摘 要

了解内燃机的喷雾过程有助于改善燃烧和排放。本文利用AVL公司的三维CFD软件Fire对乙醇喷雾过程进行了模拟仿真，研究了喷射压力、环境压力和喷孔几何特性对喷雾的影响，然后进行乙醇喷雾实验对结论进行验证。研究结果表明：随着喷射压力增大，喷雾贯穿距和喷雾锥角会增大，喷雾的SMD减小；随着环境压力增大，喷雾贯穿距会减小，喷雾锥角和SMD会增大；实际过程中随着喷孔直径的增大，喷雾贯穿距也会增大，但是本文模拟所设循环喷油量以及喷油持续时间不变，喷孔直径增大后燃油初始速度会减小，因此随着喷孔直径的增大，喷雾贯穿距会减小，喷雾锥角和SMD同样会增大；随着初始喷雾锥角的增大，喷雾贯穿距会减小，SMD也会略微减小但是影响不大。

关键词：乙醇；柴油机；数值仿真；Fire；喷雾特性

Abstract

To improve combustion and emissions of the internal combustion engine, we need to learn it’s spray process.In this article,we simulate the ethanol spray process using AVL-Fire. In this study, the effect of different spray pressures,ambient pressures and nozzle geometries on spray characteristics was studied. Then we carried out an ethanol spray experiment to verify the conclusion.Results indicate that: With the injection pressure increases, Spray penetration and spray cone angle will increase, but Sauter mean diameter will be reduced. As the ambient pressure increases, the spray penetration will decrease and the spray cone angle and SMD will increase. In the actual process, as the diameter of the nozzle increases, the spray penetration will increase. In our study, we have a constant cycle fuel injection and fueling duration so that the initial fuel velocity decreases as the diameter of the nozzle increases. Thus as the diameter of the nozzle increases, the spray penetration will decrease, but the spray cone angle and SMD will increase. As the initial spray cone angle increases, the spray penetration will decrease, SMD will also be reduced but little impact.

Key Words：Ethanol; Diesel engine; Numerical simulation; Fire; Spray characteristics

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 乙醇 1

1.3 国内外研究现状 3

1.4 本课题研究内容 5

1.4.1 具体工作 5

1.4.3 主要章节概览 6

第2章 柴油机乙醇喷雾研究 7

2.1 喷雾过程的理论研究 7

2.2 喷雾特性研究 8

2.3 本章小结 8

第3章 乙醇喷雾的仿真模拟 9

3.1 AVL-Fire软件简介 9

3.2 喷雾模型建立 9

3.2.1湍流扩散模型 9

3.2.2碰撞模型 9

3.2.3碰壁模型 9

3.2.4蒸发模型 10

3.2.5破碎模型 10

3.3 利用Fire软件模拟乙醇喷雾的计算流程 11

3.3.1 运行模式和计算子模块 12

3.3.2边界条件和初始条件设置 14

3.3.3 求解控制 14

3.4 本章小结 16

第4章 乙醇喷雾数值模拟及结果分析 17

4.1 喷射压力对乙醇喷雾特性的影响 17

4.1.1喷射压力对喷雾贯穿距的影响 17

4.1.2喷射压力对喷雾锥角的影响 18

4.1.3喷射压力对索特平均直径的影响 20

4.2 环境压力对乙醇喷雾特性的影响 21

4.2.1 环境压力对喷雾贯穿距的影响 21

4.2.2环境压力对喷雾锥角的影响 21

4.2.3环境压力对索特平均直径的影响 22

4.3 喷孔几何特性对乙醇喷雾特性的影响 24

4.3.1 喷孔直径对喷雾贯穿距的影响 24

4.3.2 喷孔直径对喷雾锥角的影响 25

4.3.3 喷孔直径对索特平均直径的影响 26

4.3.4 喷油锥角对喷雾贯穿距的影响 27

4.3.5 喷油锥角对索特平均直径的影响 27

4.4 乙醇喷雾实验研究 29

4.4.1 实验方法 29

4.4.2 环境压力和喷射压力对喷雾贯穿距的影响 29

4.4.3 环境压力和喷射压力对喷雾锥角的影响 30

4.5 本章小结 31

第5章 总结与展望 33

5.1 全文总结 33

5.2 工作展望 34

参考文献 36

致谢 38

第1章 绪论

1.1 研究背景

内燃机于19世纪60年代问世起，经过了几百年的发展，如今已渗入各个领域，最值得一提的便是汽车领域。内燃机热效率高，体积小，便于维护，已在汽车领域占据了统治地位。而内燃机对燃料要求较高，其排放物对环境的污染日益严重。2010年，在全球范围内，汽车的保有量已突破十亿大关，而到2016年末，我国汽车保有量已经达到2.9亿。随着人们生活水平提高，随之增加的便是汽车的数量，如今汽车已成为人类生活的重要一环，不可或缺。汽车带给了人类便利，让距离不再遥远，让运输不再艰难，同时带来的也是惊人的利益，以及惊人的尾气。

传统的机车燃料是石油，而众所周知石油乃是不可再生能源，并且随着人类的过度使用已然支撑不了多久。除此之外，更严重的却是排放问题。汽车废气中的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物和固体悬浮颗粒物对人体危害最大。这些废气不仅对人体有害，对环境破坏更大。曾经繁星点点的夜空，如今只剩一轮明月，肆意弥漫的雾霾遮挡了我们的视线。碳氢化合物、氮氧化物等在静风、温度高、湿度低、并处于阳光长时间照射下会产生“光化学烟雾”，它不仅会损害人类的健康，还会影响植物的生长，并且对建筑材料都会产生一定的破坏，最重要的是它会降低大气的能见度，这便导致了许多交通事故的发生。