HSDI柴油机雾化与排放特性瞬态多维建模和数值研究

第1章绪论

1．1课题的背景与意义

1．1．1HSDI柴油机雾化特性的研究意义

1．1．2HSDI柴油机排放特性的研究意义

1．1．3HSDI柴油机工作过程多维模型研究意义

1．2HSDI柴油机雾化特性的研究概况

1．2．1高压涡流喷油器内部流动

1．2．2射流的流体动力学行为

1．2．3射流蒸发过程

1．2．4射流碰壁过程

1．3HSDI柴油机排放特性的研究进展

1．3．1喷射策略与NOx和微粒排放

1．3．2EGR和增压与NOx和微粒排放

1．3．3同时减少NOx和微粒

1．4HSDI柴油机工作过程多维模型现状

1．4．1复杂空间三维动态网格生成技术

1．4．2缸内流体动力学研究的多维模型

1．4．3基于CFD的缸内雾化特性的多维模型

1．4．4基于CFD的燃烧和排放特性的多维模型

1．5课题来源与选题目的

1．6本课题拟解决的关键问题

1．7本课题的主要工作

第2章HSDI柴油机缸内复杂空间动态网格算法研究

2．1本章引言

2．2数值算法

2．2．1算法基础

2．2．2缸内动态网格算法

2．2．3气缸截面网格算法

2．2．4斜置气门顶面和底面运动区升程方向网格算法

2．2．5节点漂移算法

2．3结果与讨论

2．4本章小结

第3章基于多维模型的HSDI柴油机雾化研究

3．1本章引言

3．2雾化模型与公式

3．2．1燃油在喷嘴孔内的流动模型

3．2．2KH模型

3．2．3Taylor类比破碎模型

3．2．4油滴蒸发模型

3．2．5射流碰壁模型

3．3数值计算

3．4结果与讨论

3．4．1物理参数对于未燃油质量的影响

3．4．2空燃比对于混和气分布的影响

3．4．3转速对于混和气分布的影响

3．4．4进气温度对于混和气分布的影响

3．5本章小结

第4章HSDI柴油机缸内行为瞬态多维建模与验证

4．1本章引言

4．2多维模型与算法

4．2．1多维模型体系结构

4．2．2模型与公式

4．2．3数值算法

4．3实验与仿真

4．3．1实验设置

4．3．2实验方案

4．3．3仿真方案

4．4结果与讨论

4．5本章小结

第5章基于多维模型的HSDI柴油机排放研究

5．1本章引言

5．2排放模型与公式

5．2．1Surovikin碳烟生成模型

5．2．2Nagle碳烟氧化模型

5．2．3Zeldovich氮氧化物生成模型

5．3数值计算

5．4结果与讨论

5．4．1空燃比对NOx和S00T生成和氧化的影响

5．4．2转速对NOx和SOOT生成和氧化的影响

5．4．3进气温度对NOx和SOOT生成和氧化的影响

5．5本章小结

第6章柴油机多维模型CAE／CAD集成化技术研究

6．1本章引言

6．2数值算法

6．2．1正轴测图的投影变换矩阵

6．2．2正轴测图的消影算法

6．2．3缸内性能等值线算法

6．2．4基于CAE／CAD集成的数据提取与传递方法

6．3结果与讨论

6．3．1无限图形文件与有限图形文件生成

6．3．2ICFDCN后处理可视化模块的程序结构

6．3．3HSDI柴油机缸内性能等值线图和网格消影图

6．4本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A公开发表的相关学术论文目录

附录B内燃机缸内行为仿真平台(ICFDCN)可视化模块代码

　　《HSDI柴油机雾化与排放特性瞬态多维建模和数值研究》书旨在研制用于内燃机设计和研究的计算机仿真优化工具，探索内燃机节能和降低有害排放的理论和方法。本书对于网格算法、多维建模、CAE／CAD集成化、燃油雾化以及排放等5方面的研究进行详细的描述。本书适合从事相关研究工作的人员参考阅读。　　本书旨在研制用于内燃机设计和研究的计算机仿真优化工具，探索内燃机节能和降低有害排放的理论和方法。本书对于网格算法、多维建模、CAE／CAD集成化、燃油雾化以及排放等5方面的研究进行详细的描述。　　第一，提出了内燃机缸内复杂空间动态网格的生成算法，研制了用于多维模型的前处理器。提出将缸内网格划分成动态区和静态区，分别进行网格计算的方案；对动态区的网格提出运动方向的网格增减方法；对于垂直气门，采用气缸截面网格的插入方法；对于斜置气门，采取动态网格的漂移计算等方法。　　第二，改进内燃机KIVA仿真软件代码，进一步耦合柴油机缸内多种物理和化学子模型，构建内燃机工作过程分析的多维模型。提出双精度算法，创建基于PC计算机硬件的柴油机缸内工作过程多维模型分析仿真平台ICFDCN。实验表明：多维模型能够模拟缸内压力、缸内放热率和燃油消耗率，其变化趋势与实验吻合较好，数值误差小。在模拟缸内NOx和SOOT排放时，其变化趋势与实验吻合较好。　　第三，通过采用缸内性能等值线和深度缓存消影算法，提出基于内容、时间和空间3因素的多维模型计算结果提取和传递方法，提出CAE／CAD集成化数据传递的重要图形文件的设计方法，原创多维模型后处理可视化模块代码，设计图形文件无限和有限命名方法，研制了内燃机多维模型仿真可视化系统，实现了HSDI柴油机工作过程多维模型分析CAE／CAD集成化。　　此外，提出了采用多维模型工具研究柴油机雾化和排放的方法。分析IISDI柴油机的雾化特性，获得了1137型柴油机燃烧时喷射燃油不同状态的时空分布规律，建立了1137型柴油机雾化特性与燃烧、排放以及柴油机经济性和动力性的联系。最后，获得了1137型柴油机NOx和SOOT排放特性，给出了1137型柴油机NOx和SOOT排放随时间和空间的变化规律、SOOT的生成和氧化历程，获得了大量设计参数对于NOx和SOOT排放特性的影响规律。　　总之，本书的网格算法研究结果解决了CAE分析中关键的网格计算和耦合问题，在内燃机CAE分析和其他的数值计算应用领域都具有重要参考价值。多维建模研究结果对于内燃机设计和研究手段的现代化，对于我国节能和环保事业都是重要的科学支持。此外，对于计算机仿真、数值分析和计算流体动力学等学科走向应用也具有一定的推动作用。CAE／CAD集成化研究结果不仅是HSDI柴油机的CAE分析的重要技术支持，而且对于其他内燃机和其他工程领域的CAE技术、计算机应用的发展具有参考价值。　　燃油雾化和排放研究结果不仅为提高柴油机燃油经济性和满足排放法规要求提供了策略和研究方法，而且还对于其他排放物、其他燃料内燃机的雾化和排放研究同样具有重要作用。尤其是在特殊工况下的雾化和排放研究更能体现其价值，运用它会大大地减少试验设备投资，节约试验成本。【作者简介】　　刘金武，1963年生，男，工学博士，原湖南工程学院教授，现为厦门理工学院教授，国家自然科学基金通讯评委，湖南省自然科学基金评委，湖南省内燃机学会理事，湖南省党外知识分子代表人物，湖南省知识分子联谊会理事，湖南省无党派代表人士。1984年以来，先后从事船舶工程、机械工程和动力工程学科的高等教育和科学研究工作。研究方向是内燃机工作过程多维模型建模和仿真。发表相关学术论文60余篇，其中，E1、SCI和ISTP三大检索系统收录13篇，主持和参与国家、省级课题20余项，获国家专利2项。主要课题有：主持车用发动机虚拟实验平台研制(湖南大学国家“985”二期工程子项目)，主持内燃机燃烧污染物形成历程数字化解析方法研究(湖南省自然科学基金项目07JJ6077)，主持内燃机燃烧过程计算机仿真平台的二次开发(湖南省教育厅科研项目03c131)，主持KIVA计算结果的可视化技术研究(湖南工程学院科研项200201)，参与湖南省自然科学基金项目(02jjy4034)“基于敏捷制造的数据传递技术研究”，参与湖南省自然科学基金项目(06JJ20018)“车用微粒捕集器复合再生过程气粒两相流动及燃烧数值模拟”等。