（轮机工程专业论文）船用柴油机燃油雾化模型及NOltxgt排放的数值模拟.pdf

中文摘要 摘要 能源危机和环境污染己成为当今世界的两大难题，对内燃机缸内工作过程尤 其是燃烧过程的研究成为当今内燃机研究的热点。因为内燃机喷雾及缸内燃烧过 程对内燃机的整体性能有着重大的影响，是减少有害物质排放的决定性因素。利 用计算机进行数值模拟的方法可以提供大量信息、节约资源、更深层的揭示缸内 流场运动规律。目前，这种方法已经成为研究内燃机缸内燃烧过程的主要方法之 一。 在燃油喷射型内燃机中，燃油的雾化质量直接影响着缸内燃烧过程，进而影 响发动机的动力性、经济性及排放指标。只有有效地控制燃烧过程，才能从根本 上提高发动机的动力性和经济性，才能更有效地控制排放，减少内燃机对环境的 污染，而良好的燃油喷雾是获得良好燃烧过程的前提。 本文总结了前人关于圆柱形液体射流线性稳定性的理论，考虑了气液流体的 可压缩性及液体的粘性在射流分裂与雾化过程中的作用，建立了射流分裂与雾化 模型，并对模型进行了理论分析，得到描述射流自由界面扰动发展的色散关系， 有望丰富k i v a 程序的内涵。 本文利用k i v a 3 v 程序对柴油机缸内燃烧情况进行模拟计算，并对输出数据 进行处理，实现了计算结果的可视化，得到了大量缸内流场信息及平均性能曲线， 并改变了进气压力、喷油提前角、进气温度和柴油机转速等工况参数，对计算结 果进行了对比分析，得到了柴油机燃烧过程中影响n o x 生成的因素。为将喷雾模 型加入到k i v a 3 v 程序中，并更好的分析其他污染物( 一氧化碳、碳烟等) 打下 了基础。 关键词：氮氧化物；喷雾模型；燃油雾化；船舶柴油机；数值模拟 英文摘要 m a r i n ed i e s e lf u e la t o m i z a t i o nm o d e la n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fn o xe m i s s i o n s a b s t r a c t t h ee n e r g yc r i s i sa n dt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a v eb e e nt h et w os e r i o u s p r o b l e m si nt h ew o r l d i th a sb e c o m ea1 t or e s e a r c h i n go p e r a t i o np r o c e s se s p e c i a l l y c o m b u s t i o np r o c e s sf o ri n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e t h es p r a ya n dc o m b u s t i o np r o c e s s i n s i d et h ec y l i n d e r , w h i c ha l ed e t e r m i n a n t so ft h el o we m i s s i o n so fh a r m f u ls u b s t a n c e s ， p l a ya ni m p o r t a n tr o l eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed i e s e le n g i n e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f c o m b u s t i o np r o c e s si nc y l i n d e rc a r lp r o v i d eal o to fi n f o r m a t i o n , i ta l s oc a ns a v i n g r e s o u r c e sa n dr e v e a lt h el a wo fm o v e m e n ti nc y l i n d e rf l o wf i e l d n o w a d a y s ，t h i s m e t h o dh a sa l r e a d yb e c o m eo n eo ft h em a i nm e t h o d so fs t u d yi n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n ec y l i n d e rc o m b u s t i o np r o c e s s o nt h e e n g i n eo ff u e li n j e c t i o n , t h eq 谳i t yo fa t o m i z a t i o ni m p a c t i nt h e c o m b u s t i o np r o c e s si nc y l i n d e rd i r e c t l y , a n dt h e na f f e c tt h ee n g i n ep o w e r , e c o n o m ya n d e m i s s i o n st a r g e t s o n l yc o n t r o lt h ec o m b u s t i o np r o c e s se f f e c t i v e l y , w es h o u l di m p r o v e t h ee n g i n ep o w e ra n de c o n o m yf u n d a m e n t a l l ya n dc o n t r o le m i s s i o n s ，r e d u c et h e e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc a u s e db yt h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ，a n df a v o r a b l ef u e l s p r a yi st h ep r e m i s eo ff a v o r a b l ec o m b u s t i o np r o c e s s t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ep r e v i o u st h e o r yo nt h el i n e a rs t a b i l i t yo fc y l i n d r i c a l l i q u i dj e t ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h er o l eo ft h ec o m p r e s s i b i l i t yo fa i r - h ) r d r a u l i cf l u i da n d t h ev i s c o u so fl i q u i dj e to i lt h eb r e a k u pa n da t o m i z a t i o n e s t a b l i s h e da n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i st h ej e tb r e a k u pa n da t o m i z a t i o nm o d e l d i s p e r s i o nr e l a t i o nw h i c hd e s c r i b e d d e v e l o p m e n to fd i s t u r b a n c eo nj e tf r e ei n t e r f a c ei so b t a i n e d m a y b ei tw i l le n r i c ht h e c o n n o t a t i o no fk i v a p r o g r a m s i m u l a t ec o m b u s t i o ni nd i e s e lc y l i n d e r , b a s e do nk i v a - 3 vp r o g r a m , t r e a t e dt h e o u t p u td a t a , a n da c h i e v e dr e s u l tf i s u a l i z a t i o n w eh a v eg o tag r e a td e a lo fi n f o r m a t i o n o ff l o wf i e l di nc y l i n d e ra n dt h ea v e r a g ep e r f o r m a n c ec u r v e a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i s 英文摘要 o ft h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw h i c hw eg o tb yc h a n g i n gt h ei n l e tp r e s s u r e ，i n j e c t i o na d v a n c e a n g l e ，i n t a k et e m p e r a t u r ea n dr o t a t i o n a ls p e e d ，w eg o tt h ef a c t o r sw h i c he f f e c tt h e g e n e r a t i o no fn o x o nt h ec o m b u s t i o np r o c e s si nd i e s e l l a yt h ef o u n d a t i o nf o ra d d i n g t h em o d e lo fs p r a yi n t ot h ek i v a 3 vp r o c e s sa n dt h ea n a l y s i so ft h ei m p a c to fo t h e r p o l l u t a n t s ( c a r b o nm o n o x i d e ，s o o t ，e t c ) a n dt h er e d u c i n ge m i s s i o n s k e y w o r d ：n o x ；s p r a ym o d e l ；f u e la t o m i z a t i o n ；m a r i n ed i e s e le n g i n e ；n u m e r i c a l s i m u l 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= = 墅旦苤油狃缝油茎丝槿型厘盟q 墨挂邀鳆数值蘧赵：。 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：么邋 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) 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章内燃机缸内燃烧模型研究现状综述 1 2 燃油的喷射及雾化机理综述 1 2 1 燃油的喷射及雾化的概述 液体从喷嘴处喷射出来，连续的液柱会因为气动力、惯性力、粘性力和表面 张力等各种力的相互作用而分裂破碎，成为各种不同形状的离散液滴。射流时不 同的参数会产生不同的分裂形式，其决定性因素是喷射速度( 或喷嘴内外的压力 差) 。对于圆柱形喷嘴而言，按照压差递增的顺序，射流的分裂雾化可以归纳为以 下四种方式【4 l ：( 1 ) 瑞利( r a y l e i g h ) 型分裂；( 2 ) 第一类风生分裂( w i n d - i n d u c e d b r e a k u p ) ；( 3 ) 第二类风生分裂；( 4 ) 雾化。 污染物的生成主要由燃烧过程决定，而燃油的雾化质量直接影响着缸内燃烧 过程，所以对于雾化机理的研究就成为了人们眼中的焦点。至今为止，已经有多 种关于雾化机理的解释。 ( 1 ) 空气动力干扰说：该学说在1 9 3 2 年由c a s t l e m a n 5 】提出的，是现在发展得 比较充分也是最有发展前途的一种关于雾化机理的假说，该学说认为是射流与周 围气体间的气动干扰使射流表面产生不稳定的波动。随着射流速度增加，不稳定 波所作用的长度越来越短，直到微米量级，于是射流散布成雾状。 ( 2 ) 湍流扰动说：d e j u h a s z l 6 】于1 9 3 1 年提出射流雾化过程发生在喷嘴内部，而 液体本身的湍流度起着重要作用。s c h w e i t z e r l 7 1 认为，作湍流管流运动的喷嘴内部 液体的径向分速度会在喷嘴出口处立即引起扰动，从而产生雾化。 ( 3 ) 空化扰动说：b c r g w e r k 8 1 和s a d e k 9 1 认为喷嘴内的湍流分速不足以引起雾化 现象，他把雾化归因于喷嘴内空化现象所产生的大振幅压力扰动。 h ) 边界条件突变说：一些学者认为，在喷嘴出口处，液体的边界条件发生的 突变是引起射流雾化的原因。s h k a d o v t l 0 】研究了交界面处边界内切应力的变化，证 实此处存在着不稳定的短波长表面波。r u p e 1 1 l 则认为这是由于在喷嘴出口处，层 流射流突然失去了喷嘴壁面的限制，而使得截面内速度分布骤然改变所致。射流 内动能的重新分布产生了一个径向分速，从而成为射流的扰动源，导致雾化。 ( 5 ) 压力振荡说：g i f f e n 和m u r a s z e w l l 2 】等研究发现，燃油供给系统产生的压 力振荡对雾化过程有一定的影响。由于一般喷射系统中普遍存在着压力振荡，因 而它可能对雾化起着重要作用。 船用柴油机燃油雾化模型及n o x 排放的数值模拟 1 2 2 圆柱形液体射流分裂雾化机理 在b r a c c o 为首的p r i n c e t o n 大学的研究组对前人提出的各种雾化机理进行深入 的分析比较之后，得出结论：上面提到的5 种假说都不能独立的解释雾化现象的， 但其中空气动力干扰说是最有发展前途的，只是须对其加以修正和补充。 液体射流分裂与雾化机理的研究实际上可归结为流动的稳定性问题。在这一 问题的理论研究上，通常采用线性稳定性分析法【1 3 , 1 4 、非线性稳定性分析法1 1 5 】和 直接数值模拟法【1 6 】。线性稳定性分析法是发展得比较成熟的一种理论，它在扰动 充分小的情况下才适用。在扰动发展的初期，由于扰动量很小，所以采用线性稳 定性理论对扰动发展初期不稳定行为进行预测是合理的。 ( 1 ) 射流表面波不稳定性的一般理论 考虑从一个圆形喷口射入气体介质中的液体射流，当液柱受到外来小扰动的 作用时，其表面将产生一个无限小的波形位移。用傅立叶级数将此位移展开，在 柱坐标系下表面波幅的某一分量，7 可表示为： r = r o e 以+ 1 ( 殷+ m 口) 式中i ；( 一1 ) - ；z 为射流的轴向坐标，8 为角向坐标；m 称为角向模数；r o 为初 始扰动波幅；k 和g o 分别为扰动的波数和频率，一般可以为复数；七，一竿为z 方 l 向的波数，a 为波长，而t 是扰动波幅的空间变化因子，也称为扰动的空间增长率。 确定赶和q 是考察一个小扰动波动是否具有时间和空间稳定性的核心问题。在具 体问题的研究中，一般都将空间稳定性( 空间模式) 与时间稳定性( 时间模式) 分开处理。 对于某一流动问题，采用哪种模式进行分析更好，可能与该现象的物理行为 有关。根据物理行为，不稳定性分为两类，即对流不稳定性和绝对不稳定性。若 把扰动加入到流体中，当扰动向下游传播时是增长的，则出现对流不稳定性：若 整个流体区域最终变成不稳定的，并且随着时间的推移整个流场都发生了改变， 则出现绝对不稳定性。文献【1 7 1 9 1 - t ) , 为空间模式只在对流不稳定性的流动中才是 有效的，而对于绝对不稳定性的流动，空间模式失效；对于定常不稳定性，空间 第1 章内燃机缸内燃烧模型研究现状综述 模式是不合适的；对于分析边界层稳定性时，可以用时问模式，也可以用空间模 式；对自由剪切层讲，空间模式更重要。实际上并不是任何情况下空间模式都能 和实验相符，原因是扰动的幅值有可能同时随时间和空间变化，扰动既不同于时 间模式，也不同于空间模式，这种情况称为时空模式。 ( 2 ) 圆柱形液体射流分裂雾化机理 圆柱形液体射流分裂雾化机理对于研究喷雾有着重要作用。1 9 8 2 年r e i t z 和 b r a c c 0 1 2 0 】采用线性稳定性分析法针对静止无粘气体介质中的无粘液体射流建立了 二维数学模型，并基于时间模式对射流过程的稳定性进行了分析，指出射流雾化 是由于压力波动引起的气液交界面不稳定性造成的。l i n 等【2 1 i 考察射流的分裂雾化 时，从射流控制方程入手，将线性稳定性理论应用于分析高密度气体介质中射流 自由界面沿空间增长的小扰动发展情况，得出结论：相对于扰动波长小于毛细作 用长度的小扰动波而言，射流是稳定的，每一种扰动都有相对于一特定波长和特 定频率的最大增长速率，同最大增长速率的扰动波相对应的射流分裂成的液滴直 径与射流速度平方成反比。后来妇等1 2 2 】基于同样的射流液气相控制方程，分析 考察了空间模式下粘性液体射流自由表面上小扰动的发展情况，认为射流的分裂 雾化仅与三个无量纲流体参数，即雷诺数r e 、韦伯数w e 和气液密度比q 有关。 对于一定的雷诺数r e ，存在一临界韦伯数w e 。，当w e w e 。时，射流分裂是由于 毛细挤压作用引起；w e 1 t i e 确。y i 掣2 5 】改进 了y a n g 和l i n 的工作，详细考察了粘性液体射流在空间模式下的稳定性及其雾化 船用柴油机燃油雾化模型及n o x 排放的数值模拟 机理，在j e = w e q 1 的条件下与l i n 的结果一致，这时非轴对称扰动几乎不出 现，即射流自由表面不稳定是轴对称扰动引起的；在屁从1 开始减小时，非轴对 称扰动逐渐出现而且其扰动最大增长率随屁的减小也由远小于轴对称扰动最大增 长率发展n d , 于、相当于直至发展到超过轴对称扰动最大增长率，与此同时，还 出现了几种不同角向模数的非轴对称扰动模态同时并存的情况。史绍熙等人【2 9 1 也以线性稳定性理论为基础，对液体射流分裂雾化过程进行了较详细的理论和实 验研究。 前面提到的对液体射流分裂雾化机理的研究都没有考虑气液可压缩性的影 响，但是工程上的许多过程不能忽略流体可压缩性的作用。z h o u 3 0 ，3 1 】等人在可压 缩性射流稳定性方面做了开创性的工作，他们同时考虑到气体和液体的可压缩性 及与表面张力的耦合作用，对可压缩射流的空间稳定性进行了的分析，但他们的 工作仍需进一步完善，因为他们没有考虑液体或气体粘性的作用，模型中只包含 韦伯数、气液密度比、液体马赫数和气体马赫数4 个射流无量纲参数，此外在对射 流的稳定性进行分析时，只分析了角向模数m = 0 的轴对称模式。马峥、周哲玮【3 2 3 3 】 建立了可压缩高速无粘气体介质中的不可压粘性液体射流二维模型，并基于时间 模式研究了这两种流体相互作用下的界面不稳定性，证明了界面波失稳引起不稳 定波增长是喷射雾化中液滴形成的主要原因。严春吉【3 4 3 5 】针对可压缩无粘气体介 质中的圆柱形粘性液体射流过程建立了三维模型，基于空间模式对它们的稳定性 进行了较详细研究。s u b r a m a n i a m 3 6 1 及贺小艳等【3 7 】采用时间线性稳定性分析方法， 对不可压有粘液体中的可压缩、无粘气体射流的三维扰动稳定性问题进行了研究。 他们较全面分析了气体压缩性、液体粘性、表面张力、液气密度比以及滑移速度 等重要因素对气体剪切流稳定性的影响。结果表明气体压缩性助长气液剪切流动 的不稳定性；液体粘性可在小范围内抑制扰动增长；表面张力作用的提高使扰动 最大增长率呈线性衰减；在主导波数区域内，液气密度比愈高扰动愈强，而在最 大扰动波数限附近，规律趋于相反；气液间的滑移较显著地助长扰动的不稳定。 从这些研究者的工作中不难发现，他们在粘性和可压缩性上不能同时兼顾，这样 处理的原因可能是为了使问题求解方便而采取的一种策略。因为当不考虑粘性时， 动量方程将由二阶降为一阶，从而大大降低了求解的难度，另一方面，在动力学 第1 章内燃机缸内燃烧模型研究现状综述 边界条件的处理上也变得简单，因这时在应力中不含粘性应力；若不考虑可压缩 性，这时连续性方程变为v v ；0 的简单形式，进一步动量方程也会得到简化，因 1 其中的妻胛( v v ) 项为零，此外，动力学边界条件也会得到简化，因这时在自由 j 界面主法线方向上不存在变形应力张量。 1 2 3 未受扰液核长度的计算 对雾化机理研究的最终目的是在工程中更好的利用射流这一过程的不稳定 性，以达到增强雾化效果提高燃烧效率，对柴油机而言，喷雾中具有重要实践意 义的是近场区的结构和特性。主要的特征参数包括分裂长度、喷雾锥角、喷雾贯 穿度和平均滴径分布等。人们在以线性稳定性理论研究射流分裂与雾化机理的同 时还根据雾化的机理对喷雾的特征做了大量的工作。 由于低速射流的分裂破碎过程是由表面力和气动相互作用引起的这一结论已 被人们所接受，于是自然就想到高速射流的雾化过程也是由气液界面上气动相互 作用引起的表面波增长的结果。 喷嘴附近未受扰液核长度的大小直接影响着射流的雾化质量进而对燃烧过 程产生重大的影响，所以对其长度的确定也一直是人们密切关注和感兴趣的课题。 许多研究者，如g r a n t 和m i d d l e m a n ，m c c a r t h y 和m a l l o y 对其分裂后的形状进 行过研究，此外m c c a r t h y 和m a l l o y 还研究了气体介质和喷嘴设计对未受扰液核 的影响。l e r o u x 等认为与射流的初始扰动参数，即h l ( 兰) 及气体密度有关。 由于高速射流的雾化过程是一个极其复杂而且时间很短的不稳定过程，这一 过程中的许多问题仍认识不清，即使在射流速度对未受扰液核长度l 变化趋势的影 响上也存在着不同的观点，如h a e n l e i n 报道l 随射流速度的增加而增加，当速度 达到一定值后迅速变为零；m c c a r t h y 和m a l l o y 指出随射流速度的增加而连续 增加。h i r o y a s u 等【3 8 】发现l 随射流速度变化出现不连续的变长和缩短，他们把这 一现象归因于由喷嘴内部的空穴流和分离流所引起的流体在喷嘴内流动模式的改 变所致。 j b b l a i s o t 和s a d e l i n e 针对自由降落射流，得到了时间稳定性和空间稳定性 的未受扰液核长度l 的计算公式，他们将这一公式与实验数据对比后，得出结论： 船用柴油机燃油雾化模型及n o x 排放的数值模拟 线性稳定性理论分析能较准确地估计低速射流的未受扰液核长度；对高速射流而 言却过高的估计了这一长度。 k a l a a j ia 等也得出了与j b b l a i s o t 和s a d e l i n c 相似的计算未受扰液核长度l 的计算公式，同时采用频闪成像和激光光度测定法对较大粘性和较大射流速度范 围内的液体射流的未受扰液核长度进行了测量，结果表明线性理论能准确预测这 一长度。k a l a a j ia 所得结论针对高速射流时与j b b l a i s o t 的结论是不同的，原因 可能是由于采用的实验设备、方法及未受扰液核长度定义不同造成的；第二个原 因，由于射流的高度不稳定性即使相同类型的喷嘴因加工过程中造成的哪怕一点 差异，也会使得这一长度相差很大。 1 3 内燃机缸内工作过程的数值模拟 内燃机作为最常见的燃烧装置被广泛应用于工农业生产和交通等各个领域。 据统计，所消耗的能源占世界石油总消耗量一半以上的份额，其污染物的排放量 也同样让人震惊。因此，研制高效低污染的发动机是世界各国极力追求的目标。 为满足各行业对内燃机性能不断提高的要求以及符合各种排放指标的严格限制， 人们对内燃机的各个过程进行了大量的研究。 几十年来，人们已通过多种类型的实验方法对缸内过程进行测量和分析。例 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；用激光多普勒技术研究缸内流体的速度场和湍流特性， 研究喷雾粒子的速度分布情况【3 9 l ；利用红外光谱分析法测量缸内气体的温度【4 0 j 等。 这些工作对帮助人们认识内燃机缸内过程的机理、改善内燃机性能、降低排放污 染指标，有着不容忽视作用。 缸内流动具有“三强一异”的特点，即强不定常、强压缩、强旋转和各向异 性，这些特点使得它在各类燃烧系统中是比较复杂和典型的。实验获得的缸内流 场数据，不仅耗资巨大，周期长，而且完全相似的实验模拟几乎是不能实现的。 因此，对缸内燃烧过程的数值模拟引起了人们的重视，并占有了越来越重要的地 位。数值模拟能够用于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 第1 章内燃机缸内燃烧模型研究现状综述 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，内燃机的性能和排放等。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。如在内燃机传统的设计过程中， 大量的实验方案，反复的修改和试凑，不仅耗费人力物力，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。通过使用计算流体力学和计算燃烧学的方法来预测 内燃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，同为内燃机研究的基本方法基本手段。 对内燃机缸内工作过程模拟的准确程度主要是由描述缸内物理、化学过程的 数学模型与真实的自然过程接近的程度、数值模拟所采用的数值方法及计算机的 发展水平决定。其中数学模型的好坏是数值模拟的关键，下面就前两个问题针对 内燃机工作过程的数值模拟做一概述。 1 3 1 内燃机燃烧模型的发展综述 由于计算机的出现，自上世纪6 0 年代开始了基于计算机的内燃机循环模拟研 究工作，目的是预测发动机的动力性和经济性。一直到今天，内燃机工作过程和 燃烧过程的数学模型在不断的进步和发展着，内燃机燃烧模型的研究已经先后经 历了从放热率的计算到零维、准维和多维模型这样四个阶段。 放热率的计算是根据实测的压力数据估算实际放热率。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 维和准维模型都是用热力学原理分析燃烧过程，对所涉及的流体动力学过程不予 考虑，或只做极简单的处理，其控制方程是以时间为唯一自变量的常微分方程； 多维模型是用数值方法求解描述燃烧过程的质量、动量、能量和化学组分的守恒 方程，这是一组多自变量的偏微分方程，它一般由模拟缸内各个物理化学过程的 若干子模型组成，如气体流动模型、燃油喷雾混合模型、化学反应模型和传热模 船用柴油机燃油雾化模型及n o x 排放的数值模拟 型等。一个完整的内燃机燃烧多维模型的建立，要综合运用热力学、流体力学、 传热传质学、化学反应动力学和数值分析等学科知识，同时更离不开高速大容量 计算机。所以最近的三十年里，人们才有条件着手解决这一课题。而多维模型的 研究和发展反过来不仅为内燃机燃烧系统的设计和研究提供数学模拟基础，而且 必将在理论和实践两方面促进上述诸学科的发展。 1 3 2 内燃机燃油喷雾模型 在内燃机中，燃油的喷射、雾化和蒸发及其与空气的混合对发动机的燃烧和 排放具有关键性作用，然而喷雾的数值模拟却是一个极其困难的课题，这是因为 缸内气体的宏观流动和湍流脉动对喷雾都有强烈的影响，而喷雾所产生的“雾” 又是由尺寸各异的大量细微油滴、油蒸气与空气组成的混合物。要正确模拟喷雾 形成，必须依靠两相流和统计力学的理论，但这种繁复的两相流计算是以高额的 计算成本为代价的。工程上一般采用比较简单而节省的方法，迄今为止，人们已 经发展出复杂程度和预测精度各不相同的多种喷雾模型。总的说来，无论准维模 型还是多维模型，都可以分为均相气态射流模型和气液两相模型这两大类。 ( 1 ) 气态射流模型 这类模型认为，燃料的雾化与蒸发速率远远大于燃料与空气的混合速率，加 之当接近压缩终点时，燃烧室内的状态已超过了燃油的临界状态。因此，燃料一 旦射入燃烧室后立即成为气态，故可用一股气相射流来模拟实为两相混合物的喷 雾。解茂昭将该模型进一步发展为多维气态射流模型，同时与计算流体动力学的 任意拉格朗日一欧拉法( a l e ) 相结合。它优于准维模型之处，在于无须对喷射的维 角、贯穿度和浓度分布等作任何人为的假设，只要给定油气射流的初速度和方向， 其后的演变过程和浓度分布均可自行算出。 ( 2 ) 油气两相模型 这类准维模型是以广安博之为代表，它忽略流体射流的雾化分裂过程，假定 燃料直接以油滴形式射入燃烧室，并认为油滴蒸发速率对燃烧过程起控制作用。 h i r a k i 和r i f e 针对直喷式分层充量发动机建立了一个准维多区模型，他们将喷雾 体沿轴向划分为若干个圆锥台形状的子区，每个子区都从周围环境中卷吸空气， 进行混合和燃烧。 第1 章内燃机缸内燃烧模裂研究现状综述 零维、准维模型方法简便，计算成本低，目前在工程上应用较多。但是，由 于内燃机的燃烧是多种现象相互耦合的、瞬变的、多维多相的极其复杂的物理化 学过程，所以零维和准维模型都不能从本质上反映其机理，也不能对发动机的性 能做出详尽的分析和预测，其应用也缺乏普遍性。随着多维两相流理论的发展， 人们日益感到有必要发展更接近物理真实的两相喷雾模型。两相流和多相流的研 究目前主要有两种不同的观点。一种是只把流体相作为连续介质，而把颗粒( 液 滴) 相作为离散体系，应用拉格朗日运动坐标系研究颗粒或颗粒群在流场中的动 力学和热力学特性；另一种观点则不仅把流体相作为连续介质，同时也把颗粒相 视为拟连续介质或拟流体，认为后者在空间中有连续的速度、温度等参数分布及 等价的输运性质。具体到内燃机，从这两种观点出发，就分别发展出离散液滴模 型( d d m ) 和连续液滴模型( c d m ) 这两类模型。b r a c c o 等首先建立了一个连续液滴 模型( c d m ) 。从理论上讲，c d m 方法可以为喷雾场提供全面而详尽的描述，但由 于其计算量太大，现阶段难以应用于实际工程中，目前人们把研究和应用的重点 转向d d m 方法。d d m 不考虑全部油滴，而只处理其中若干具有代表性的统计样 本。l o sa l a m o s 实验室以提出了类似的d d m 模型，主要区别在于对燃油喷射的初 始状态考虑得更细一些。陈白欣等应用d d m 方法对直喷式柴油机缸内混合气形成 过程进行了模拟计算，取得了令人满意的结果。 o r o u r k e 和a m s d e n 在t a y l o r 比拟的基础上提出了t a b 模型；r e i t z 和d i w a k a r 以表面波理论从另一角度提出了油束的w a v e 模型。b e a t r i c ec 将t a b 模型和 w a v e 模型结合提出了一种混合模型，杜爱民等采用混合模型针对s l l 0 0 涡流室 式柴油机进行了数值计算，计算结果与李德桃、朱广圣的高速摄影所得的结果一 致。p a t t e r s o n 于1 9 9 7 年提出了r a y l e i g h t a y l o r 模型。t a n n e rfx 对t a b 模型进行 了改进提出e t a b 模型，他同时针对该模型采用k i v a 3 对没有蒸发的燃油喷雾过 程进行了模拟。夏兴兰将喷射油滴的破碎用w a v e 模型和r a y l e i g h t a y l o r 模型来 描述，对涡流室式柴油机的燃油喷雾过程进行了模拟计算。 1 3 3 内燃机缸内工作过程模拟软件概述 由于内燃机工作过程是一个瞬变的、多维多相的复杂过程，所以多维模型更 能如实反映其本质及变化规律。随着对内燃机燃油经济性和排放的要求不断提高， 船用柴油机燃油雾化模型及n o x 排放的数值模拟 制造商们纷纷对一些新技术( 高压共轨、电控喷射、预喷射、汽油直接喷射、废 气再循环、代用燃料、燃烧控制技术、结构调整等) 进行研究。这些技术需要对 内燃机的工作过程尤其是内燃机缸内燃烧过程有更深层次的认识。 国外在内燃机工作模拟方面的工作开展较早，常用的模拟缸内工作过程的多 维反应流体c f d 软件主要有r p m 、p h o e n i c s 、e p i s o 、k i v a 、f i r e 、s t a r c d 、 v e r t i s 、s c r y u 、f l u e n t 、p o w e r f l o w 、c f x 5 、s p i c e 、f i d a p 。这些程序 的差异主要表现在各种描述燃烧和流动过程的物理、化学过程模型的不同有机组 合以及采用不同的数值方法上【4 l l ，不同的软件在不同应用领域有各自的优势。 k i v a 系列程序由美国l o sa l a m o s 国家实验室主持研究开发，包括k i v a 、 k v a - 1 1 、k i v a 3 、k i v a 3 v 、k i v a 3 v ( 第二版) 及各种改进版本，代表了当 今内燃机燃烧模拟的最新成就。由于其源程序是开放的，研究者们可在其原有模 型的基础上使其更完善或更适用于某一特定的情况，因此许多国家的研究者们运 用k i v a 程序进行内燃机工作过程的理论研究与探索。 f l u e n t 程序是一种有代表性的c f d 软件，它的前置处理器g a m b i t 具有 一定的几何建模能力和功能强大的网格生成能力。g a m b i t 不仅提供了结构化网 格和分区剖分网格能力，而且能够生成完全非结构化网格，其中包括4 面体网格、 6 面体网格、三角柱网格和金字塔型网格，并允许以上多种网格的混合。g a m b i t 与大多数的c a d c a e 系统有丰富的接口，用户可以在a c i s 、i g e s 、s t l 、s t e p 、 p r o e 、i d e a s 和a n s y s 等软件中构造几何模型和网格，然后输入f l u e n t 。 f l u e n t 软件包括的物理模型有定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可 压缩流动、传热和传质、多孔介质、化学反应、粒子运动轨迹和多相流、自由表 面流、相变流。 目前国内大型内燃机工作过程的数值模拟程序，充分吸收和采用已有的国外 先进技术成果，尤其是k i v a 程序集中的数学模型和数值方法，具有较高的实用 价值。它们的开发成功，缩短了我国与发达国家在这一领域的差距，也为内燃机 企业开发新产品提供了有力的技术支持，对于推动我国内燃机事业的迅速发展有 着不可估量的作用。 第1 章内燃机缸内燃烧模型研究现状综述 1 3 4 目前内燃机工作过程模拟技术所存在问题及发展方向 内燃机工作过程模拟的理论和技术一直在不断地发展和完善，其在内燃机设 计和研究中的作用已得到公认，但仍存在一些不足有待改进【4 2 】： ( 1 ) 目前采用的数学模型，大多数仍是借助于物理模型或相似模型的研究建立 的，模型求解的边界条件和系数的确定仍需实验解决，还无法成为一种独立的研 究手段；( 2 ) 建模过程中对实际过程进行的许多简化、抽象和假设，影响了模型的 建立，从而使计算结果和实际情况之间存在偏差；( 3 ) 数学模型中采用的经验公式 ( 如传热系数、流量系数、放热规律等) 是在不同的条件下和不同的内燃机上通 过实验获得的，很难做到通用，在应用时必须根据情况恰当选择，否则难以得到 满意的结果；( 4 ) 模拟算法的精度与速度对于不同的研究内容会有不同的要求，在 模拟时必须根据具体情况加以调整，因而难以有统一的标准；( 5 ) 很多c f d 模拟 软件是针对具体的工作过程和机型编制的，软件的可移植性和可扩充性较差。 虽然存在不足，内燃机循环的数值模拟的优越性还是越来越为人们所重视， 尤其是对于新型内燃机的研制、选型及改进等方面，提供了极大的方便。今后开 展模拟研究工作的发展方向重点有以下几个方面： ( 1 ) 探讨适合船用柴油机工作特点的模拟方法，不但要考虑计算精度，还应考 虑计算速度；( 2 ) 重点对内燃机整机性能进行模拟研究，模型建立应力求简单，物 理概念明确；( 3 ) 软件的结构应采用开放式，具有好的移植性和扩充性；( 4 ) 模拟 软件的用户界面应该尽量做到方便人们的使用；( 5 ) 注重排放的研究和模拟。 1 4 本文的工作 本文对液体射流分裂雾化过程的机理进行了理论和数值研究，模拟了内燃机 的燃烧与排放。具体完成了以下几方面的工作。 ( 1 ) 概括总结了前人关于射流稳定性及其分裂雾化机理的研究成果，同时还对 燃油的雾化模型进行了介绍。 ( 2 ) 将圆柱形粘性液体射流模型作了进一步分析，即考虑到气体的粘性在射流 分裂雾化过程中的作用，使得射流分裂雾化模型更加完善；采用线性稳定性分析 的方法对射流模型进行了求解，得到了具有普遍三维扰动形式下的射流自由表面 扰动发展的色散关系。 船用柴油机燃油雾化模型及n o x 排放的数值模拟 ( 3 ) 对上述的色散关系作了比较详尽的数值分析并针对若干实际工况进行了 大量数值计算；将理论分析及数值计算结果与射流分裂雾化特性相结合得到了一 套计算射流的未受扰液核长度、喷雾的平均滴径的方法。 ( 4 ) 将空心圆柱形粘性液体射流模型完善，即考虑到空心柱内外气体的旋转强 度在射流分裂雾化过程中的作用；手算得到了空心圆柱形粘性液体射流的具有普 遍三维扰动形式下的自由表面扰动发展的色散关系。 ( 5 ) 对船舶柴油机的缸内燃烧过程进行了模拟，分析了缸内的温度场、压力场 等与n o x 生成的关系，并通过改变参数，确定不同的参数对n o x 生成所产生的影 响。 第2 章液体射流分裂与雾化模型的建立 第2 章液体射流分裂与雾化模型的建立 本章将前人关于圆柱形液体射流线性稳定性分析的工作进一步完善，即考虑 到气液流体的可压缩性及液体的粘性在射流分裂与雾化过程中的作用，建立了三 维扰动情况下的射流分裂与雾化模型，并对模型进行了理论分析，得到描述射流 自由界面扰动发展的色散关系。 2 1 无量纲线性化射流控制方程及其精