le n g i n e sp o w e r , e c o n o m ya n de m i s s i o np e r f o r m a n c ea r e 英文摘要 i m p r o v e di nd i f f e r e n td e g r e e s ot h eo b j e c t i v eo ft h es t u d yh a sr e a c h e d k e yw o r d s ：m a r i n ed i e s e le n g i n e ；w o r k i n gp r o c e s s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：态型低速三泣猩墅旦苤迪扭工佳过猩塑焦搓塑垫馑丝：。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：立j 蔓赴曼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文 全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出 版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密一( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：蚤，1 勃乏导师签名：黟和a 砑 日期：沙年舌月；9 日 大型低速二冲程船用柴油机工作过程数值模拟和优化 第1 章绪论 1 1 船用低速二冲程柴油机的发展现状及趋势 第二次世界大战后，由于航运事业的迅猛发展，船用低速二冲程柴油机的发 展也取得了巨大的进展，其主要原因是由于增压技术在柴油机领域的应用，使其 比功率、有效效率都大大提高，同时由于使用劣质燃油技术的成功，使燃料费用 大为降低。另外，因低速二冲程柴油机具有较低的转速，可直接带动螺旋桨，节 约了减速装置，从而提高了传动效率和螺旋桨的推进效率【1 】。 从上世纪五十年代至七十年代，船舶的发展方向是大型化和高速化，对船舶 推进装置功率的需求也日益增大。低速二冲程柴油机在转速一定的情况下，各柴 油机制造公司曾以提高增压度、增大平均有效压力和加大气缸排量等手段作为提 高单缸功率的主要措施。在加大气缸排量上，尤以增大气缸直径特别显著：当时， 气缸直径曾由7 4 0 r a m 一直增大到1 0 6 0 m m ，其相应的单缸功率也从1 2 0 0 马力上 升到4 6 0 0 马力。但这种大缸径柴油机机并未取得预期的发展和推广，这是由于 配这种大功率柴油机的螺旋桨直径要求较大，且最佳转速为7 0 - - 一8 0 r m i n ，但柴 油机最低额定转速在1 0 2 r m i n 以上，由于转速过高使推进特性效率损失较大， 降低了经济型；且这种机型的尺寸、重量过大，减少了船舶装货容积及载重型2 】。 七十年代中期，通过实船主机的选配试验，发现虽然直接传动的低速二冲程 柴油机难以达到5 0r m i n 的低转速，但是降低转速可以达到改善与螺旋桨配合、 提高推进效率，已成为低速柴油机发展的趋势，这就导致了长行程低速柴油机的 研制【3 1 。 在八十年代初，由于市场进一步要求提高柴油机的推进总效率并追求更好的 经济性，柴油机制造公司研制了超长冲程低速二冲程柴油机来满足市场的需要。 超长冲程比长冲程柴油机降低约1 5 一- 3 0 ，在原来低油耗的基础上进一步节省 燃油3 5 7 ，同时，行程缸径比( s d ) 在2 8 - - 4 2 之间。 当前设计开发的低速柴油机产品主要包括：m a nb & w 的m c 、m c c 、m e 和w i r t s i l i i n s d 的r a t 两种系列。他们各占世界总产量的7 0 和2 5 左右；另 有日本三菱的u e c 系列，用于日本国内，只占5 左右【4 】。从基本机型来说，三 第1 章绪论 者很相近，都是二冲程单排气阀直流换气、定压涡轮增压、长行程或超长行程， 且s d = 3 o 4 2 ，缸径d = 2 6 0 - - - 9 8 0 m m ，平均有效压力p 。= 1 7 1 9 m p a ，增 压压力p e = o 3 2 0 3 8 m p a ，有效油耗率= 1 6 3 - - - 1 8 0 9 k w h ，最高爆发压力p m 题 = 1 4 5 - - - 1 6 0 m p a 【5 1 。 基于上述低速柴油机的优点和最近3 0 年的市场调查经验( 近年来高速增长 的集装箱市场) ，m a nb & w 柴油机公司认为，二冲程低速柴油机的前途是光明 的，今后许多年内，二冲程低速柴油机仍将是商船采用的占主导地位的发动机 6 1 。 近年来低速柴油机的发展趋势主要体现在以下五个方面： 1 提高平均有效压力和单机功率。目前船用大功率柴油机平均有效压力在不断 提高，但最高燃烧压力也随之增大，对可靠性、寿命带来影响。因此，目前 主要采用扩大缸径和增加缸数来提高单机功率。提高单机功率的另一选择是 发展v 形机。由于平均有效压力很高，低工况性能难以保证，因此需采取各 种措施对柴油机的全工况进行性能优化。目前常用的方法是采用高工况放气、 低工况进排气旁通或s t c ( 相继增压) 等措施。 2 燃烧与排放控制。船用柴油机的排放控制措施，可分为机内控制和机外控制。 机内控制，是指在可燃混合气燃烧之前降低污染物的排放，主要措施有：采 用机内、机外废气再循环技术( e g r ) ；优化柴油机结构参数和运行参数；采 用湿法降低n o x 技术；添加燃油添加剂等。机外控制，是指在机内控制基础 上，进一步降低排放量，如采用选择性催化还原技术( s c r ) ，废气洗涤法等。 国外各大船舶柴油机研发、生产机构和公司纷纷开展燃烧和排放控制技术研 究，主要技术有：电控共轨喷油技术、高增压技术、高效燃烧技术和电子控 制技术等。 3 智能化电子控制技术。世界上第一台七缸智能型( 7 r t f l e x 5 8 t - b ) 船用发动 机采用当时世界最先进的w e c s 9 5 2 0 电控系统控制燃油喷射、排气阀起闭、主 机起动和换向，取代了传统的液压和起动控制，使柴油机燃烧更充分。由于 采用计算机控制，操作更加简单方便，并有效减少了主机自重，具有可靠、 灵活和兼容性强的特点。智能化已是船用大功率柴油机发展的必然趋势。 4 可靠性技术。船用柴油机的大型化、高指标给柴油机零部件带来更高的要求， 特别是燃烧室相关零部件和运动摩擦附件的工作条件更加恶劣，其可靠性倍 2 大型低速二冲程船用柴油机工作过程数值模拟和优化 受重视，研究的重点包括可靠性设计、摩擦磨损、故障诊断等关键技术。 5 柴油机整机总体设计技术。船用柴油机还应具有优良的整体综合性能及在各 种工况下的适应性。为此，在保持机型的可靠性、经济性、低排放和易维护 的基础上，重点对柴油机整体结构进行优化，使其结构更加紧凑、体积变小、 重量变轻，所采用的主要关键技术包括：模块化设计技术、3 d c a d 设计分 析、结构与性能优化仿真技术等【7 】。 1 2 柴油机缸内工作过程研究的进展与现状 8 - 1 3 】 柴油机的工作过程包括气体流动、涡轮增压、喷油、燃烧、传热与传质以及 化学反应动力学等多种物理过程。因此，柴油机的工作过程不仅关系到柴油机的 动力性、经济性、燃烧噪音和有害废气生成，而且还直接影响到柴油机的可靠性 和耐久性，是内燃机研究者关注的焦点。 对于柴油机工作过程的研究可以采用实验和数值模拟方法。采用实验方法对 工作过程进行研究，不但周期长、费用高、适应性差，而且往往不能得到有关的 详细信息：数值模拟方法能排除实验方法的缺点。就实验来说，虽然在其它领域 发展了许多流动的测量方法，如用流动显影技术研究内燃机缸内流场的运动；用 高速摄影观察柴油机中气流运动的情况，如燃料喷雾的发展，混合气的形成，喷 雾的蒸发和着火，火焰的发展状况及碳烟形成区域等；利用激光多普勒技术研究 缸内气流的速度场和湍流特性，研究喷雾粒子的速度分布情况：利用红外光谱分 析法测量缸内气体的温度。流量计法中的皮托管法、偏流法、热线法、热膜流速 法。显示方面有壁面轨迹法、丝踪法、示踪法、纹影法、激光全息干涉法等。但 由于柴油机工作过程被完全封闭在机体内部，气、液体流动、喷油雾化和燃烧放 热等机理也十分复杂，这使得很多工作过程( 如三维流动与喷雾燃烧问题) 异常难 做，尽管如此，实验作为一种研究工作过程的有效手段仍然被采用。但随着计算 机和计算流体力学( c f d ) 的发展，对柴油机工作过程的数值模拟占据了越来越重 要的地位。目前，国内已有许多所高等院校及科研机构正在开展这一工作，每年 均有一定数量的论文发表，从中可以看出在工作过程模拟计算方面已由起步进入 到比较成熟的阶段。但还应承认，国内在此领域与国外相比还有一定的差距。可 是由于工作过程的数值模拟是随着计算机技术的飞速发展才发展起来，很多方面 还不完善，尤其是排放、燃烧和喷油等方面各种物理化学模型需进一步完善。 第1 章绪论 数值模拟能够用来分析和预测缸内气体的流动过程和湍流参数的变化，燃油 粒子的空间分布，可燃气浓度场的分布，燃烧过程进展状况，传热过程中缸内的 温度分布和压力分布及各种燃烧产物组分的浓度分布，从而可以进一步研究燃烧 室的热负荷，柴油机的性能和排放等。这种模拟计算不受实验环境和实验条件的 限制，比通过实验手段获取数据来得简单迅速。如在柴油机传统的设计过程中。 大量的试验方案，反复的修改和试凑，不仅耗费人力和物力，而且无助于揭示更 深层次物理现象，如流动的结构、流场的速度、组分和压力的分布及其与环境条 件、与发动机运转参数的耦合等等。通过使用计算流体力学和计算燃烧学的方法 来预测柴油机工作循环中缸内运动的变化和发展，它具有周期短、费用低、信息 量大、实用性强、能反映几何形状及各工况参数的影响等特点。当然并不是说数 值模拟可以替代实验研究，实验研究为建立模型提供基本的信息和验证模型的数 据，模型可以做为实验的延伸和提高，使对问题的认识数量化和系统化，两者互 补，各有所长，同为柴油机研究的基本方法基本手段。 目前，在国内外，柴油机的整机工作过程数值模拟的研究工作非常活跃，通 过整机数值模拟来对柴油机的开发和改进以及对柴油机的性能参数进行优化匹 配已有大量的报道。而且要想真正解决问题，应采用整体与系统的观点，实现综 合性的数值模拟计算，从而使整个柴油机的工作性能达到最佳，且能够反映系统 的真实情况，为柴油机设计提供更加有利的支持。 1 3 柴油机工作过程数值模拟研究的进展与现状 内燃机工作过程的模拟可以追溯到1 9 世纪末叶即内燃机诞生的初期，英国 人d c l e r k 是内燃机工作过程模拟研究的首创者。他于1 8 8 2 年用气体标准循环 分析方法比较了各种内燃机的热效率。稍后，德国人r d i e s e l 提出了一系列具有 不同燃烧方式( 等压燃烧、等温燃烧) 的内燃机循环模型。但在此后的8 0 年中， 在这方面没有重大的突破。此后8 0 年中，在这方面并没有重大的突破。研究工 作主要集中在改进未燃和已燃混合气热力性质的计算精度。在2 0 世纪6 0 年代出 现了首批电子计算机的内燃机循环模拟研究工作，其目标是预测发动机的动力性 和燃油经济性。自那时以后，内燃机工作过程和燃烧过程数学模型的研究有了突 飞猛进地向前发展，内燃机工作过程模型的研究已经先后经历了从单纯放热率计 4 大型低速二冲程船用柴油机工作过程数值模拟和优化 算到零维模型、准维模型和多维模型这样四个阶段。 放热率计算是根据实测的压力数据( 示功图) 估算实际放热率。这种计算一 般不涉及严格意义的数学模型，但它是研究内燃机燃烧模型，特别是研究零维和 准维模型的一个重要基础，并且在特定情况下可以在循环过程计算中起燃烧模型 作用。 零维模型【1 2 】又称单区模型。它是通过对大量实际燃烧过程的统计分析，找出 规律性，用经验公式或曲线拟合的方法，建立起一种表达燃烧放热过程参数间的 经验公式，将复杂的燃烧过程简化，表达成几个特征参数问的关系。这类模型多 半是在燃烧模拟研究早期发展起来的。共同的特点是假设缸内各物理量在空间分 布是均匀的，工质在各个瞬时都达到热力学平衡状态，符合理想气体的状态方程， 因此零维模型又h l 热力学模型。零维模型定量地给出了燃烧放热率，为诊断和评 价燃烧过程提供了一种直观的手段。零维模型构造的燃烧率的经验模型，表征了 诸如进气参数、转数和负荷等与示功图和放热率之间的关系，适合在整机工作过 程的模拟、优化和最优控制中使用【1 4 , 1 5 。但是，零维模型用简单的数学关系掩盖 了燃烧中物理一化学反应过程的本质，无法从机理上把握其规律性，它对缸内过 程的描述是宏观的、抽象的，不考虑参数随空间位置的变化，无法预测排放性能； 而计算的准确性又依赖经验系数的选取，计算结果与内燃机型式及运行条件有很 强的依赖关系【8 1 。 准维模型【16 】也叫分区模型，诞生于7 0 年代，其发展的直接原因是预测排放 的要求。它是从实际燃烧的物理、化学过程出发，建立简化的燃烧模型。这类模 型是在零维模型的基础上考虑喷雾及火焰传播等物理过程的长度尺度，把燃烧室 按火焰位置或喷注空间分布形态，分成若干个区域，分别考虑喷雾扩散、油滴蒸 发、混合与卷吸、燃烧火焰传播及已燃区燃烧产物变化等过程，组成燃烧模型预 测缸内不同区域的燃烧温度，并针对不同机型而侧重不同的子过程，使放热率更 接近实际，并能预测有害排放物的浓度。这类模型从燃烧、可燃混合气形成、火 焰传播等现象出发，列出描述分区内各参数随时间变化的关系式，这些方程式的 集合，就构成燃烧现象模型，或称为准维燃烧模型1 7 1 。 由于对柴油机燃烧过程分析方式的不同，目前己发展了多种不同观点、不同 功能、不同用途的准维燃烧模型，其中美国c u m m i n s 公司林慰梓博士等人提出 5 第1 章绪论 的以气相喷注为基础的“气相喷注燃烧模型”和日本广岛大学广安博之等人提出 的以油滴蒸发为基础的油滴蒸发燃烧模型”比较有代表性【1 8 】【19 1 ，应用较为普 遍，也比较成熟；国内内燃机工作者面对准维模型的蓬勃发展，对国外提出的各 种模型进行了发展和完善，如：袁中庄等人研究了非直喷柴油机气态污染物的形 成历程，建立了c o 形成模型2 0 】；1 9 8 9 年天津大学内燃机燃烧学国家重点实验 室提出了一个新的直喷式柴油机现象学模型【2 u ；在1 9 9 1 年，天津大学内燃机燃 烧学国家重点实验室又发展了这个模型，加入了喷注碰壁及沿壁面宽展过程【2 2 1 。 这类模型一般由确定雾束几何形状及燃油一空气混合气浓度分布的喷注模型、燃 烧热力学计算模型及排放物生成模型构成。但由于准维模型对若干子过程的描述 是建立在经验的、表象的基础上，其通用性受到限制。林慰梓等人认为，在柴油 机燃烧过程中，由于缸内工质的温度已经远远超过燃油汽化的温度，因此，缸内 燃油只能以燃油蒸汽状态存在，根据阿伯拉莫维奇( a b r a m o v i c h ) 稳态气相射流理 论，推导出基本的燃油一空气混合方程，再由实验加以修正。认为燃烧过程的进 展，主要取决于燃油一空气的混合速率，由混合速率方程控制整个燃烧过程。广 安博之等人则是从单个油滴的蒸发、燃烧规律出发，用以研究整个雾束内的油滴 群、油滴间的相互作用，以实验确定的修正系数加以补偿。认为燃烧过程主要取 决于燃油的蒸发速率【2 3 1 。 总的来说，准维模型与零维模型相同，都是以时间( 或曲轴转角) 为唯一自变 量，因此控制方程均为常微分方程。虽然具有简便易行、计算时间少的优点，但 却都难以精确计算燃烧室几何参数变化、缸内气流状况变化对燃烧过程的影响。 要更精确地模拟内燃机的实际燃烧过程，就需要在气缸内建立更复杂的模型。 多维模型的研制是从二十世纪七十年代初期开始的，这个时候计算模型和物 理模型虽然已出现，但因当时的计算条件和这些模型的粗糙性使得数值模拟只能 从定性上进行分析。进入8 0 年代出现了像k 湍流模型、d d m 喷雾模型、n o x 反应模型以及l e s ( 大涡模拟) 等新的计算方法，在网格生成技术方面也出现了一 些简单的自动、半自动网格生成技术，具备了一定的计算手段，特别是 c r a y - x m p ，y m p 等巨型高速计算机诞生以来，美、英、日、德、法等国家有关 多维模型的论文成倍增长【2 4 之6 】，但又因计算机条件的限制大多还是停留在定性分 析上。而在9 0 年代发展最多的是自动网格生成技术，这些网格生成技术对发动 6 大型低速二冲程船用柴油机工作过程数值模拟和优化 机缸内数值模拟提供了很好的发展空间。时至今日，人们已广泛地认识到了多维 模型的可行性，并坚信多维模型是模拟技术发展的必然归宿，其最终将以速度高、 应变力强、经济有效等优点，成为内燃机研究与设计的一种基本手段。国内对缸 内工作过程的多维模拟工作起步于二十世纪八十年代中期，目前已广泛应用于缸 内过程机理研究，进而用于指导缸内工作过程设计【2 7 洲。 经过几十年的发展，柴油机整机工作过程的数学模型已初步形成，并且随着 计算机软、硬件的飞速发展，内燃机整机工作过程的数值模拟取得了巨大的进步 3 0 - 3 2 】。2 0 世纪8 0 年代以来，随着计算机应用的普及、计算数值方法和计算流体 力学等学科的日益成熟，柴油机缸内的工作过程多维数值模拟得到了较快的发 展。多维模型就是考虑到了缸内过程物理域二维或三维空间分布的模型，这类模 型与零维或准维模型相比在性质上有很大的不同。多维模型是一个十分复杂的热 力学燃烧系统，其中包含有气流运动，质量、动量和能量的传递与转换，燃油的 喷射、雾化与蒸发，混合气的形成、着火与燃烧，还包括传热、气相物与微粒的 排放以及边界的运动( 活塞和气门) 等等。研究这样一个复杂的系统必须采用各 种各样的近似方法：物理的、化学的和数值方法的近似等等。这些近似可分为如 下几类：( 1 ) 计算程序和数值方法的近似( 如显式方法、隐式方法、差分近似等) ； ( 2 ) 坐标表示的近似( 如欧拉法、拉格朗日法、欧拉一拉格朗日法等) ；( 3 ) 气流描述 的近似一网格尺度模型等；( 4 ) 维数近似( 一维、二维或三维，定常或非定常) 等1 8 】。 即使作了许多重要的近似假定，在内燃机非定常、多维燃烧的情况下，求解这样 一组偏微分方程仍有很大的因难。有时需要添加两相流喷注混合过程的模型及非 均质的点火和火焰传播模型，以及应用一些现象子模型，以补偿有些细节情况的 缺乏或由于计算机存贮量限制所带来的空间分辨率的不足等等。 多维模型是在遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒的基础上，进一步考虑了 燃烧室中压力、温度、工质成分和流体速度等的三维结构，通过求解支配燃烧现 象的物理、化学过程的基本微分方程，可以提供有关燃烧过程中气流速度、温度 和压力及成分在燃烧室内瞬态空间分布的详细信息。多维燃烧模型全面考虑了柴 油机的工作过程，包括多维、多组分气体流动，油束的形成和发展，预混燃烧和 扩散燃烧，所涉及的领域包括湍流、多相流、燃烧化学反应、传热等，它是一种 较为精细的模型，又称为精细模型。在多维模型的发展中，美国的l o sa l a m o s 第1 章绪论 国家实验室和英国帝国理工学院的研究工作处于领先地位。在一系列多维模拟的 程序中，美国l o sa l a m o s 国家实验室开发的k i v a 作为一个优秀的软件，已成 为美国能源部能量转化和利用技术的一个组成部分。c w h i r t 等于1 9 7 2 年首 次提出了目前广泛应用于内燃机缸内工作过程数值计算的i c e d a l e 方法；1 9 8 5 年，美国的l o sa l a m o s 研究所的a m s d e n 等人开发了k i v a 程序，1 9 8 9 年， a a a m s d e n 等人在k i v a 的基础上研制了k 1 v a i i 程序，该程序无论计算效 率、计算精度、还是物理子模型、使用方便性和通用性都有了很大提高，1 9 9 1 年，美国l o sa l a m o s 国家实验室在k i v a - i i 的基础上研制出k i v a - 3 程序。该程 序使用块结构，可以把许多复杂的几何形状分成许多简单的块结构来计算，可以 计算非常复杂的几何形状，既节约了内存，又提高了速度。1 9 9 7 年2 月，k i v a 3 的改进版k i v a 3 v 完成。在a l e 数值计算方法发展的同时，1 9 7 2 年，英国帝国 理工学院的d b s p a l d i n g 首创的半隐式控制容积法s i m p l e ( s e m i i m p l i c i t m e t h o df o rp r e s s u r e 1 i n k e de q u a t i o m ) 在算法上奠定了求解缸内化学流控制方程组 的基础。a d g o s m a n 等人在1 9 7 3 年开发了一种用于内燃机缸内工作过程的 计算程序，简称r p m ( r e c i p r o c a t i n gp i s t o nm o t i o n ) 程序，用来计算封闭轴对称气 缸中无燃烧的层流流动。1 9 8 2 年，g o s m a n 建立了直接喷射式柴油机缸内工作过 程较为全面的数学模型，该模型考虑了燃烧化学反应。1 9 8 4 年，g o s m a n 开发了 直接喷射式柴油机缸内流动过程完全三维数值模拟计算程序。近年来，随着对内 燃机工作过程的大量研究，开发出了一系列功能齐全的商用软件，如英国a d a p c o 公司的s 瓜c d 软件，里卡多的v e c t i s 软件及奥地利a v l 公司的f i r e 和 b o o s t 等软件，为内燃机的研制提供了十分便利的条件。国内内燃机工作者在消 化和吸收了国外先进的数学模型、数值方法和计算程序的基础上，开发出许多内 燃机工作过程数值模拟程序如北京理工大学开发的三维内燃机工作过程通用模 拟程序r e s 3 c i i ；中国科学技术大学火灾科学院重点实验室开发的计算直喷式 柴油机螺旋进气道与缸内空气运动的大型微机化程序i p i c c f d ( 1 ) ；同济大学、 江苏理工大学开发的涡流室式柴油机工作过程的三维模拟程序e n g i n e i i ；吉林 工业大学开发的微机版内燃机缸内多维气流运动模拟程序s u n 1 等 3 3 】 3 4 1 。 多维模型对于深入了解燃烧过程的细节、优化燃烧过程的组织，特别是判断 局部区域有害物质的生成都有着积极的意义【3 5 1 。 大型低速二冲程船用柴油机工作过程数值模拟和优化 综上所述，对柴油机的工作过程进行计算机数值模拟，用以指导柴油机的设 计【3 6 1 ，不仅降低了研究费用，节省人力和物力，缩短了开发周期，而且能加速数 据处理，使柴油机类型、结构参数和性能参数达到优化，并且会把柴油机的设计 方法和理论研究带入一个新阶段。 1 4 课题研究的背景及其主要工作 1 4 1 课题研究的背景 柴油机的常规设计主要依靠经验，它一般是根据传统的设计程序，将理论计 算和必要的试验数据结合来进行的。由于对实际过程进行了大量的简化，所以只 能是一种粗略的估算，对柴油机的研制所起的作用十分有限。 在新设计柴油机或对现有柴油机进行改进优化时，很需要了解柴油机的一些 热力性能参数和结构参数，如喷油提前角、配气定时、压缩比、燃烧规律和转速 等。若采用改变上述某一参数而固定其它参数的方法进行试验，这样不仅要浪费 大量人力、物力和时间，而且有些极限工况试验无法进行。 柴油机工作过程的仿真模拟是在计算机上通过系统模型去模拟一个实际存 在或正在设计中的真实系统，以再现( 可视化) 或分析( 数值计算) 真实系统的本质 特征。具体地说，可把计算机仿真过程分解为以下三个步骤： ( 1 ) 根据物理系统内部变化规律及外部影响因素将其加以简化或抽象，把其 运动形态表达为数学方程的形式，即建立相应的数学模型。该过程主要是从柴油 机各系统的物理模型出发，假定与实际相近的边界条件，用微分方程对柴油机气 缸内的工作过程、换气过程、热交换、进、排气管压力变化等进行数学描述： ( 2 ) 利用数学方法求解所建立的微分方程，通过联立求解方程组，得到各参 数随时间变化的规律，该过程在计算机上通过计算机语言编程，实现仿真： ( 3 ) 将得到的计算结果赋予物理意义，从机理上加以讨论和解释，并判断它 是否相对地符合物理系统的实际情况，该过程为对仿真模型进行论证。 柴油机工作过程的模拟是随着电子计算机的问世而逐渐发展起来的。由于计 算机软、硬件技术的快速发展，为计算机仿真研究提供了强有力的技术支撑，也 进一步促进了计算机仿真技术的发展。在柴油机调整试验阶段，它与性能测试相 结合可指明调整的方向，对影响柴油机性能的参数作较准确的选择，同时，仿真 9 第1 章绪论 计算还能预测柴油机在某些参数变化时对性能指标的影响，较准确、迅速地对工 作过程进行多方案的比较，以确定最佳的参数，为调整试验和提高性能提供理论 依据。它解决了传统方法所不能解决的问题，并把柴油机的设计方法和理论研究 带入了一个新阶段，是设计现代化的具体体现。促使实验、理论和计算成为科学 方法上相辅相成，可以相互补充替代而又彼此不可缺少的三个主要环节。 随着科学技术突飞猛进的发展，柴油机增压、中冷、多气门、高压喷射、e g r 和电控技术等在柴油机上的应用，使得柴油机系统向大型、复杂的方向发展，过 去对单一领域子系统模拟方法已经不再能适应现在大型、复杂的工程系统，而且 在处理和研究涉及多技术领域的柴油机系统时，传统开发软件编程烦琐，不具有 实时在线修改性，动态性能差，其输入输出的可视化程度不高，语言本身不能对 模型进行优化，编写大型程序时容易出错，己经不能够满足快速性和多样性的要 求。 基于上述原因，需要建立一个能较好反映柴油机工作过程的动态仿真模型。 在软件的实现方面，建模要求操作简便、可视化好；交互性、实时性强；能对模 型进行分析和优化；对仿真计算结果数据处理简单；开发周期短，节约人力，物 力和财力【3 7 4 0 】 1 4 2 课题研究的主要工作 二冲程船用柴油机工作过程数值模拟可以为其设计提供依据，具有很强的现 实意义。本课题首先进行了低速二冲程船用柴油机m a nb & w5 s 5 0 m c 计算模 型的搭建，在此基础上进行工作过程模型的验证，并对该机的一些参数进行了优 化，最后把优化后的性能与原机性能进行了对比，主要有以下内容： ( 1 )收集m a nb & w5 s 5 0 m c 型柴油机的主要数据及资料，并将实际的 复杂的柴油机分成若干个容易处理的子系统，并运用a v lb o o s t 提供的模块建立相应的物理模型。 ( 2 )用a v lb o o s t 软件对原机进行性能反算，利用原有的试验数据，校 准进一步扩展计算所需的输入数据，如与燃烧、机械效率等有关的参 数。对二冲程船用低速柴油机m a nb & w5 s 5 0 m c 进行推进特性模 拟计算，并将计算结果与该机的试验结果进行比较，验证计算模型的 正确性。 1 0 大型低速二冲程船用柴油机工作过程数值模拟和优化 ( 4 ) 利用所建模型对压缩比、燃烧起始角、燃烧持续期、配气相位、排烟 总管和排气支管直径进行优化计算，通过分析计算结果来选定最佳参 数值。 将优化后的计算结果与m a nb & w5 s 5 0 m c 型柴油机原机进行对比 分析，验证其优越性，使改进后的m a nb & w5 s 5 0 m c 型柴油机性 能得到优化。 第2 章用a v lb o o s t 软件进行数值模拟的理论基础 第2 章用a v lb o o s t 软件进行数值模拟的理论研究 2 1 柴油机缸内热力过程计算的基本假设 a v lb o o s t 软件不但适用于对燃料在缸内混合的发动机( 如柴油机) 的模拟 计算，而且适用于对燃料在缸外混合( 如汽油机) 的模拟计算。为了使问题简化， a v l b o o s t 软件对缸内混合的发动机作以下假设： ( 1 ) 气缸内的状态是均匀的，不考虑气缸内各点的压力、温度和浓度的差异， 并认为在进气期间，流入气缸内的空气与气缸内残余废气实现瞬时的完全混合， 也就是单区计算模型； ( 2 ) 工质为理想气体，其比热、内能和焓等参数仅与气体温度和气体成分有 关； ( 3 ) 燃料喷入气缸内立即燃烧； ( 4 ) 空燃比从燃烧始点至燃烧终点逐渐减小。 2 2 工作介质的特性 气体特性，如气体常数、比热依赖于气体的压力、温度及气体的组成。对于 柴油机，空燃比用于描述气体的组成，a v lb o o s t 软件规定：纯空气的空燃比 按无限大计算：当空气与废气混合，按平均空燃比计算，其值通过估算得到。只 要废气的过量空气系数大于1 1 ，这一规定都是有效的。 空气的质量百分比按下式计算： 如= ( 1 一胁一l t c e ) x 1 0 0 ( 2 1 ) 式中：一空气的质量百分比； 燃料蒸气的质量百分比； 如一燃烧产物的质量百分比。 燃烧产物的空燃比按下式计算： = 笺笋 ( 2 2 ) 1 2 大型低速二冲程船用柴油机工作过程数值模拟和优化 式中：彳燃烧产物的空燃比：一己燃燃料的质量百分比。 2 3 柴油机缸内热力过程计算的基本方程 4 1 】【4 2 】 由热力学理论可知，描述气缸内工质状态的参数有以下五个物理量：气缸压 力( p ) 、温度( t ) 、气缸内气体质量( m ) 、以及气体的组成，独立变量是曲轴转角( 矽) 。 这些物理量可由能量守恒方程、质量守恒方程及气体状态方程等联系起来求解。 2 3 1 能量守恒方程 根据热力学第一定律，可以列出能量守衡方程的一般形式如下： 等= 节等+ 等一等一百d m b b ( 2 3 ) d 够 i d 9d 够- d p。d 够 、1 式中：m 气缸内的工质质量，单位为k g ； u 一气缸内的工质内能，单位为j k g m o l ； p 气缸内的工质压力，单位为p a ； 一气缸的工作容积，单位为l ； 幺燃料燃烧放热量，单位为k j ； 锄通过系统边晁的热损失，单位为k j ； 9 一曲轴转角，单位为( o ) c a ； 一排出气缸废气的焓值，单位为k j k g m o l ； d m 。b b 一排出气缸废气的质量流量，单位为k g o c a 。 a ( o 根据柴油机的假设条件，经转化和化简，式( 2 3 ) 可变为： 一= ：= 一 却胎( 骞+ 器争 a d 刀 a “ 争孚一矿d q wd _ m l bc 叩d 9 、h 。jd 9d 9 、b 啮i 却。 一m - 砉等一p ，等c - 一睾旁 嗍丽面叩面u 一面f ( 2 4 ) 第2 章用a v lb o o s t 软件进行数值模拟的理论基础 式中：t 一缸内气体的温度，单位为k ； 吼燃料的低热值，单位为k j k g ； 旯一瞬时过量空气系数。 2 3 2 质量守恒方程 若忽略漏泄，缸内的气体质量变化量等于喷入气缸的燃料质量、流入气缸的 气体质量与流出气缸的气体质量之差，即： 安：冬+ 冬一冬 ( 2 5 ) d 9d 9d 9d 9 j。 式中：一流出气缸的气体质量，单位为k g ； 朋口一喷入气缸的燃料质量，单位为k g ； 一流入气缸的气体质量，单位为k g 。 2 3 3 气体状态方程 对于理想气体来说，满足理想气体状态方程： p 圪= m r t( 2 6 ) 式中：r 一气体常数，单位为j k g k 。 2 4 柴油机缸内热力过程数值计算的辅助方程4 2 】 2 4 1 气缸工作容积的计算 在进行柴油机工作过程模拟计算时，可以根据该柴油机的主要结构参数，如 气缸直径d ( m m ) 、活塞行程s ( m m ) 、