直喷式柴油机碳烟形成历程Moss模型的多维数值模拟

论文摘要

柴油机燃烧过程中产生的碳烟严重污染了环境,危害着人类健康。研究碳烟的生成和氧化机理,已成为控制柴油机排放的重点和热点之一。计算机数值模拟的研究方法,具有耗时少,成本低等优点,并且可以方便的实现可视化分析。本文将Moss碳烟形成模型用C语言编程,纳入CFD商业软件FLUENT中构建多维模型,对直喷式柴油机燃烧过程中碳烟的生成和氧化历程进行多维非稳态数值模拟。本文模拟分为两个部分,第一部分模拟分析碳烟的生成和氧化历程,得到了缸内平均温度、压力,碳烟的颗粒数密度、体积分数及颗粒直径随曲轴转角变化的特性曲线。模拟的碳烟质量数值上与实验有一定差距,但是能够很好的反应碳烟的生成和氧化历程。本文还通过碳烟生长变化的云图和特性曲线分析了碳烟的生成氧化机理。为后期的模拟提供参考。第二部分,模拟了喷油提前角、转速、进气温度及负荷对碳烟颗粒数密度和体积分数的影响,同时通过缸内温度和氧浓度的云图分析碳烟的生成规律。结果表明,相同条件下：柴油机存在一个最佳喷油提前角使碳烟排放最少；转速增加碳烟颗粒数密度增加,但是却存在一个最佳转速使碳烟的体积分数最小；随进气温度增加碳烟的颗粒数密度和体积分数都增大；随着负荷增加,碳烟生成量增大,但是低负荷时碳烟氧化量降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 碳烟的生成和氧化机理
• 1.3 碳烟形成模型简介
• 1.3.1 早期的经验模型
• 1.3.2 碳烟半经验模型
• 1.3.3 碳烟详细模型
• 1.4 碳烟研究发展概况
• 1.4.1 模拟研究概况
• 1.4.2 实验研究概况
• 1.5 本文的研究内容和方法步骤
• 1.5.1 商业软件FLUENT简介
• 1.5.2 本文的研究内容及方法步骤
• 2 柴油机碳烟形成模型
• 2.1 缸内流动过程的数学模型
• 2.1.1 质量、动量守恒方程
• 2.1.2 能量守恒方程
• 2.1.3 连续方程
• 2.1.4 湍流的模拟
• 2.2 辐射模型
• 2.3 化学反应模型
• 2.4 燃油喷射模型
• 2.4.1 雾化模型
• 2.4.2 液滴碰撞模型
• 2.4.3 喷雾雾滴破碎模型
• 2.4.4 动态曳力模型
• 2.5 碳烟形成模型
• 2.5.1 Moss模型
• 2.5.2 Nagle氧化模型
• 2.6 Moss碳烟形成模型与计算流体力学的结合
• 2.7 本章小结
• 3 柴油机碳烟的形成历程模拟
• 3.1 数学模拟计算条件
• 3.1.1 计算条件
• 3.1.2 数值方式的选取和计算区域的网格划分
• 3.1.3 边界条件
• 3.2 柴油机碳烟形成历程模拟结果与分析
• 3.2.1 缸内平均温度、压力及主要生成物的变化历程
• 3.2.2 碳烟数密度及体积分数随曲轴转角的变化曲线
• 3.2.3 结论
• 3.3 误差分析
• 3.4 本章小结
• 4 柴油机碳烟形成过程影响因素分析
• 4.1 计算方案
• 4.2 喷油提前角的影响
• 4.3 转速的影响
• 4.4 进气温度的影响
• 4.5 负荷的影响
• 4.6 结论
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢