（工程热物理专业论文）柴油机碳烟形成历程经验模型的数值模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 碳烟是柴油机燃烧过程中 燃油分子在高温 缺氧和高压条件下裂解生成的 碳烟 严重污染了环境 给人类的健康带来了危害 因此对柴油机碳烟排放法规的要求日益严 格 控制柴油机的碳烟排放已成为柴油机性能研究的重点和热点之一 本文分别采用了k g k h a na n dg r e e v 懿 和广安修正两种代表性的柴油机碳烟预 测经验模型 对碳烟的形成历程进行模拟 模拟中 对碳烟的形成速率用c 语言进行编 程 将其耦合到c f d 商业软件f l u e n t 中进行多维的数值模拟 并分析温度场对碳烟的 生成量和氧化量的影响 本文分两部分完成 第一部分 分别利用两种模型 进行多维的稳态模拟 在相同 条件下比较生成的碳烟量 为后期的模拟以及参数选择提供参考 模拟结果表明 在稳 态下使用k g 模型时的碳烟生成量要比广安修正模型多3 5 一4 3 左右 第二部分 分别使用k g 和广安修正模型对柴油机的燃烧过程进行模拟 模拟过 程分别计算了燃料当量比 进气温度 转速以及湍流模型对碳烟生成和氧化的影响 结 果表明 广安模型的计算结果与实验结果比 误差率在1 0 3 0 之间 而k g 模型的 计算结果与实验相比 误差率在2 0 3 8 左右 模拟表明 在相同的条件下 燃料当量比越大 碳烟生成量就越大 初始温度越高 碳烟生成量也越大 模拟还发现 在相同条件下使用r n g 湍流模型时 碳烟的生成量要 小于标准的湍流模型 而且在碳烟的最大值生成时间上要晚于标准湍流模型1 c a 曲轴 转角 关键词 柴油机 碳烟 经验模型 碳烟生成和氧化 湍流模型 柴油机碳烟形成历程经验模型的数值模拟 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs o o t sf o r mc o u r s eb ye x p e r i e n t i a lm o d e l i nd i e s e le n g i n e a b s 仃a c t s o o ta r ef o r m e dw h e nf u e lm o l e c u l es p l i ti nh i g ht e m p e r a t u r e s h o r to fo x y g e na n d h i 曲 p r e s s u r ec o n d i t i o ni nd i e s e le n g i n e sb u m i n gc o l m s e t h es o o tn o to n l yb a d l yp o l l u t et h e e n v i r o n m e n t b u ta l s ob r i n gh a r mt oh u m a n sh e a l t h s ot h er u l et od i e s e le n g i n e se x h a u s ta r e m o r es t r i c t e rt h a nb e f o r e a n dt h ec o n t r o lt od i e s e le n g i n e se x h a u s th a sb e c o m eo n eo f i m p o r t a n ta n d h o tq u e s t i o na b o u td i e s e le n g i n e sc a p a b i l i t yr e s e a r c h i nt h i s p a p e r k gm o d e l a n dg u a n g a na m e n dm o d e la r ea d o p t e d t h et w o r e p r e s e n t a t i v em o d e l sa r ee x p e r i e n t i a ls o o tp r e d i c t e dm o d e l t h e nu s et h et w om o d e l st o s i m u l a t et h es o o t sf o r mc 3 u r s e i nt h es i m u l a t i o n t h er a t eo fs o o ta r ep r o g r a m m e db yc l a n g u a g ea n di n c o r p o r a t ei n t ot h ec f dc o d et oc o n s t r u c tam u l t i d i m e n s i o n a lm o d e t h e n a n a l y s i st h et e m p e r a t u r ef l e d sv a r i e t yt os o o t si n f l u e n c ei nf o r m a t i o na n do x i d a t i o n t h ep a p e ri sd i v i d e di n t ot w op a r t s i nt h ef i r s tp a r t t h et w om o d e l sa r es i m u l a t e di na m u l t i d i m e n s i o n a ls t e a d yf i r e b o x i nt h es a m ec o n d i t i o n c o m p a r et h et w om o d e l ss o o t f o r m a t i o nr e s u l t a n dp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ea f t e rs i m u l a t i o ni nt h es o o tm o d e lp a r a m e t e r s s e l e c t t h er e s u l ti n d i c a t et h a ti nt h es t e a d ys t a t u s t h et o t a la m o u n to fs o o tm a s sc a l c u l a t e db y k gm o d e li s3 5t o4 3p e r c e n tm o r et h a ng u a n g a n sm o d e l i nt h es e c o n dp a r to ft h ep a p e r t h et w om o d e l sa r eu s e dt os i m u l a t et h ed i e s e le n g i n e s b u r n i n gp r o c e s s t h es i m u l a t i o nc a l c u l a t ea i r f u e lr a t i o i n t a k et e m p e r a t u r e e r a n k s h a f la n d t u r b u l e n tm o d e la n ds oo ni n f l u e n c et os o o tf o r m a t i o na n do x i d a t i o n t h er e s u l ti n d i c a t et h a t c o m p a r et h et w om o d e l sr e s u l tt oe x p e r i m e n tr e s u l ts e p a r a t e l y t h eg u a n g a nm o d e l se l t o r r a t ei s10 3 0p e r c e n t b u tt h ek gm o d e l se r r o rr a t ei s2 0 38p e r c e n t t h es i m u l a t i o ni n d i c a t et h a t t h em a x i m u mo fs o o tm a s si si n c r e a s e db yt h ea i r f u e l r a t i o si n c r e a s ea n dt h ei n i t i a lt e m p e r a t u r ei n c r e a s eu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n t h es i m u l a t i o n r e s u l t sa l s os h o wt h a t t h em a x i m u mo fs o o tm a s si sl e s st h a ns t a n d a r dm o d e l a n dt h et i m eo f m a x i m u mo fs o o tf o r m a t i o ni sl a t e ra b o u t1 c ac r a n ka n g l ei f u s i n gr n gt u r b u l e n tm o d e l k e y w o r d s d i e s e le n g i n e s o o t e x p e r i e n c em o d e l s o o tf o r m a t i o na n do x i d a t i o n t 呦u l e n tm o d e l 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用内容和致谢的地方外 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果 也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 若有不实之处 本人愿意承担相关法律责任 学位论文题目 璺磕扭酸烟显盛压翟蕴醢塑型白j 童篮挝趑 作者签名 j 如叫l 一魄耳年 月阜日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定 在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学 允许论文被查阅和借阅 学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 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 可以采用影印 缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文题目 塞i 出扭垂菱烟军蘸压理红壅鞋童型巨鱼墼街搜蚁 作者签名 量 挺鳟 日期 2 1 缉年j 月篡一日 导师签名 上孽乏止日期 丝年年 上月二乒日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题的理论意义和应用价值 近几年来汽车数量的不断增加 造船事业的迅速发展 使得柴油机的使用数量迅猛 增长 一方面 这使得我国的能源使用量不断的加大 造成煤 石油和天然气等化石燃 料不断的减少 而我国的能源资源却有限 部分资源已经枯竭 另一方面 我国的汽车 制造业在尾气排放控制技术 发动机制造技术等方面较发达国家有明显差距 导致国产 汽车油耗高 燃油经济性低 单车排放量和排放因子大大高于发达国家 所以以柴油机 为动力的汽车等设备的碳烟排放量不断增加 严重污染了城市空气 此外柴油机的大量 使用 使全球的燃油总消耗量迅速增加 燃油价格也随能源的短缺而日益升高 因此在能 源危机和环境保护的双重压力下 对柴油机节能和排放的要求日趋严格 对柴油机性能 的要求也越来越高 目前柴油机的排放污染已成为各国政府和人民普遍关注的一大公 害 因此减少柴油机的碳烟颗粒排放 保护环境已成为摆在我们面前的迫切课题 碳烟 又称碳黑 s o o t 颗粒物是大气环境的污染物之一 它是由燃烧过程中所形成 的碳粒组成的 而碳粒是指排气中的固体及液体的凝结物 这些颗粒物与尾气混合 行 成了浓浓的黑烟 因碳粒物不透光所致 当汽车加速 重载或超载时 经常会产生大 量的碳烟 最近几年一系列的研究表明颗粒排放可能是城市空气污染最严重的问题 一般认为 碳烟本身无毒 但碳粒常夹附有二氧化硫及其他碳氢化合物 如致癌的 多环芳香烃 苯丙芘等 不同直径的碳粒对人体的影响不同 如表1 1 所示 表i 1 碳烟的危害n 3 t a b 1 11 1 1 eh a r mo fs o o t 碳烟颗粒直径 um 危害 吸入气管后 可排出体外 对人体危害不大 吸入后 将在肺中沉积 吸入肺部后 导致肺气肿 还将引起皮肤病 变态性病 致癌 危害最大 碳粒的颗粒越小 在空气中悬浮的时间越长 最小的颗粒可在空气中悬浮达一周 以上 这就增加了这些颗粒与人体接触的机会 另外 碳烟沉淀后呈黑色 使环境的清 洁度变差 同时 柴油机产生的其它有害气体如 c o 一氧化碳 ih c n o x 碳氢化合物和 氮氧化物 及噪声等都对环境有严重的危害 己危及到人们的健康甚至生命 为了抑制 这些有害气体的产生 促使汽车生产厂家改进产品以降低这些有害气体的产生源头 近 2 m 柴油机碳烟形成历程经验模型的数值模拟 年来世界各国相继出台了严格的法律法规 并采取了许多的相应措施来降低排气污染 限制其排放水平 在欧洲 2 0 世纪7 0 年代已经开始注意到机动车辆的排放问题 并制定 了一系列的法规 备受世人关注的是2 0 世纪9 0 年代陆续出台的欧i 排放法 规 现在整个欧洲执行的是欧 标准 当前美国实行的标准相当于欧 标准 美国加州 实行的标准略高于这一标准 其中欧洲标准是我国借鉴的汽车排放标准 目前国产新车 都会标明发动机废气排放达到的欧洲标准 我国现行g b l 7 9 6 1 2 0 0 1 排放法规 法规中对 气态污染物排放限制规定如表1 2 所示噱1 表1 2 我国车用柴油机排气污染物排放限制法规 单位 g k w h t a b 1 2t h el i m i to fc o n t a m i n a t i o no fd i e s e li nc h i n a u n i t g k w h 随着国际范围内柴油机排放法规的日益严格 柴油机的排气污染已成为制约柴油机 应用的重要因素之一 研究开发低油耗 低污染和低噪声的柴油机已成为内燃机工作者 极力追求的目标 对柴油机系统而言 最核心的工作过程是燃烧过程 而解决柴油机排 放性和经济性问题的关键在于合理组织好柴油机的燃烧过程 因此对柴油机燃烧过程的 深入细致的研究将有助于柴油机性能的优化 在这种压力驱使下 目前对柴油机在燃油 经济性和排放性能方面研究日益增多 其中控制柴油机的碳烟排放己成为柴油机性能研 究的重点之一 目前针对碳烟排放的研究方法 大致可分为试验法和模拟法两类 试验法直观 准 确 但要花费很多的人力和物力 而且有时还因为试验条件的限制难以进行某些试验 模拟法可通过计算机进行数值模拟计算 可以方便地预测柴油机的燃烧与排放性能 从 而节约大量时间 提高设计研究的效率 与其它气相污染物不同 碳烟是一种固体颗粒 它的形成不仅要经历非常复杂的气相反应 还要经历从气态到固态的相变过程以及后续 的颗粒的生长和发展过程 因而还涉及到颗粒动力学等相关领域 而碳烟生成后还要发 生氧化反应 由此可见 建立碳烟形成 发展和氧化过程的物理化学模型及其数值模 拟较之其他污染物是一项难度更大且更具挑战性的工作 正因为如此 碳烟排放的计算 模拟已成为内燃机燃烧学近年来最为活跃的研究领域 大连理工大学硕士学位论文 一方面 通过对柴油机碳烟排放的数值模拟 在理论方面可以对内燃机计算燃烧学 的发展 起到一定的完善和帮助作用 使内燃机计算燃烧学的发展能够日益成熟 从而 改善燃烧 提高内燃机效率 降低油耗 另一方面通过对柴油机碳烟排放的数值模拟 我们可以从多方面来改善柴油机的性 能 对柴油机的改进起到一定的参考作用 比如 从燃料方面 提高燃料的十六烷值 加快脱氧反应 使碳的形成速率增加 排气烟度增加 在喷油提前角方面 如果直接改 变喷油正时 影响燃烧始点 会对排气质量的影响很大 喷油系统方面 如提高喷油的 初喷射速度 缩短喷油的持续时间 则滞燃期内喷入的油量增加 排烟量减少 在燃烧 方式和燃烧室形状方面 碳烟主要在副燃烧室里生成 它们进入主燃烧室后大部分被氧 化 在小负荷时 由于主燃烧室的温度较低 碳烟氧化慢所以非直喷式柴油机在部分负 荷时的碳烟大于直喷式 改善非直喷式柴油机排放的重点也在副燃烧室 还可以在增压 过量空气系数以及气流组织和多气门技术方面等对柴油机的改进起到参考作用 总之 通过对柴油机碳烟过程的数值模拟 来改进柴油机的设计 减少柴油机的碳 烟和其它污染物的排放量 起到保护环境和节约能源的双重作用 1 2 碳烟的概述与模型发展 1 2 1 碳烟的概述 柴油机的有害排放物很多 微粒就是典型的一种 而碳烟又是柴油机排放微粒的主 要组成部分 常常占微粒总量的5 0 8 0 之多 碳烟 又称碳黑或碳粒 研究表明 碳烟 是燃油分子在高温 缺氧和高压条件下裂解生成的 其主要成分是碳 碳烟是气相燃 烧过程的产生的尺寸极小的固体颗粒 而液体烃燃料裂解生成的微粒一般称为碳焦口3 大量的电镜照片h 3 发现大的碳烟微粒是由众多小的基簇粒子结合而成 这些基簇粒 子具有大致一样的尺寸 但在不同的凝聚体中基簇粒子的尺寸是不一样的 碳烟粒子由 约1 0 3 1 0 4 数量级的基簇粒子构成 基簇粒子直径约为2 0 4 0n m 含有约1 0 5 1 0 6 个碳原子 还有数量约为碳原子数十分之一的氢原子 基簇粒子是在火焰的高温区形成 因此是非结晶体 其结构千差万别 有的呈链状 有的呈絮状 图1 1 腩1 所示为柴油机 排气微粒电镜图 柴油机碳烟形成历程经验模型的数值模拟 图1 1 柴油机排气微粒电镜图 f i g 1 1 n ef i g u r eo f s o o ti nd i e s e l 髓垂n e 碳烟的生成条件是高温和缺氧 柴油机尽管总体上是富氧燃烧 但燃料和空气的混 合极不均匀而导致局部缺氧 易形成碳烟 由于柴油机燃烧时油滴 油气和氧气异相共存燃烧的复杂性 对碳烟生成的详细动 力学机理了解还不够 已发表的论述主要有n 1 燃料分子以脱氢的形式发生分解 生成的碳微粒再聚集成固体碳 2 认为火焰中最初有些燃料分子聚合成大的分子或是油滴 它们由脱氢反应而变 成碳粒子 3 上述两中说法的折中 认为在高温火焰下 能产生部分分解及脱氢反应的一些 中间产物 在它们聚合的过程中又进一步脱氢 逐渐变成固体颗粒 这种论述也称为乙 炔说 现在多数人认为第三种论述较能正确解释碳粒的形成 一般认为碳烟的形成过程如 下 在高温 2 0 0 0 k 3 0 0 0 k 缺氧区 燃油中的烃分子发生氧化和热裂解 生成各种不 饱和烃类 如乙烯 乙炔及其较高的同系物和多环芳香烃 它们不断脱氢 产生较小 分子量的物质 后期聚合为以碳为主的直径2 n m 左右的碳烟核心 而在燃烧室壁面等无 火焰的低温区 则通过聚合和环化与氢化过程 生成凝结的芳香族碳氢化合物 再生成 大分子量的物质 最后也生成碳粒 这两个途径常常是相互交叉进行的 如下图1 2 所 示 l o 大连理工大学硕士学位论文 图1 2 产生碳烟的过程简图m f i g 1 2 t h ee a s yf i g u r eo fs o o tf o r mp r o c e s s 0 0 k 气相的烃和其他物质在这个碳烟核心表面的凝聚 以及碳烟核心互相碰撞发生凝 聚 使碳烟核心增大 成为2 0 n m 一3 0 h m 的碳烟基元 最后碳烟基元经聚集作用堆积成 直径1l zm 以下的球状或链状的聚集物 在低温条件下 芳香烃或多环化合物是形成碳烟的初始粒子 高温条件下的乙炔火 焰对碳烟的生成具有很大诱发力 聚乙炔的最大浓度几乎与最初出现的碳粒成线性的关 系 而作为高温下链反应基本环节的聚合不饱和烃基 由1 5 0 6 0 0 个原子团组成 每个 原子团约有1 2 2 0 个碳原子 存在 是形成碳原子的重要特征 芳香烃化合物的浓度随 碳烟浓度的增大而增大 由于在柴油机中碳烟生成的有效时间最短 一般只有4 m s l o m s 所以碳烟排出的最终速度是碳烟形成速度与燃烧速度之差 碳烟形成过程就机理而言可分为气相反应动力学和固体颗粒动力学两大部分 它们 分别对应于前驱物的形成及粒子成核与生长两个阶段 碳烟的形成机理过程可用图1 3 口1 所示的模型来描述 柴油机碳烟形成历程经验模型的数值模拟 图1 3 碳烟形成与氧化过程现象模型的结构 f i g 1 3 t h ef r a m ef o rp h e n o m e n o nm o d e lo fs o o tf o r ma n do x i d a t i o np r o c e s s 所以碳烟的形成阶段大致可分为 1 起始阶段碳氢燃料在开始生成碳烟之前 在高温贫氧环境下 首先发生燃料 分子的大量分解及反应物原子的重新排列 然后烃燃料的分子发生热裂解 裂解通常生 成许多分子量低的直链不饱和碳氢化合物 形成碳粒的气相前驱物 主要是多环芳香烃 p a h 及其他一些有助于碳粒生长的气相成分 简称为 生长组分 p a r 的继续生长导 致自由基的成核 此即粒子的成核阶段其特征就是形成能辨认出来的凝聚态的碳烟颗 粒 此时其尺寸还非常小 大量的碳烟颗粒是在火焰前锋高温缺氧的区域形成称为碳烟 的其始阶段 2 生长阶段粒子生长主要包括表面生长和凝结生长两种机理 表面生长指上 述 生长组分 直接附着在碳核表面 气相物质在基簇粒子表面反应使粒子质量不断增 加 与成核过程类似 表面增长反应的气相物质主要是乙炔及其聚合物 凝结生长指碳 烟粒子在运动过程中互相碰撞而凝聚 在这里 凝聚是指2 个或多个小的球状基簇粒子 经碰撞形成一个大的基簇粒子的过程 相对而言 凝结生长占重要地位 对粒子的生长 起决定作用 此外 作为碳烟前驱物的p a r 的大分子也可能直接沉积在碳粒的表面 从 而促进粒子的生长 3 氧化阶段已经生成的碳粒 包括其前驱物以及生长组分在适当条件下发生 氧化反应而形成惰性产物 其实从碳烟生成开始 就伴随着发生成核先兆物 碳烟核心 大连理工大学硕士学位论文 晶核 碳烟微粒的氧化反应 氧化在碳烟微粒生存期内的作用是随时间而变化的 关于碳烟微粒的氧化机理 目前多倾向于表面反应说 因此 柴油机排放废气中碳烟浓度是其生成和氧化的这两个相反过程综合作用的结 果 1 2 2 碳烟模型的研究发展进程 人们对碳烟模型的研究开始于2 0 世纪6 0 年代初期 长期以来 已有很多关于碳烟 生成的建模和试验研究 迄今提出的各类模型约有数十种之多 这些模型大体上可分为 3 类 既经验模型 半经验模型和详细的模型 1 早期的经验模型 经验模型大多出现与早期 即在2 0 世纪8 0 年代以前 那时 人们对碳烟的生成机 理的了解还十分有限 只能结合实验的观测结果 从表面现象出发 针对碳烟形成的主 要环节 如生成 凝结和氧化 提出一些简单的经验关系式 亦即经验模型 经验模型 是数值模拟计算中常采用的模型 主要有 t e s n e r 模型t e s n e r 口1 等根据化学动力学中活性基和链式反应的思想提出了 一个碳烟生成的模型 并被广泛应用与柴油机的碳烟排放模拟中 t e s n e r 等认为 由于 燃烧区的高温 分子发生离解的概率远远大于其聚合概率 因此 有大量的自由基生成 这些自由基引起一系列链分枝反应和链终止反应 最后以这些基团为核心而形成碳烟微 粒 广安及其修正模型由广安等人提出的一个非常简单的两步模型 即用一个 总包反应分别描述碳烟的形成和氧化 其中反应率均采用a r r h e n i u s 类型的表达式 其 中碳烟的生成率与燃油蒸汽的浓度成正比 而其氧化率则与氧气的浓度成正比 此模型 前期由于氧化模型的不准确性 导致模拟结果不太理想 后期采用了n a g l e 的氧化模型 使模拟的结果有了很大的改善 后来被称之为修正的广安模型 此修正的广安模型也是 本文所使用的碳烟计算模型之一 k h a ne ta 1 等针对柴油机而提出的一个简单模型 模型建立在一个简单的 经验公式基础上 主要用来计算柴油机排放的碳烟的质量分数 碳烟质量以及形成速率 此模型也是本文用于计算的碳烟模型之一 2 半经验模型 半经验模型则是在一定的程度上描述碳烟生成的物理和化学机理 但对这些机理做 了很大的简化 例如用很少的组分和化学反应式代替详细的反应机理 常见的半经验模 型有 f u s c o 模型f u s c o 等人于1 9 9 4 年提出了一个包括8 步反应的碳烟半经验模型 其基本思想就是应用尽可能少的反应步骤而又尽可能全面地描述碳烟生成的全过程 即 柴油机碳烟形成历程经验模型的数值模拟 通过总包反应以及相应的反映率表达式模拟燃料的热解 碳粒的成核 表面的生长 凝 结和氧化这些基本环节 k a z a k o v f o s t e r 模型此模型在f u s k o 模型的基础上做了若干修改 提出了一 个包括9 个反应的半经验模型 卜f 模型与f u s k o 模型的主要区别有三点 一是用通用 组分g r 取代了f u s c o 中的特定组分c 2 h 2 以适应更宽范围的燃料 二是增加一个凝结反 应以使计算得出的碳粒尺寸能够趋于均匀化 三是k f 模型中各反应率的计算公式与 f u s k o 模型有部分不同 m o s s 模型m o s s 等人与1 9 9 5 年针对一般的层流扩散火焰提出了一个较上述两 个模型更为简单的半经验模型 其主要特点是忽略碳烟形成与氧化过程中各具体环节的 描述 即不考虑该过程中产生的中间组分及其化学反应式 而集中求解两个重要的参数 即碳粒的体积分数及数密度的微分方程 至于碳粒成核 凝结 表面生长和氧化等重要 环节的作用 则以源项形式加入以上两方程中 3 详细模型 详细模型 不仅是指流场的多维c f d 计算 更主要的是指用详细的反应动力学机理 描述污染物形成过程 详细模型从碳烟生成的实际过程出发 分别从气相反应动力学和 固体颗粒动力学两方面尽量实现接近于真实的数值模拟 其中的气相过程采用详细的反 应机理 颗粒动态过程则用先进的数值方法求解颗粒动力学的基本方程 目前研究中常 见的详细模型有 f r e n k l a c h m a u s s 模型订1该模型是f r e n k l a c h 模型和m a u s s 模型的合称 由于两人在详细模型的研究上理论和模型都十分接近 故称之为f m 模型 模型详细描 述了碳烟生成的化学动力学和颗粒动力学 该模型的主要环节有 1 燃料热解及第一 个苯环的形成 2 芳香烃的组合及p a n 的初步形成 3 p a h 在h a c a 机理连续作用下 的生长 4 p a i l 的快速聚合 5 p a h 的氧化 6 碳粒的成核 7 碳粒的表面生 长 8 碳粒的氧化 上述8 个环节构成了f m 模型的基本框架 y o s h i h a r ae t a 1 针对直喷式柴油机而提出的了一个利用减少空气燃料的 反应机理并同时利用f r e n k l a c ha n dw a n g 的动力学模型的综合模型 此模型主要用来 计算排放碳烟的质量分数 t g c 模型由t a o g o l o v i t c h e v 和c h o m i a k 阳1 专门针对柴油机高温高压环境 和扩散燃烧的特点 提出的一个较f m 模型简单一些的碳粒排放模型 此模型由气相化 学和颗粒动力学两部分组成 气相模型由4 个部分组成 1 正庚烷自燃着火机理 2 小分子烃燃料氧化机理 3 p a h 限于两个环以下的芳香烃 和聚炔烃的形成和氧化 机理 4 n o 形成机理 碳烟的半经验模型也由4 个部分 1 碳粒的成核 2 碳粒 的表面生长 3 表面氧化 4 碳粒的碰撞凝结 t g c 模型的数值求解过程与卜f 半经验模型类似 除了在多维c f d 程序中求解气相流场的各基本变量之外 再补充求解 大连理工大学硕士学位论文 碳粒质量浓度c s 及其数密度n 这两个微分方程 1 3 国内外的研究概况与发展趋势 1 3 1 研究概况 关于碳烟的研究主要有数值模拟和实验两种方法 各有自己的优点和缺点 下面将 对国内外的研究概况做部分介绍 国外的研究起步较早 无论在理论还是在实验方面都已经比较成熟 其中德国在碳 烟的实验和理论研究方面都投入了大量的资金 科研成果比较的显著 其中贡献较为突 出的就是m i c h a e lf r e n k l a c h 他先后和多人口 1 合作 在碳烟模型的研究进展上从半经 验模型到详细模型都取得了很多的成就 在计算方法上也做了很大的改进和提高 还有 g e o r g es k i l l a s c a t r i nb e c k e r n 等选用非预混扩散模拟中的p d f 概率密度函数 模型 用来分析耦合了详细化学反应机理的非预混扩散燃烧 从而分析了碳黑的产量和碳黑的 形成速率以及中间产物的浓度变化 此外英国 美国口洲3 等国家也做了较多的研究 在 理论和技术方面都有了很大的该进和提高 比如 剑桥大学的a k n o b e l 和m k r a f t 以及 美国的密歇根州大学对于碳黑的研究已有数年的历史了 最近s a n g j i nh o n g m a r g a r e t s w o o l d r i d g e n l l 等在柴油机的燃烧模拟上采用3 维c f d 对碳黑的生成进行了数值模拟 这 里他们所采用的模型是涡耗散概念模型最p e d c 模型 我国对碳烟排放模型的研究起步比较晚 而且也较少 主要集中在对汽车的碳烟排 放模拟方面 而且大多以实验为主 以计算机数值模拟为辅助手段 研究主要集中在用 国外现有的经验模型进行数值模拟 并与实验结果相比较 对于碳烟研究有较大成果的 单位主要有 浙江大学的王飞 严建华n 2 1 等人 运用激光诱导发光法测量碳黑粒子浓度的模拟计 算 介绍了激光诱导发光法测量碳黑粒子浓度的模型 对激光加热过程中碳黑的粒径和 温度的变化进行了计算 并与经典结果进行了对比 验证了计算的有效性 文中最后考 察了几个重要因素 初始温度 即火焰温度 初始粒径 激光器波长和激光器强度对 碳黑加热过程的影响 该文的数值模拟计算为进一步测量研究奠定基础 华中科技大学的成晓北教授n 3 1 和香港理工大学陈德良教授n 钔合作 拥有先进的实验 设备和仪器 在数值模拟上采用h n s 碳烟经验模型 他们考虑碳烟粒子生成速率同时受 控于涡团破碎速率和化学反应速率 提出一种输运控制率与碳烟氧化率混合控制模型 进行碳烟计算 并用此模型对一台直喷式柴油机燃烧与排放生成过程进行了多维数值模 拟 结果表明 计算模拟结果与试验测量结果吻合较好 且使用该模型能够预测柴油机 研究样机的碳烟生成与氧化历程 对柴油机的设计和性能改造方面都有很大的帮助 湖南大学和湖南工程学院的现代车身技术教育部重点实验室在理论上和实验上也 柴油机碳烟形成历程经验模型的数值模拟 有一定的研究结果 刘金武 龚金科 谭理刚n 5 1 等人 将s u r o v i k i n 碳烟生成模型和 n a g l e 碳烟氧化模型集成在i c f d 2 c n 源程序中构建多维模型 采用数值循环模拟的方 法 根据不同的工作条件计算碳烟的生成和氧化历程 研究表明 用数值模拟的方法反 映了1 1 3 7 柴油机碳烟的生成和氧化历程以及设计参数对碳烟的生成和氧化的影响规 律 对柴油机的设计具有参考价值 此外在其它一些研究所和科研单位 比如西安交通大学 七一一研究所等也展开了 不同程度的研究 也都取得了一定的成绩 都在为柴油机碳烟排放和设计改造方面都起 到了重要的参考作用 其中关于碳烟实验研究的方法主要有 散射 辐射和散射 消光两种方法 目前散射 消光法应用比较普遍 消光法 当光束穿过碳烟粒子云时 由于碳烟颗粒对光的散射 和吸收作用使光强衰减 导致探测到的能量有所减少 图1 4 表示了一种在国际上常用 来测量碳烟微粒的散射消光实验装置图n 钔 图1 4 散射消光法测量碳烟的实验装置 f i g 1 4e x p e 曲即t a ls e t u pf o rs e a t t e r i n g e x t i n c f i o nm e a s u r e m e n t s 而我国关于碳烟的实验研究 主要是用来测量柴油机的碳烟排气微粒 常用的实验 方法有撞击器法和稀释管道法 图1 5 表示了用稀释通道法来测量柴油机排气微粒的实 验装置与原理图 大连理工大学硕士学位论文 s m p sc p c 气体摊蔽测缝仅 卜微粒过滤器 2 一油滤器 3 一硅胶干燥器 4 一二级微粒过滤器 5 一电加热器 图1 5 双喷射型稀释通道排气微粒测量系统示意图 f i g 1 5 as y s t e mo ft w os p r a yt y p ed i l u t ec h a n n e l st om e a s u r ee x h a u s tp a r t i c u l a t e 1 3 2 发展趋势 目前在学术界 碳烟及其前驱物产生及变化机制研究已经成为燃烧领域的热点主 题 采用数值方法进行碳黑颗粒物生成 生长过程的模拟计算是当前研究工作开展的主 要方法之一 随着计算机硬件水平的快速发展 基于碳烟生成 生长等实际物理化学变 化过程的详细动力学模型对柴油机三维流动模型进行流动与燃烧藕合的c f d 模拟计算成 为可能 碳烟详细动力学模型由气相详细化学反应机理及碳烟粒子动力学模型两部分构 成 气相火焰结构的合理性直接影响到碳烟颗粒的计算精度 因此 需要对柴油机缸内 燃烧火焰进行模拟计算 在此基础上进一步开展碳烟颗粒计算研究 然而数值模拟除了 对计算机有一定的要求外 更重要的是要有准确的模型 我国在这一方面比较落后 多 采用国外的常用经验模型 所以完善和提出新的更加精确的模型是我们应该致力研究的 方向 国内很多研究人员都在完善和改进国外模型 并在此基础上进行数值模拟和实验 研究 结果比较理想 与实验吻合较好 取得了很好的成绩 当然 这是远远不够的 还需要在此基础上开展碳烟颗粒计算的进一步的研究 宋雅娜口印等人对直喷式柴油机燃烧过程及碳烟生成的初步计算 对直喷式柴油机压 缩 膨胀冲程内的自燃和燃烧过程进行了动态模拟 基于已简化的正庚烷燃烧气相详细 化学反应机理 实现了复杂流动与燃烧的藕合计算 计算得到多环芳烃总的生成量水平 略高于试验值 但是其随转角的变化特性在定性趋势上与试验结果吻合 进行了碳烟颗 粒尺寸的初步数值计算 验证了详细碳黑颗粒动力学模型与藕合计算的可行性 但对于 该模型应用于三维 湍流 扩散 富氧燃气火焰流动计算的可靠性还需要开展进一步的 柴油机碳烟形成历程经验模型的数值模拟 计算研究 迄今为止 很多的关于碳烟生成和氧化的建模和试验研究 最典型的是p a t t e r s o n 等人用h i r o y a s u 模型作为碳烟生成模型 用n a g l e 和s t r i c k l a n d c o n s t a b l e n s c 模 型为碳烟氧化模型分析了碳烟生成机理 其预测的结果与试验结果基本相吻合 目前碳 烟的生成和氧化机理还未完全清楚 需要进一步深入研究 在前人的模型基础上优化改 进模型 使之模拟结果与实验结果更加一致 也是现在碳烟研究的一大方向 石秀勇 李国祥n 7 3 等人在分析前人对碳烟模型所研究成果基础上 提出了一个平均反应率的碳 烟氧化模型 通过编程嵌入到c f d 源程序中 并耦合软件中提供的喷雾和燃烧子模型 对一台车用直喷式柴油机的燃烧排放过程作了数值模拟 且与后喷射碳烟排放的试验结 果进行了对比分析 所得结果与试验数据取得了良好一致 在实验研究方面 国内王宇等人n 8 1 用激光诱导可见光法测量电场影响下火焰碳烟颗 粒浓度的分布变化 建立了一套基于激光诱导可见光法以及双色标定法的碳烟颗粒体积 浓度诊断系统 而国外一些实验室也正在开展辐射 散射的方法的研究 国际上以 v a n d e rw a lr l n 们为代表 针对激光诱导可见光技术本身进行了更为深入地研究 他 指出 激光诱导可见光技术可以通过调节激发波长 检测波长 像增强器快门时间以及 取像触发延时等参数使检测信号避开其他物质的发光 如荧光 散射光的干扰 从而使 碳烟颗粒信号更为准确 1 4 本文的研究内容和方法步骤 本文用c f d 商业软件包f l u e n t 结合碳烟生成的简单化学反应理论 以烷值接近柴 油的c 此z 为燃料 空气为氧化剂的这一燃烧过程中碳烟的生成 氧化过程进行数值模 拟 1 4 1商业软件f i 脚简介 这一软件由美国f l u e n ti n c 于1 9 8 3 年推出 是继p h o e n i c s 软件之后的第二个投 放市场的基于有限容积法的软件 它包括有结构化及非结构化网格的两个版本 在结构 化网格版本中有适体坐标的前处理软件 同时也可以纳入p a t r a n a n s y s i d e a s 及 i c e m e f d 等专门生成网格的软件 速度与压力耦合采用同位网格上的s i m p l e c 算法 对 流项差分格式纳入了一阶迎风 中心差分及q u k i c k 等格式 代数方程求解可以采用多 重网格及最小残差法 g m r e s 湍流模型有s t a n d a r d 七一占模型 r n g 七一s 模型 r e a l i z a b l e 七一占模型及r e y n o l d 应力模型 r s m 等 在辐射换热计算方面纳入了射线 跟踪法 r a yt r a c i n g 可以计算的物理问题类型有 定常与非定常流动 不可压缩与 可压缩流动 对高m a 数下的流动 专门另有r a m p a n t 软件 含有粒子 液滴的蒸发 燃烧的过程 多组分介质的化学反应过程等 在其非结构化网格的版本 f l u e n t u n s 中采用控制容积有限元方法 c v f e m 在该方法中采用类似于控制容积方法来离散方程 1 2 大连理工大学硕士学位论文 因而可以保证数值计算结果的守恒特性 同时采用了非结构网格上的多重网格方法求解 代数方程 1 9 9 8 年f l u e n t 公司推出了自己研制的新的前处理网格生成软件g a m b i t 并 且将f l u e n t u n s 与r a m p a n t 合并为f l u e n t 5 啪1 为了满足不同用户的需要 f l u e n t 除了其标准的界面外还提供了用户自定义函数的 功能 用户自定义函数 u d f 是用户自己用c 语言编写的程序 可以被动态的连接到 f l u e n t 求解器上来提高求解器性能 比如定制边界条件 定义材料属性等 也可以定义 用户自己具有标准形式的输运方程 像连续方程 动量方程一样在f l u e n t 中求解 本文中应用的是f l u e n t 6 3 版本 1 4 2 本文研究内容及方法步骤 本文参照国内外学者的文献 结合实际情况 忽略了碳烟生成的详细化学反应动力 学和颗粒动力学过程 采用了上文提到的广安修正模型和k g 模型两种碳烟预测经验模 型 并用c 语言自主编译了碳烟生成速率参数的求解程序 将程序作为源项耦合到 f l u e n t 中构建多维数值模拟 本文详细计算了在不同的燃烧参数条件下 燃烧区域的温 度场对碳烟的生成影响 并且集中求解了碳烟的生成的最大质量以及碳烟生成量和氧化 量 并且详细分析了在广安模型和k g 模型下选用不同湍流模型时对碳烟形成历程的影 响 为对柴油机碳烟排放模型以后的发展做更好的改进 研究也为以后能够更加准确的 使用碳烟生成的详细模型对碳烟的碰撞 凝结等详细过程的描述提供帮助 为柴油机结 构的优化和设计做出参考 由于碳烟详细的生成机理非常的复杂 详细的数值模拟计算还不成熟和完善 所以 关于碳烟的研究多以实验为主 数值模拟为辅 基于实验条件有限 本文只能做简单的 数值模拟计算 并将计算的结果与已有的实验研究结果相比较 探究模型的准确性 由 于课题进行的是初级阶段的研究和基础部分的工作 所以只采用两种具有代表性的经验 模型来数值模拟碳烟的生成和氧化历程 同时由于颗粒动力学的复杂性 对其过程大大 简化 在计算过程中只进行必要的参数计算 柴油机碳烟形成历程经验模型的数值模拟 2 碳烟经验模型的多维数值计算 目前国内关于碳烟经验模型的数值模拟计算 主要是将广安修正模型或其它经验模 型纳入k i v a 3 或f i r e 软件中进行模拟 本课题选取k g 和广安修正两种具有代表性的 碳烟经验数学模型 并对两种模型详细介绍 同时对本文用于模拟计算时结合f l u e n t 所用到的能量方程 组分方程 动量方程以及连续方程进行介绍 随后将经验模型中的 碳烟形成速率进行编程并纳入f l u e n t 程序中结合流体动力学进行多维的稳态数值模拟 模拟计算了不同参数下碳烟的质量 2 1碳烟数学模型的介绍 本文采用的两种碳烟预测经验模型 均忽略碳烟颗粒间的碰撞和凝结等详细过程 只用一个总包反应来分别描述碳烟的生成和氧化 f u e l 吗 2 1 c 刚 0 2 与p r o d u c t 2 2 式 2 1 和式 2 2 分别为碳烟的生成反应和氧化反应 其中反应率均采用了a r r h e n i u s 类型的表达式 2 1 1k h a na n dg r e e v e s 模型 k g 模型口3 为一个简单的经验模型 分别用一个总包反应来描述碳烟的生成和氧化 并用两个经验公式来计算碳烟的生成率和氧化率 其中碳烟的形成速率可以用简单的经验公式表示为 r tj f c s p 舢e l 币re 堰职 2 3 式中 r f 碳烟的生成率c 烟灰形成常数 k g n m s 巾 当量比 p 州 燃料粒子压力 p a r 当量比指数e r 活化温度 k 在此模型中由的选取必须在一定范围内 1 6 6 3 才能够有碳烟生成 否则不会形成 碳烟的氧化速率则用下式表达 氏吐 a p k 詈 2 4 其中 r 碳烟的氧化率a m a g n u s s e n 模型中的常数a 4 大连理工火学硕士学位论文 y 一 碳烟的质量分数p 碳烟的密度 k 代表湍流时间尺度 可见 碳烟的生成和氧化过程都受控于化学动力学和缸内的湍流运动 2 1 2 广安修正模型 广安的修正模型 1 也是一个两步模型 即各用一个总包反应来分别描述碳烟的形成 和氧化 反应率均采用a r r h e n i u s 类型的表达式 其中碳烟的生成率与油蒸汽的浓度成 正比 表达式为 k 一圳o s e x p 一剐 亿5 其中 m f 是燃料的质量 a 为指前因