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        氫氣添加對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的數(shù)值模擬

        2020-06-05 11:06:36劉近平王秀峰
        關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)影響模型

        劉近平,王秀峰

        (安陽(yáng)工學(xué)院,河南安陽(yáng)455000)

        隨著汽車保有量的不斷增加,面對(duì)石油資源短缺和環(huán)境污染加劇的雙重壓力,尋求新的可替代清潔燃料迫在眉睫。氫氣作為一種清潔的可再生能源,本身燃燒不產(chǎn)生污染物,直接作為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料或者添加劑加入到目前的發(fā)動(dòng)機(jī)中比較容易實(shí)現(xiàn),因此國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)其在發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒特性進(jìn)行了研究[1-3]。

        Madhujit Deb團(tuán)隊(duì)[4]利用臺(tái)架試驗(yàn),深入研究了柴油與氫氣混合對(duì)柴油機(jī)燃燒及排放過(guò)程的影響,氫氣和空氣在進(jìn)氣歧管處混合,柴油則采用缸內(nèi)直噴技術(shù),試驗(yàn)結(jié)果顯示:氫氣添加使得發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率明顯上升,缸內(nèi)壓力的峰值和放熱率急劇增加,隨著氫氣含量的增加,碳氧化物和微粒的排放有所降低、氮氧化物排放有所增加。Y Karag?z[5]更進(jìn)一步研究了不同負(fù)荷下添加氫氣對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響,試驗(yàn)結(jié)果顯示,發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷時(shí),氫氣添加后氮氧化合物和微粒的排放會(huì)基本保持不變,而發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷的時(shí)候,氮氧化合物的排放由于氫氣的添加而變得急劇升高。為了進(jìn)一步考察氫氣添加后對(duì)燃燒過(guò)程中主要中間產(chǎn)物的影響,羅旻燁[6]基于層流預(yù)混火焰研究了不同的氫氣添加量對(duì)異辛烷燃燒產(chǎn)物和中間組分的影響,結(jié)果表明隨著氫氣的增加,氫氣的熱作用和稀釋作用使得CO和CO2的摩爾分?jǐn)?shù)下降,特別是得出了H、O和OH自由基的濃度隨著氫氣添加量的增加而減少的結(jié)論,對(duì)氫氣影響燃燒過(guò)程的影響更推進(jìn)了一步。由于柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒過(guò)程非常復(fù)雜,柴油機(jī)中添加氫氣后對(duì)缸內(nèi)當(dāng)量比的分布和燃燒放熱過(guò)程的影響認(rèn)識(shí)仍不充分,本文采用三維數(shù)值計(jì)算的方法,研究氫氣添加對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程和排放特性的影響。

        1 計(jì)算模型

        燃油的霧化蒸發(fā)過(guò)程直接影響燃燒、放熱以及污染物的排放,AVL_Fire軟件提供了豐富的模型選擇,以滿足不同情況燃油噴射的需求。

        1.1 噴霧模型

        目前比較常用的計(jì)算噴霧模型主要是離散液滴模型和連續(xù)液滴模型,這兩種噴霧模型都是基于噴霧具有氣液兩相結(jié)構(gòu)而建立的,用以模擬汽缸內(nèi)混合氣氣體和液體交界面上相互之間的影響。本文計(jì)算中選取的破碎模型為TAB破碎模型[7],該模型計(jì)算液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到空氣阻力時(shí)發(fā)生變形。

        y為計(jì)算時(shí)液滴最大直徑,x為液滴離開(kāi)平衡位置的位移,C為液滴變形判斷常數(shù),r0為未破碎時(shí)液滴的直徑,球形液滴控制方程為

        其中,U為液滴運(yùn)行的速度;μl是液滴的黏度;ρg和ρl分別是氣相和液相的密度。在計(jì)算過(guò)程中,只有當(dāng)y>1時(shí),液滴發(fā)生破碎,碰壁模型選擇的是O’Rourke和Amsden模型。

        1.2 蒸發(fā)模型

        本文液滴的蒸發(fā)過(guò)程采用Frossling Correla?tion模型,該模型計(jì)算液滴半徑隨時(shí)間的變化率,公式如下[7]:

        上式中,r0是液滴的半徑,ρl為液滴的密度,D為液滴蒸發(fā)到環(huán)境氣體的質(zhì)量擴(kuò)散,Bd為蒸汽擴(kuò)散系數(shù),SHd為Sherwood數(shù)。

        2 計(jì)算結(jié)果與分析

        計(jì)算所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室為ω型,壓縮比為15:1,將 AVL-Fire 軟件的2D Sketcher模塊繪制的柴油機(jī)燃燒室剖面圖(圖1)導(dǎo)入CFD Workflow Manager模塊,生成燃燒室的面網(wǎng)格,如圖2所示。

        圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)圖

        圖2 不同曲軸轉(zhuǎn)角下的二維網(wǎng)格

        計(jì)算時(shí)所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)模型參數(shù)如表1所示。

        表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

        計(jì)算過(guò)程中,設(shè)置循環(huán)噴油量是40mg,EGR率為0,殘余廢氣率是0.478,計(jì)算過(guò)程是從曲軸轉(zhuǎn)角195°CA 到 400°CA。NOx排放選取 Extended Zel?dovic模型,氫氣添加的比例分別為0%、3%和6%。

        2.1 不同比例的氫氣添加對(duì)燃燒過(guò)程的影響

        圖3是不同比例的氫氣添加下缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律。從圖中可以看出,在缸內(nèi)燃燒過(guò)程發(fā)生后,添加氫氣對(duì)溫度的升高有較大的影響:氫氣添加量為0%時(shí)缸內(nèi)最高溫度為1317 K,當(dāng)氫氣添加量為3%時(shí)最高溫度為1500K,當(dāng)氫氣添加量為6%時(shí)最高溫度達(dá)到了1740K。隨著氫氣添加量的逐漸增加,缸內(nèi)的溫度逐漸升高,同時(shí)缸內(nèi)燃燒的著火點(diǎn)略有提前。這是因?yàn)檫M(jìn)氣過(guò)程中添加了氫氣以后,混合氣中的燃料含量有所增加,當(dāng)量比加大,柴油噴入到缸內(nèi)后開(kāi)始霧化蒸發(fā),氫氣含量較大的情況下由于當(dāng)量比大更容易提前著火,同時(shí)氫氣的著火速度與柴油相比更快,因此缸內(nèi)燃燒的著火始點(diǎn)略有提前。圖4為不同氫氣添加量下缸內(nèi)溫度變化的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出,在355°CA之前氫氣添加對(duì)溫度沒(méi)有影響,說(shuō)明在壓縮過(guò)程中氫氣并沒(méi)有發(fā)生相應(yīng)的氧化反應(yīng);隨著燃燒過(guò)程的推進(jìn),氫氣含量較多的區(qū)域更容易著火,例如在375°CA時(shí)刻,6%的氫氣添加量下與0%的氫氣添加量相比,高溫區(qū)域明顯擴(kuò)大,同時(shí)缸內(nèi)最高溫度也相有所升高。

        圖3 不同比例的氫氣添加對(duì)缸內(nèi)溫度的影響

        2.2 不同比例的氫氣添加對(duì)NO的影響

        圖5反映了不同比例的氫氣添加對(duì)NO生成的影響。從圖中可以看出,當(dāng)氫氣添加量為0%時(shí)NO的排放最高,當(dāng)氫氣添加量為3%時(shí)NO的生成最低,當(dāng)氫氣添加量為6%時(shí)NO的生成居中。NO的生成與缸內(nèi)溫度和氧氣分子的含量有關(guān),當(dāng)氫氣添加量為0%時(shí),氧氣分子含量較高,更有利于NOx的生成,但是此時(shí)缸內(nèi)溫度最低,NO不容易進(jìn)一步氧化成其他的氮氧化物,因此NO濃度最高。當(dāng)添加量為3%時(shí),缸內(nèi)氧氣含量并不高,同時(shí)溫度也不太高,在此環(huán)境下NOx不容易生成,因此NO的濃度最低。隨著添加量的進(jìn)一步加大,當(dāng)添加量達(dá)到6%時(shí),雖然氧氣分子的含量有所降低,但是缸內(nèi)的燃燒溫度有了大幅度的提升,加劇了氮?dú)夂脱鯕獾姆磻?yīng),缸內(nèi)的NO含量也有一定程度的提升。圖6為NO在不同氫氣添加量下的缸內(nèi)分布圖。從圖中可以清晰地看出,在氫氣為0%添加量時(shí),NO的缸內(nèi)分布區(qū)域較最大,3%氫氣添加量時(shí)NO的空間分布區(qū)域最小,這和上面的分析是一致的。

        圖4 不同比例的氫氣添加量下缸內(nèi)溫度分布

        圖5 不同比例的氫氣添加對(duì)NO生成的影響

        2.3 不同比例氫氣添加對(duì)碳煙生成的影響

        圖7是不同比例氫氣添加對(duì)碳煙生成的影響。當(dāng)氫氣添加量為0%時(shí),缸內(nèi)碳煙生成量最多;當(dāng)氫氣添加量為3%時(shí),缸內(nèi)碳煙的生成量最低,當(dāng)氫氣添加量為6%時(shí)碳煙生成相對(duì)于3%時(shí)有所升高;碳煙的生成主要集中在365°CA和380°CA之間。主要原因如下:當(dāng)氫氣添加量為0%時(shí),此時(shí)缸內(nèi)的溫度較低但是能夠滿足碳煙的生成條件,缸內(nèi)有大量的碳煙生成;隨著氫氣添加量的增加,缸內(nèi)溫度升高,部分碳煙被氧化,缸內(nèi)碳煙生成量有明顯的下降;當(dāng)氫氣添加量達(dá)到6%時(shí),缸內(nèi)溫度最高,但氧氣分子的含量最低,已生成的碳煙所進(jìn)行的氧化反應(yīng)速度減慢,因此與3%氫氣添加量相比,碳煙的含量會(huì)有所提升,但是與純柴油相比仍是降低的。圖8為碳煙在不同氫氣添加量下的缸內(nèi)分布圖。從圖中可以看出,碳煙的生成持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短,在燃燒剛開(kāi)始的階段有大量的碳煙產(chǎn)生,對(duì)比圖4可以看出,碳煙剛開(kāi)始生成量最多的區(qū)域是溫度略高的區(qū)域,隨著反應(yīng)的進(jìn)一步加劇,缸內(nèi)溫度急速升高,碳煙顆粒物被氧化,生成量會(huì)加速減少。從生成總量上來(lái)看,氫氣的添加對(duì)碳煙排放物的影響并不是特別明顯。

        圖6 不同比例的氫氣添加量下NO生成分布

        圖7 不同比例的氫氣添加對(duì)碳煙生成的影響

        2.4 不同氫氣添加量的氣體速度場(chǎng)

        缸內(nèi)燃燒過(guò)程與噴霧過(guò)程以及氣體流動(dòng)密切相關(guān),圖9為缸內(nèi)氣體速度場(chǎng)。從圖中可以看出,氫氣添加后對(duì)缸內(nèi)氣體的流速影響不大,這主要是因?yàn)闅錃庠谶M(jìn)氣歧管中進(jìn)行噴射,缸內(nèi)燃油噴射對(duì)不同比例氫氣添加下氣流運(yùn)動(dòng)的變化影響基本一致,因此不同比例的氫氣添加對(duì)缸內(nèi)氣體流速的影響較小。

        3 結(jié)論

        本文基于發(fā)動(dòng)機(jī)三維仿真軟件AVL_Fire軟件,研究了不同比例的氫氣添加對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程和主要污染物的影響,得出的結(jié)論如下:

        ①隨著氫氣添加量的增加,缸內(nèi)的平均溫度有較大幅度的升高,同時(shí)缸內(nèi)的著火始點(diǎn)略有提前;氫氣添加后,改變了缸內(nèi)混合氣的當(dāng)量比,對(duì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生了一定的影響;

        ②隨著氫氣添加量的增加,缸內(nèi)NO的生成呈現(xiàn)出先降低再升高的趨勢(shì),在氫氣添加比例為3%時(shí)最低;NO的生成除了受控于溫度之外,還有氧氣濃度聯(lián)系較為緊密;

        圖8 不同比例的氫氣添加量下缸內(nèi)碳煙分布圖

        圖9 不同比例的氫氣添加量下氣體速度場(chǎng)

        ③缸內(nèi)碳煙的生成在某一氫氣添加量下最低,這主要是因?yàn)樵谳^高的溫度和較高的氧濃度下,碳煙容易發(fā)生氧化反應(yīng);同時(shí),氫氣添加對(duì)碳煙生成量的影響不是特別明顯。

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