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基于代表性互动小火焰(RIF)模型的内燃机喷雾燃烧大涡模拟研究

刘戈  
【摘要】:内燃机工作过程中缸内始终在进行着强烈瞬变的湍流运动,并伴随着复杂的燃油喷射、油气混合和湍流燃烧现象。大涡模拟(LES)被认为是替代雷诺平均模型(RANS)的新一代内燃机CFD模拟方法。近十年来内燃机的LES研究发展迅速,但主要集中在对进气、燃油喷射等冷态现象的研究,对于内燃机燃烧过程的研究相对较少,其原因在于缺乏适于与LES相匹配的理论完备、精度较高、而又具有较高经济性、工程上可行的湍流燃烧模型。基于代表性互动小火焰(RIF)通过流场与小火焰场相互传递信息(互动)的方式实现化学反应-湍流之间的相互影响,是理论完备的湍流燃烧模型。本文依照在RANS模拟中表现良好的RANS-RIF建模思想,发展出LES-RIF燃烧模型,采用包括污染物排放的较详细化学反应机理和较精细网格,对直喷式内燃机和定容燃烧弹的燃烧过程进行LES模拟,考量模型的合理性和准确性,探讨内燃机缸内油气混合及燃烧过程机理,分析各因素的影响,为内燃机燃烧LES分析提供一种新途径。本文主要完成以下工作: 1.由于国内迄今鲜有关于RIF模型的报道,因此首先依据RIF模型原理,在KIVA-3V2基础之上实现RIF燃烧模型,利用新开发的KIVA-RIF程序和较详细的化学反应机理对一重型内燃机的工作过程进行RANS模拟。通过模拟结果与实验结果的对比得到验证了KIVA-RIF的可靠性和实用性,预测出的着火延迟、缸内压力、放热率、污染物排放量与试验结果吻合良好。模拟结果揭示了燃烧过程中主要组分的生成规律:NOx主要生成在扩散火焰外沿、2200K以上的高温处;碳烟主要生成在扩散火焰内侧、温度较低的(在1600K-2000K之间)的富燃料区,且随着氧气的丰富逐渐被氧化;CO主要出现在扩散燃烧火焰内侧的低温、富燃料区;OH总是出现在化学反应剧烈的高温燃烧区。这些规律与Dec通过实验观察的提出的概念性模型一致,进一步说明了KIVA-RIF程序的合理性、精确性。随着EGR率的增加,着火延迟增加,缸内温度、压力下降,NOx排放降低,碳烟排放增加。随着燃油喷射时刻的提前,着火延迟变长,油气混合更充分,燃烧早期接近于预混燃烧,形成更高的燃烧温度和放热率,提高缸内最高压力,NOx排放增加,碳烟排放降低。随着进气温度的降低,着火延迟变长,燃烧早期瞬间放热率增大,缸内气体获得更大的压升,平均压力提高,但缸内平均温度下降,NOx排放降低,碳烟排放增加。随着进气压力的提高,着火延迟变短,缸内的平均压力提高,平均温度降低,NOx排放降低,碳烟排放增加。 2.依照RANS-RIF模型思想,发展出LES-RIF燃烧模型,并将新模型在KIVALES基础之上实现。利用新生成的KIVALES-RIF程序、加密网格和较详细的化学反应机理对同一内燃机的燃烧过程进行LES模拟。模拟结果表明LES-RIF燃烧模型既可以描述内燃机多尺度、高度瞬变的缸内湍流流动,又可以考虑较复杂的、包括污染物排放的化学反应机理,是特别适用于内燃机燃烧模拟的方法。KIVALES-RIF通过模拟结果与实验结果的对比得到验证,预测出的着火延迟、缸内压力、放热率、污染物排放量与试验结果吻合良好,具有相当的精度,并且可以描述湍流对燃烧过程的影响和污染物在缸内分布等重要现象。 3.将三阶精度的CIP对流格式纳入到在KIVALES-RIF程序中,提高了程序计算模型的数值精度;利用KIVALES-RIF程序、采用精细网格和较详细的化学反应机理对最新的Sandia实验室"Baseline n-heptane"燃油喷射定容燃烧实验进行了较详细的LES模拟。对冷态燃油喷射实验的模拟结果表明:预测与实验的液体贯穿距、蒸汽贯穿距、缸内燃料混合气分布良好符合;利用Q准则等值面形象的展示出自由射流引起的涡的生成、失稳、破碎的湍流级联结构。对5种不同EGR环境下燃油喷射燃烧实验的模拟结果表明:正确预测着火时刻、火焰和碳烟的发展规律和分布位置、浮升火焰长度、碳烟时间平均分布规律。EGR的增加引起着火延迟增加,火焰温度降低,火焰分布更加均匀,浮升火焰距离增加,碳烟和NOx的排放减少。随着燃油喷射速度的增加,改善了缸内油气混合,使缸内贫氧区域变少,加快了碳烟的氧化,抑制了碳烟的形成,但缸内油气的良好混合同时使更多区域实现燃烧,从而增加了缸内NOx的生成。减小油滴初始粒确实可以加速雾化和改善油气混合,但对燃烧的影响有限,对于通过缩小喷孔直径改善油气混合和燃烧的方法中,起决定性作用的在于燃油喷射速度的改变。随着初始背压的增加,着火延迟减少,改变了燃料混合气的缸内贯穿,富燃料区域分布更加集中,高温区域更加集中,增加了缸内碳烟浓度,但对NOx的影响不明显。


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