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基于數(shù)值仿真分析的高強化柴油機燃燒室參數(shù)化設(shè)計

2018-12-03 23:37:10·  來源：文明 工作過程研究室  
　
摘要：基于三維數(shù)值模擬的方法，研究了型燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對高強化柴油機缸內(nèi)燃燒過程的影響規(guī)律，通過對燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)中的口徑比、出口角度、凹坑半徑、凸臺高度
摘要： 基于三維數(shù)值模擬的方法，研究了ω型燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對高強化柴油機缸內(nèi)燃燒過程的影響規(guī)律，通過對燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)中的口徑比、出口角度、凹坑半徑、凸臺高度、凸臺半徑對缸內(nèi)燃燒過程的規(guī)律研究，得出結(jié)論： 1 ）指示功率隨著口徑的增加，先增加后減小，即存在一個最優(yōu)的口徑比使得指示功率最高，燃燒過程最優(yōu)。 2 ）指示功率隨著出口角度的增加，先增加后減小，即存在一個最優(yōu)的出口角度使得功率最高，燃燒過程最優(yōu)。 3 ）指示功率隨著凹坑半徑的增加幾乎線性減小。 4 ）凸臺高度和凸臺半徑對指示功率和燃燒過程的影響較小。

0. 引言
高強化柴油機是目前柴油機發(fā)展的主要趨勢。該類型柴油機具有功率密度高，體積功率大等特點。燃燒系統(tǒng)是高強化系數(shù)柴油機的關(guān)鍵，而燃燒室是燃燒系統(tǒng)的核心，目前高強化柴油機燃燒室對燃燒過程的影響規(guī)律研究比較缺乏。
本文研究的高強化柴油機采用ω型燃燒室，由于燃燒室的具體結(jié)構(gòu)形狀不同，使得燃燒室內(nèi)氣流特性的差別很大，這直接影響著噴霧與燃燒室內(nèi)氣流特性的匹配和混合情況。因此，研究燃燒室結(jié)構(gòu)對燃燒過程的影響顯得非常重要。ω型燃燒室設(shè)計5個獨立設(shè)計參數(shù)，每個設(shè)計參數(shù)間往往存在著耦合關(guān)系，這種耦合關(guān)系非常復(fù)雜，本文通過對這5個獨立設(shè)計參數(shù)的研究，找到其對燃燒過程的影響規(guī)律。

1. 仿真方案設(shè)計
1.1 研究對象及計算模型
研究對象為某高速柴油機，壓縮比13，噴孔數(shù)10，孔徑0.24mm，燃燒室計算網(wǎng)格如圖1所示。
利用AVL公司的CFD模擬軟件FIRE進行仿真計算，燃燒模型選用EBU燃燒模型，噴霧模型選用WAVE模型，燃油蒸發(fā)模型采用Dukowicz模型，液滴碰壁模型為Walljet模型。
圖1  燃燒室仿真網(wǎng)格
1.2 計算模型標定
缸內(nèi)壓力曲線仿真標定見圖2。從圖2可以看出仿真結(jié)果和實驗得到的缸內(nèi)壓力曲線走勢相同，兩條曲線基本吻合。且計算值與試驗值之間最大誤差不超過3%，這進一步驗證了所建立仿真模型的準確性。
圖2  缸內(nèi)壓力曲線仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比
1.3 燃燒室的變參數(shù)設(shè)計
傳統(tǒng)ω形燃燒室的形狀由五個獨立變量唯一決定，這五個變量分別為：喉口直徑d，出口角度∠2，凹坑半徑R2，凸臺高度h和凸臺半徑R1。分別選取這五個獨立變量作為下一步參數(shù)化設(shè)計的基礎(chǔ)，燃燒室各主要參數(shù)見表1。
表1 ω形燃燒室參數(shù)列表
d（mm）
喉口直徑
R2（mm）
凹坑半徑
∠2（°）
出口角度
R1（mm）
凸臺半徑
∠1（°）
凸臺傾角
h（mm）
凸臺高度
H（mm）
燃燒室最大深度

ω型燃燒室主要利用進氣渦流和壓縮擠流來促進混合氣形成和燃燒過程的進行。根據(jù)出口形式可將ω形燃燒室分成擴口燃燒室（出口角度>90º）、直口燃燒室（出口角度=90º）及縮口燃燒室（出口角度<90º）。本文針對三種燃燒室分別研究不同口徑比、出口角度、凹坑半徑、凸臺高度、凸臺半徑下對燃燒過程的影響規(guī)律。燃燒室參數(shù)如表2所示，燃燒室網(wǎng)格如圖3所示。
1.3.1燃燒室口徑的變化
保持燃燒室體積固定、喉口直徑變化，凸臺半徑和燃燒室深度隨之變化?？趶奖鹊淖兓妶D4。
圖4 ω形燃燒室口徑變化
     保持燃燒室體積固定，出口角度變化，凸臺半徑和燃燒室深度 H 隨之變化。出口角度的變化系列見圖 5 。
1.3.2 燃燒室出口角度的變化
圖5ω形燃燒室出口角度變化
1.3.3凹坑半徑的變化
保持燃燒室體積固定，凹坑半徑變化，凸臺半徑和燃燒室深度H隨之變化。凹坑半徑的變化系列見圖6。
圖6ω形燃燒室凹坑半徑變化
1.3.4凸臺高度的變化
保持燃燒室體積固定，凸臺高度變化，凸臺半徑和燃燒室最大深度隨之變化。凸臺高度的變化系列見圖7。
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