本文關(guān)鍵詞：天然氣轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)和燃燒過程的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究

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【摘要】：在環(huán)境污染與能源危機(jī)日益嚴(yán)峻的今天,人們迫切需要更加清潔和高效的新型能源系統(tǒng)。天然氣作為一種儲(chǔ)量豐富、清潔、高效的新型燃料,被各國廣泛應(yīng)用于各種動(dòng)力系統(tǒng)中。其中,端面進(jìn)氣天然氣轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)不但具有質(zhì)量輕、體積小、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小和低速性能好等優(yōu)點(diǎn),而且還利用了天然氣優(yōu)異的燃料特性,在電動(dòng)汽車增程器等系統(tǒng)中相比往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)更具優(yōu)勢(shì)。但是,轉(zhuǎn)于發(fā)動(dòng)機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式與往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)不同,導(dǎo)致缸內(nèi)的混合氣運(yùn)動(dòng)和燃燒過程也不同,其狹長的燃燒室會(huì)導(dǎo)致火焰在傳播過程中容易出現(xiàn)淬熄而殘留大量的未燃烴。當(dāng)燃用天然氣時(shí),天然氣較慢的燃燒速度會(huì)進(jìn)一步加劇這一問題,而目前關(guān)于天然氣轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的基礎(chǔ)研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。因此,進(jìn)行端面進(jìn)氣天然氣轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)和燃燒過程的基礎(chǔ)研究,優(yōu)化天然氣轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù),有著重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。本文首先分析了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展背景和動(dòng)態(tài),在深入探討天然氣轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上,搭建了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái),測(cè)試和分析了低轉(zhuǎn)速工況下缸內(nèi)中心截面上的二維流場(chǎng)的基本變化規(guī)律。同時(shí),在FLUENT軟件的基礎(chǔ)上通過編程實(shí)現(xiàn)了動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng),并添加相應(yīng)的湍流模型、燃燒模型、點(diǎn)火模型以及簡(jiǎn)化的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證,得到了基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的天然氣轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程動(dòng)態(tài)計(jì)算模型,并計(jì)算得到了實(shí)驗(yàn)不易獲得的常用轉(zhuǎn)速工況下缸內(nèi)三維流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及部分中間產(chǎn)物的濃度場(chǎng)的變化規(guī)律。并在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)的研究了運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及摻氫措施對(duì)天然氣轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)、燃燒和排放的影響。研究過程中取得的具有學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值的研究成果如下：(1)完成了光學(xué)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的搭建。對(duì)采用端面進(jìn)氣的Z160F轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了光學(xué)化改裝,并通過加裝倒拖電機(jī)、能控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻器、粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)(PIV)的相關(guān)設(shè)備、軸編碼器和煙霧發(fā)生器等部件,搭建了用于測(cè)試轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)中心截面二維流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。(2)進(jìn)行了低轉(zhuǎn)速工況下缸內(nèi)中心截面二維流場(chǎng)的定量測(cè)試,并分析得出中心截面二維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律。采用PIV系統(tǒng),以煙霧發(fā)生器產(chǎn)生的液滴為示蹤粒子,成功拍攝出缸內(nèi)流場(chǎng)。通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)測(cè)試區(qū)域內(nèi)的氣流有沿逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),且在特定的曲軸轉(zhuǎn)角處存在逆時(shí)針渦流結(jié)構(gòu)。另外,進(jìn)氣階段的速度到壓縮階段的速度是依次遞減的。其原因是進(jìn)氣階段時(shí),高速進(jìn)氣氣流進(jìn)入氣缸,導(dǎo)致缸內(nèi)氣流速度很大。到了壓縮階段,進(jìn)氣氣流已經(jīng)消失,缸內(nèi)流場(chǎng)主要靠轉(zhuǎn)子推動(dòng),缸內(nèi)氣流速度要小很多。(3)構(gòu)建了缸內(nèi)流動(dòng)和燃燒計(jì)算模型,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在FLUENT軟件的基礎(chǔ)上,通過編程實(shí)現(xiàn)了三維網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng),并添加了合適的湍流模型、燃燒模型以及簡(jiǎn)化的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,建立了基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的端面進(jìn)氣天然氣轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬模型。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,驗(yàn)證了模型的可靠性。(4)通過數(shù)值模擬,計(jì)算出了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速工況下的缸內(nèi)三維流場(chǎng)的演變規(guī)律。高速進(jìn)氣氣流進(jìn)入汽缸后與下端蓋撞擊,在燃燒室前部和后部產(chǎn)生渦團(tuán),其半徑隨著轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)不斷變化。到了壓縮階段,由于燃燒室容積的減小,渦團(tuán)最終會(huì)在上止點(diǎn)前完全破碎成單向流。分析計(jì)算結(jié)果還發(fā)現(xiàn),燃燒室后部的氣流繞過進(jìn)氣口流向前部時(shí)會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)向形成新的渦流,該渦流即為PIV實(shí)驗(yàn)中拍攝到的中心截面上的渦流。(5)通過數(shù)值模擬分別研究轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣角度對(duì)流場(chǎng)、充氣系數(shù)和湍動(dòng)能的影響。隨著轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣角度的增加,在進(jìn)氣階段缸內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)形式從渦流為主向滾流為主轉(zhuǎn)變。發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)隨著進(jìn)氣壓力的增加而增加,隨著轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣角度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的湍動(dòng)能也隨著轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力的增加而不斷增加。計(jì)算條件下,當(dāng)進(jìn)氣角度為15°時(shí),缸內(nèi)湍動(dòng)能達(dá)到最大值。(6)通過耦合簡(jiǎn)化的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理計(jì)算出缸內(nèi)著火和燃燒過程,并分析得到了火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律。點(diǎn)火時(shí),由于前火花塞附近處在均勻的單向流區(qū)域,而后火花塞處在上端面附近的單向流區(qū)到下端面附近的滾流區(qū)的過渡區(qū)域,導(dǎo)致燃燒階段前火花塞附近的火焰面對(duì)稱發(fā)展而后火花塞附近出現(xiàn)了偏向下端面發(fā)展的火焰。燃燒過程的主要中間組分CH2O、OH、CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均是先升高后降低,它們的峰值都在上止點(diǎn)后,而NO的生成速度明顯低于甲烷燃燒的速度。(7)通過數(shù)值模擬研究了多種結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)如點(diǎn)火位置、點(diǎn)火提前角、凹坑位置、凹坑形狀以及引火槽的設(shè)計(jì)對(duì)燃燒過程的影響。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的后火花塞位于滾流區(qū)的后部時(shí)燃燒速率最大,這是由于充分利用了滾流對(duì)火焰的加速作用,且燃燒室后部的混合氣可以及時(shí)燃燒。隨著點(diǎn)火提前角的提前,燃燒速率不斷提高,這是由于在滾流破碎時(shí)刻一定的情況下,火焰?zhèn)鞑ヌ崆澳芨玫睦酶變?nèi)滾流運(yùn)動(dòng)對(duì)火焰?zhèn)鞑サ募铀僮饔�。就燃燒室凹坑位置而�?當(dāng)燃燒室凹坑位于轉(zhuǎn)子曲面長度方向的前端和轉(zhuǎn)子曲面寬度方向的中心時(shí),燃燒過程利用了燃燒室中部高速斜向流區(qū)對(duì)火焰的加速作用,缸內(nèi)整體燃燒速率得到提高。就燃燒室凹坑形狀和引火槽而言,在中凹凹坑燃燒室上開設(shè)中置引火槽時(shí),可進(jìn)一步的增加燃燒室中部的高速斜向流區(qū)的面積,使得缸內(nèi)的整體燃燒速率進(jìn)一步增加。同時(shí)由于燃燒效率高,缸內(nèi)平均溫度也較高,NO生成量也增多。(8)摻混氫氣可以顯著提高天然氣轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率。對(duì)比其它的氫氣噴射方式,采用缸內(nèi)低壓早期噴射方式時(shí)缸內(nèi)的燃燒速率最大。這主要是因?yàn)辄c(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)氫氣分布較為均勻并且后火花塞的前部存在一個(gè)氫氣的高濃度區(qū),這種氫氣濃度分布使得火焰在傳播過程中更充分利用了高濃度氫氣對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊募铀僮饔?缸內(nèi)整體燃燒速率最大。本文為端面進(jìn)氣天然氣轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研究提供了實(shí)驗(yàn)和模擬基礎(chǔ),并為其燃燒效率的提高提供了理論指導(dǎo)。同時(shí),論文中提出的研究方法和得出的結(jié)論對(duì)于其它燃料轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)也有一定的參考價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK401

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1 鄭世新,梁健光;我國轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策[J];動(dòng)力工程;1993年02期

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5 裴海靈;周乃君;高宏亮;;轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)展概況[J];內(nèi)燃機(jī);2007年02期

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7 黃志光;轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的材料選擇[J];華工科技;1973年S1期

8 ;國外已投產(chǎn)的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)表[J];小型內(nèi)燃機(jī);1973年02期

9 ;新式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)[J];國外汽車;1973年02期

10 ;轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)用碳刮片研制情況介紹[J];電碳技術(shù);1974年02期

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1 鐘顯鈞;楊貴銘;;轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的探索研究[A];中國航空學(xué)會(huì)第七屆動(dòng)力年會(huì)論文摘要集[C];2010年

2 吳進(jìn)軍;王西峰;梁健光;楊道蔭;;多種燃料轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及其發(fā)展[A];中國動(dòng)力工程學(xué)會(huì)成立四十周年文集[C];2002年

3 陳瑞;潘劍鋒;范寶偉;鄔迪;;LPG轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的數(shù)值模擬[A];高等學(xué)校工程熱物理第十九屆全國學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2013年

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中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 欄目主持 清冰;轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)[N];當(dāng)代汽車報(bào);2005年

2 黃愛群;準(zhǔn)渦輪連續(xù)燃燒式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在美露面[N];中國汽車報(bào);2000年

3 吳明;進(jìn)口汽車新技術(shù)[N];中國國門時(shí)報(bào);2006年

4 陳啟明;突破傳統(tǒng)技術(shù) 打造全新動(dòng)力[N];中國信息報(bào);2009年

5 本報(bào)實(shí)習(xí)記者 王曉坤;汽車的心臟發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展軌跡[N];北京科技報(bào);2004年

6 ;影響未來汽車的十項(xiàng)高新技術(shù)[N];中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào);2005年

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1 范寶偉;天然氣轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)和燃燒過程的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[D];江蘇大學(xué);2015年

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1 于雷;微型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

2 甘霖;微型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究[D];浙江大學(xué);2004年

3 楊瑩;三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)零件的數(shù)學(xué)模型研究[D];浙江大學(xué);2009年

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