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高压天然气射流混合与燃烧过程现象学建模研究
| 论文题名： | 高压天然气射流混合与燃烧过程现象学建模研究 |
| 关键词： | 双燃料低速船机;高压天然气射流;柴油喷雾;燃烧过程;现象学模型 |
| 摘要： | 自20世纪起，过量的温室气体及有害污染物排放对地球环境和人类健康造成了损害。严格的环境保护法规以及石油类燃料的储/产能短缺导致世界各国寻找清洁能源。天然气因其热值较高且低排放的特性，已成为远洋船舶主机用燃料的新研究热点。与低压喷射式天然气/柴油双燃料低速船机相比，高压直喷式天然气/柴油双燃料低速船机采用微量柴油引燃高压直喷天然气的着火方式实现扩散燃烧，具有输出功率高、能量转换效率高等优点，同时存在氮氧化物排放量较高等缺点。开发高精度现象学预测模型快速研究燃油喷射和环境条件等参数对高压直喷式天然气/柴油双燃料低速船机的缸内混合、燃烧以及发动机输出性能的影响规律并探究优化技术路径具有重要意义。 本文针对二冲程双燃料发动机的缸内工作过程进行研究，首先基于质量守恒、动量定理和燃油喷雾理论，分别对高压天然气射流和引燃柴油喷雾与空气的混合过程进行现象学模型构建，利用定容燃烧弹等基础实验和3D-CFD仿真结果对模型中贯穿距、射流锥角以及甲烷密度分布的预测准确度进行了验证。其次，基于能量守恒定律耦合现象学燃烧模型和Woschni传热模型，构建基于快速压缩膨胀机的工作模型，利用实验和3D-CFD仿真结果对放热率和缸内平均温度的预测准确度进行了验证。 利用经过验证的准维预测模型分析了不同边界条件和喷射策略对混合与燃烧过程的影响，包含以不同喷射和环境压力作为边界条件的天然气射流混合过程预测、不同喷射压力的梯形天然气喷射型线以及改变引燃油和天然气的喷射时刻的天然气射流混燃烧过程预测。研究发现，天然气喷射率的改变对缸内混合与燃烧过程的影响较大，天然气喷射压力提升和喷射持续期靠近上止点的策略具有实现高热效率的潜力;过长的天然气喷射持续期或过晚的天然气起喷时刻会受到膨胀过程中缸内平均压力下降的影响而过多地喷出燃料，从而使放热率增加，造成放热转化输出功的损失，并使远离上止点时刻的缸内平均温度升高。因此，较高的天然气喷射压力耦合合理的起喷时刻和喷射持续期具有提高热效率的潜力。 |
| 作者： | 梁德治 |
| 专业： | 动力工程及工程热物理 |
| 导师： | 熊仟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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