摘 要

　　 本文基于FLUENT研究了点火能量和定容弹尺寸对火焰传播过程的影响。首先，根据实验环境，用ICEM CFD对定容弹模型进行了简化处理并采用结构化的网格形式对简化模型进行了网格划分；然后，分别以不同点火能量在不同尺寸的定容燃烧弹中进行了甲烷预混燃烧的数值模拟；最后，得到了火焰形状的变化过程并分析了原因。得出了点火能量可以加速火焰传播和定容弹结构尺寸可以通过影响定容弹内部混合气体的流动状态来影响火焰的传播速度的结论。因此，本文对点火能量和定容弹尺寸的研究对内燃机的设计具有一定的实际意义。

关键词：FLUENT；定容燃烧弹；点火能量；定容燃烧弹尺寸；拉伸火焰传播速度

Abstract

This paper studied effects of ignition energy and constant volume bomb size on flame propagation speed based on FLUENT. First, the model of constant volume combustion bomb was simplified and adopting a structured mesh to mesh the model by using ICEM CFD according to actual circumstances. Secondly, the numerical simulation of premixed combustion of methane was carried out under the conditions of different ignition energy in constant volume bomb with different size. Finally, the reason for the change of flame shape was analyzed and this paper got the conclusion that ignition energy can accelerate the flame propagation and constant volume combustion bomb size can affect flame propagation speed by affecting internal mixed gas flow. Therefore, the study of ignition energy and constant volume combustion bomb size is very important to manufacturing of internal combustion engines.

Key Words：Fluent; constant volume combustion bomb; ignition energy; constant volume combustion bomb size; stretch flame propagation speed

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及国内外研究现状 1

1.1.1 选题背景 1

1.1.2 国内外研究现状 2

1.2 研究意义 3

1.3 研究内容 3

第2章 数值模拟方法及理论模型 4

2.1 CFD数值模拟方法 4

2.2 理论模型 4

2.2.1 组分输运方程 4

2.2.2 层流有限速率模型 5

2.2.3 火花点火模型 7

2.3 本章小结 8

第3章 甲烷燃烧的数值模拟 9

3.1 物理建模与网格划分 9

3.1.1 ICEM CFD软件介绍 9

3.1.2 物理模型的建立 9

3.1.3 网格划分 10

3.2 FLUENT甲烷预混燃烧模型建立 11

3.2.1 化学反应模型的选择 11

3.2.2 甲烷燃烧机理的选择 11

3.2.3 边界条件和初始条件设定 12

3.3 本章小结 12

第4章 数据处理与结果分析 13

4.1 火焰形状的发展 13

4.2 拉伸火焰传播速度 15

4.3 点火能量对拉伸火焰传播速度的影响 19

4.4 定容弹尺寸对拉伸火焰传播速度的影响 22

4.5 误差分析 25

4.6 本章小结 25

第5章 总结与展望 26

5.1 总结 26

5.2 展望 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 选题背景及国内外研究现状

1.1.1 选题背景

近年来，我国经济快速增长，汽车保有量大幅增加，并且，我国能源结构中，油气资源储量又相对较少，所以，我们所面临的能源危机是比较严重的，我们不得不寻找更多更有效的替代燃料来满足经济社会发展的需求，常见的内燃机替代燃料主要包括: 甲醇、乙醇、二甲醚、合成油（将煤液化）、生物柴油等^[1]

为了在众多的替代燃料中找到在诸多方面适合本地区的燃料，就需要我们充分了解各种燃料的燃烧特性与燃料初始参数以及本身的理化特性之间的关系。要研究替代燃料的燃烧特性，必然需要一些实用的燃烧设备来进行燃烧试验，到目前为止，快速压缩机、激波管以及定容燃烧弹等都是国内外很多研究机构使用的燃烧设备^[2]。其中很多机构利用定容燃烧弹进行了大量的实验探索。

定容燃烧弹的主要作用是模拟活塞在气缸上止点附近时燃烧室中混合可燃气体的燃烧,定容弹的主要优点是结构简单,能够轻松地改变热力参数(残余废气系数、包括燃空比、残余废气系数、压力和温度)、湍流参数以及点火参数(点火能量、电极间隙及其火花塞位置与数目) ,定容弹在燃烧实验时改变单一参数的便利性使其成为燃烧学研究者们使用较为频繁的一件设备，一般是由混合气配制系统、纹影与高速摄影系统、定容燃烧弹、湍流发生系统、燃烧压力测量系统、点火系统以及时序控制系统等部分组成的。

近几十年来，伴随着计算机技术的发展，许多西方发达国家陆续用计算机对燃烧过程进行模拟研究。目前已经能够轻松的模拟燃气轮机和火箭发动机等大型装置内的实际燃烧过程并预测装置燃烧性能和污染物排放水平。随之逐渐形成了一个新的学科：计算燃烧学。计算燃烧学可以通过高性能计算机实现对燃烧现象的准确分析和预测^[4]。其中心内容是对燃烧的过程进行计算机模拟的思想、理论及方法。主要包括以下三个方面：一是根据质量守恒定律、牛顿第二定律、热力学第一定律和化学反应的规律，用适当的理论模型建立研究过程的控制微分方程组；二是把控制微分方程组离散化，建立与微分方程有一致性代数方程组；三是用计算机对离散化的代数方程组进行求解^[5]。伴随着计算燃烧学与计算流体力学(CFD)的发展，研究人员已经开发出了很多高性能关于计算燃烧学的软件和程序包，如：FLUENT、Chemkin、Kiva、Forte等。

其中，FLUENT自1983年问世以来，在航空航天、航海、石油化工、汽车、能源等领域都有比较广泛的应用。作为的CFD 软件，FLUENT不仅可以模拟不可压缩的流体流动情况，也可以模拟关于可高度压缩的的流体的复杂流动，可以采用很多种方法以较快的速度得到较为精确的计算结果^[6]。在网格使用方面，FLUENT具有相当大的灵活性，可以使用二维网格（四边形和三角形单元）和三维网格（四面体和六面体核心单元、棱柱和多面体单元）。这些网格均可以在FLUENT的前处理软件Gambit或ICEM CFD中生成。FLUENT软件中集成了先进的动/变形网格技术用于解决边界运动问题。在数值技术方面，FLUENT有针对低速、不可压缩的基于压力的求解器以及针对高速、可压缩流体的基于密度的求解器。FLUENT也包含了丰富的物理模型，如：传热、相变、辐射等模型^[7]。在燃烧的模拟方面，FLUENT软件对于高温高压情况下燃烧的化学动力学反应模拟以及燃料气体分子流动情况模拟等均有较理想的模拟结果，对于混合气体燃烧的化学动力学反应模拟FLUENT里有自己的化学反应机理文件数据库，同时也能与Chemkin等大型气相化学反应分析软件结合进行分析，得出更加精确和贴合实际的模拟结果。