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高压直喷双燃料船机燃烧特性的模拟研究
| 论文题名： | 高压直喷双燃料船机燃烧特性的模拟研究 |
| 关键词： | 双燃料船机;燃烧特性;扫气温度;湍流强度;数值模拟 |
| 摘要： | 随着船舶柴油机排放法规的日益严格和石油资源的短缺，柴油引燃天然气发动机以其经济性好、减排效果佳等优点得到人们广泛的重视。其中，高压直喷双燃料船用低速机具有热效率高、排放低以及充气效率高等优点，正逐步成为船舶动力的首选。然而，目前对柴油引燃天然气的燃烧机理研究主要以柴油喷入天然气/空气混合气的模式为主，缺乏对双燃料均直喷模式的研究，由此导致高压直喷双燃料船机中天然气射流火焰内浓预混核心和外扩散火焰的分布特性的研究不够深入，天然气和柴油高、低温反应的变化机理的研究尚不全面。在此背景下，本文首先在CFD数值模拟软件CONVERGE中建立了高压直喷双燃料船机三维数值仿真模型，随后基于此模型开展了不同参数对燃烧特性的数值模拟研究。 本文研究的燃烧特性主要包括天然气射流火焰中浓预混核心和外扩散火焰的分布规律以及高、低温反应的变化机理，首先针对天然气喷射参数对高压直喷双燃料船机燃烧特性进行了研究，结果表明：（1）降低天然气喷射速率使得浓预混核心在更大的当量比区域形成。天然气喷射速率越高火焰前锋处高温反应越强，而降低喷射速率使得低温燃烧比例更大。（2）提前天然气喷射时刻使得燃烧初期缸内高温反应和低温反应均加快，并且自燃与引燃同时发生。天然气喷射时刻越早，引燃油产生的扩散火焰越少，反过来使得燃烧初期缸内高温甲烷数量减少。 本文接下来研究了引燃油喷射参数对燃烧特性的影响，结果表明：（1）降低引燃油量使得火焰发展更慢，但火焰沿涡流方向偏转更大。降低引燃油量使得富燃区存在极弱的低温反应区域，且火焰前锋处高温反应峰值降低。（2）当引燃油喷射时刻推迟较多时，燃烧初期自燃与引燃同时发生。天然气自燃发生于燃料前端区域，随后火焰向喷嘴处高当量比区域发展。天然气自燃时，低温反应首先出现在当量比为1的区域，高温反应首先集中在当量比为0.5的区域。 最后，本文探究了扫气温度和湍流对燃烧特性的影响，结果表明：（1）提高扫气温度可以使得正庚烷的燃烧更加迅速，从而进一步使得甲烷的燃烧反应更快。提高扫气温度使得浓预混核心形成速度更慢，并且扩散火焰与浓预混核心的临界当量比更高。此外，扫气温度越高，缸内火焰发展速度越快，火焰前锋高温反应更强烈。（2）湍流强度降低，浓预混核心的形成时刻越晚，并且低温燃料更多。湍流强度越高，火焰发展的偏转程度越大，高温反应越强且低温产物的温度越高。 综上，本文研究了不同参数对高压直喷双燃料船机燃烧特性的影响，为高压直喷双燃料低速机燃烧过程的优化提供了理论指导。 |
| 作者： | 王作吉 |
| 专业： | 动力工程 |
| 导师： | 周磊 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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