船用中速柴油机三维仿真及性能预测毕业论文
2021-05-19 00:01:17
摘 要
当前，人们对能源与环境的重视程度越来越高，船舶柴油机作为一个能源转换的装备，一方面它要消耗能源，另一方面它也产生对大气有污染的排放物。因此对柴油机的性能的研究显得非常的重要，既要求提高柴油机的经济性，又要求提高柴油机的排放性。过去常使用实验法研究柴油机的燃烧过程，但是成本高，周期长。现在广泛采用数值模拟的方法研究柴油机的燃烧过程。
本文是利用数值模拟的方法对柴油机的燃烧过程进行研究的。首先通过KIVA-3V程序的前处理模块建立柴油机计算网格，然后根据网格模型和仿真方案对柴油机缸内燃烧过程进行数值计算，得到温度、压力和排放物的分布情况，最后利用后处理模块使结果可视化，并将仿真结果与实验结果进行比较，验证了仿真计算的准确性。
在三维仿真的基础上，对柴油机进行了变参数研究，分析了不同工况下，柴油机缸内气体温度、缸内气体压力和生成物NOX、CO随曲轴转角的变化规律；分析了不同喷油提前角和不同进气延迟角下，柴油机缸内气体温度、缸内气体压力和生成物NOX、CO随曲轴转角的变化规律。
关键词：中速机；数值模拟；KIVA-3V
Abstract
At present, people pay more and more attention to energy saving and environment protection. As an energy conversion equipment, on the one hand, a marine diesel engine is to consume energy, on the other hand, it also produces emissions of pollution of the atmosphere. So it is very important to study the performance of the diesel engine, we are not only required to improve the economic performance of the diesel engine, but also to improve the emission performance of diesel engine. In the past, the combustion process of diesel engine was studied at the experiment method, but it is expensive and time-consuming. Now some research on the combustion process of diesel engine is carried out by means of numerical simulation.
In this paper, the combustion process of diesel engine is studied by numerical simulation.
Firstly, the calculation grid of diesel engine is established by the pre-processing module of KIVA-3V progra. Then, according to the grid model and simulation program, the combustion process of diesel engine cylinder is calculated, and the distribution information of temperature、 pressure and emission is obtained. Finally, the post-processing module is used to visualize the results, and the simulation results are compared with the experimental results, which verifies the correctness of the simulation calculation.
On the basis of three dimensional simulation, study of variable parameters is carried out. the variation of gas temperature, gas pressure and generating NOX and CO with the change of crank angle at different working conditions are obtained. the variation of gas temperature, gas pressure and generating NOX and CO with the change of crank angle at different advanced injection angles and delayed Inlet angles are obtained.
Key Words：Medium speed diesel engine；numerical simulation；KIVA-3V
目录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 论文研究目的与意义 1
1.1.1 能源危机与排放法规 1
1.1.2 实验方法与数值仿真模拟 1
1.2 国内外研究现状分析 2
1.2.1 内燃机缸内过程数值模拟国内外研究现状 2
1.2.2 利用Kiva进行三维仿真国内外研究现状 3
1.3 本文研究目标与研究内容 4
1.3.1 本文研究目标 4
1.3.2 本文研究内容 4
1.4 本文采用的技术方案 5
1.5本章小结 6
第2章 船用中速机三维仿真的理论基础 7
2.1 燃烧过程的控制方程与数学模型 7
2.1.1 燃烧过程的控制方程 7
2.1.1.1 能量守恒方程 7
2.1.1.2 质量守恒方程 8
2.1.1.3 动量守恒方程 8
2.1.1.4 理想状态方程 8
2.1.1.5 化学守恒方程 9
2.1.2 燃烧过程的数学模型 9
2.1.2.1 喷雾模型 9
2.1.2.2 湍流模型 10
2.1.2.3 氮氧化物生成模型 11
2.2 KIVA-3V程序的结构 12
2.3本章小结 14
第3章 船用中速柴油机三维仿真的操作过程 15
3.1 计算网格的生成 15
3.2 燃烧过程的模拟计算 17
3.3 计算结果的可视化 20
3.4 模型验证 21
3.5 本章小结 22
第4章 船用中速柴油机的性能预测 23
4.1 转速对柴油机燃烧和排放的影响 23
4.1.1 转速对缸内温度与压力的影响 23
4.1.2 转速对排放物NOX与CO的影响 24
4.2 负荷对柴油机燃烧和排放的影响 25
4.2.1 负荷对缸内温度与压力的影响 25
4.2.2 负荷对排放物NOX与CO的影响 26
4.3 喷油提前角对柴油机燃烧和排放的影响 28
4.3.1 喷油提前角对缸内温度与压力的影响 28
4.3.2 喷油提前角对排放物NOX与CO的影响 29
4.4 进气延迟角对柴油机燃烧和排放的影响 30
4.4.1 进气延迟角对缸内温度与压力的影响 30
4.4.2 进气延迟角对排放物NOX与CO的影响 31
4.5 本章小结 33
第5章 总结与展望 34
5.1 总结 34
5.2 展望 34
参考文献 36
致 谢 38
第1章 绪论
1.1 论文研究目的与意义
1.1.1 能源危机与排放法规
当前，随着时代的发展，人类对于能源的需求越来越高，能源对于一个国家具有重要的战略地位，关乎国家存亡，关乎民族存亡，众多能源中，石油更是极其地紧缺。我国的石油形势非常的严峻，目前我国已经成为了原油进口大国[1]。当前柴油机的应用十分的广泛，不仅可以作为动力装置，还可以作为发电装置。1904年，柴油机首次应用于船舶推进装置，由于它的能量密度高、燃油消耗率低、燃油经济性好、功率和转速范围宽广、有良好的动力性、经济性和耐久性等优点，故船舶柴油机得到了很好的适用性[2]。因此对于柴油机的动力性和经济性的研究是十分有意义的，柴油机中燃料的燃烧过程是影响柴油机的动力性和经济性的最重要的因素，所以研究柴油机的燃烧过程也是十分重要的，通过研究柴油机的燃烧过程，使燃油被充分利用从而在一定程度上缓解能源危机。
不仅仅解决能源问题迫在眉睫，排放问题的解决也迫在眉睫。中国是一个发展中国家，曾经为了经济的发展而牺牲了环境，现在我们尝到了环境问题带给我们的苦涩。柴油机排放了多种污染物，曾经追求柴油机的大功率，而忽视了柴油机的排放性，现在则必须限制柴油机的排放，通过对柴油机的燃烧过程的研究，平衡柴油机的动力性与排放性。为了缓解越来越严峻的排放形势，隶属国际海事组织（IMO）从20世纪90年代就开始对船用柴油机污染物进行限制，制订了一系列的排放法规，2016年1月1日实施的TierⅢ阶段法规，要求NOx排放量相比TierⅠ阶段降低80%，这对制造商提出了更为苛刻的要求[2]。因此，为了使柴油机的排放能够满足TierⅢ阶段法规，必须对柴油机的燃烧过程进行更加深入的研究，从而改善船用柴油机的排放性。
