Fluent发动机汽缸内燃烧过程数值模拟(2)

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参考文献.30
1 绪论 1.1 课题背景工业化进程的加速是一把双刃剑，在给人类生活带来便利的同时，也带走了我们的青山绿水。近年来，环境问题日益严重，而大气污染又尤为突出，比如前段时间北京等多个城市出现雾霾天气，给人们的健康埋下重大隐患。我国工业化路线一直以来走的是先污染后治理的路线，现在工业的发展已经进入到重化工阶段，其所带来的污染问题已经日益凸显，急待解决改善。污染物主要有三类，分别为C 、、等，每年有超过250亿吨的C 被排放到大气中，是的大气中的C 含量从280ppm激增至380ppm，大大加剧了温室效应的进程。而汽车作为石油燃料的消耗品，是上述三种污染物的共同来源之一。截至2011年8月底，全国机动车保有量达到2.19亿辆，其中汽车保有量首次突破1亿辆大关，占机动车总量45.88%，其排放污染物对城市大气污染的“贡献率”达到60%以上，毫无疑问，汽车尾气成为大气污染的重要元凶之一，尤其是在大城市，对大气污染所占比重逐年增加[1]。另一方面，能源资源日益增长的需求与其储量日益减少的矛盾不断升级。我国已探明的石油资源只占世界总量的2.4%，但是我国的人口总量却超过世界人口总量的五分之一。近年来，国内经济持续迅猛发展，人们生活水平不断提高。在提高人类生活层次的号召之下，世界上出现了越来越多的代步工具，在机械设备指数增长的大环境之下，能源问题和环境问题的日益加剧。迫切需要技术层面的支持为解决上述问题提供强有力的后盾。新兴的代用燃料天然气由于其燃烧产物清洁的属性得到广泛的重视，在汽车发动机领域也初现峥嵘。汽车保有量的指数增长是其重要参照物，国内汽车销量年增长率连年超过30%，截至2009年底，全球汽车保有量为7亿辆左右，我国汽车保有量则超过7619万辆，相关单位预测到2020年，这个数字将达到1.3~1.5亿辆，我国石油进口对外依存程度自2007年接近警戒线50%后继续攀升， 2010年已到达60%[2]，而且这种趋势正愈演愈烈。从消费结构看，汽车成为石油的主要消耗群体，其在2008年消耗的燃油量占全国燃料消耗总量的40%左右。综合以上两方面诱因，人们对发动机燃油经济性和排放要求不断提高，如何提高汽车发动机燃料的燃烧效率与尽量减少有害物的排放成为近年来人们视野的聚焦点。在这样的环境之下，应运而生了许多新的科学技术：比如高压电控喷射技术、预喷射技术、汽油直接喷射（DI）技术、废气再循环（EGR）技术、代用燃料技术、控制燃烧技术、结构调整技术等，而在这些科技投入生产应用之前，势必要对新技术进行研究，以验证该项技术是否具有预期设想的优势，并为再次优化设计提供可靠依据。考虑到燃料的燃烧过程是影响发动机动力性、经济性和排放性能的重要工作过程，故燃料在气缸内燃烧过程是研究发动机性能的必要研究对象[3]-[7]。本课题主要针对代用燃料技术，对天然气在天然气发动机汽缸内的燃烧过程进行数值模拟。
1.2 天然气发动机简介针对当下能源短缺和环境污染日益恶化的问题，现在的研究主要从三个方面寻求解决方法。 1）采用热能以外的动力源：如采用充电电池或太阳能电池等电力作为动力来源。该方面目前的最大难题就是电池的蓄电密度始终无法得到突破，续航里程较短。另一方面，电动汽车的动力性能方面与传统燃料的汽车相比偏弱。所以在短期一段时间内，纯电动汽车仍然不会得到大量的推广应用。 2）对现有发动机进行技术升级：比如高压电控喷射技术、预喷射技术、汽油直接喷射（DI）技术、废气再循环（EGR）技术、控制燃烧技术、结构调整技术等。 3）使用代用燃料：比较常见并有一定推广空间的主要有甲醇、乙醇、二甲醚、氢气、液化石油气等。若对现有常规发动机进行技术改造，投入产出比较低，发展空间较狭窄。即使技术难关得以攻克，凭借现在能源消耗的速率，技术的使用寿命也偏短。所以人们都迫切希望找到新的替代燃料这条能源策略。国内在石油替代品领域起步于20世纪90年代后期。由于汽车的普及导致的大气污染使得燃料汽车逐渐开始进入公众视野。近年来，由于中东动荡，操盘手不断推高石油价格，石油替代品的经济性不断凸显，政府则适时应景推出政策鼓励替代燃料的发展。良好的代用燃料应该拥有以下几种特性：1)资源可供长期采用，储量丰富；2)经济性好：使用成本低；3)能量密度高，方便存储运输；4)在气缸内燃烧时能使发动机性能得到保障；5)能够减少污染物的排放，对环境友好[8]-[10]。天然气作为一种复杂碳氢化合物，主要成分为甲烷(CH4)，其含量大约占天然气的95%左右，源]自=751-·论~文"网·www.751com.cn/ 外加少量氮气（CH4）、二氧化碳(C )、丙烷(C H )、乙烷（C H ）、正丁烷(C4H )、异戊烷(C H 等。当今的替代燃料领域，气体燃料如液化石油、天然气等在技术上相对成熟，有较大的推广空间，有潜力成为石油代用能源。天然气成为成为煤炭和石油之后的第三大能源体系。天然气作为替代燃料最大优势在于产生的污染比石油燃料大大减少，单凭这个优点，天然气作为汽车替代燃料已被社会大众所接纳。目前全世界范围内共有650多万辆天然气汽车，外加24870座加气站[11]。天然气作为石油燃料替代品的优势如下： 1) 经济性能好：与石油资源相比天然气资源更加方便开采，目前天然气开采仍旧处于初级阶段，其储量相对石油资源而言非常丰富，若是对天然气的供应系统进行完善则将大大降低燃料的成本。此外，天然气不会造成润滑油稀释，延长发动机使用寿命。 2) 使用性能好：天然气作为一种气体燃料，冷启动性能好。成分中不含有胶质，所以燃烧产物不会产生积碳堵塞发动机，降低其性能。另外，天然气的辛烷值达到130左右，高于一般优质汽油96左右的辛烷值，故天然气抗爆性好，发动机工作较柔和，噪音相对较小。同时，天然气燃点高，达到537℃以上，着火界限为5%~15%，不易形成可燃混合气引起火灾等意外事故[12]，并且由于天然气密度小于空气的特性，即使有泄露也能很快消散，使危险系数降低。 3) 排放友好：天然气主要成分为甲烷(CH4)，约占混合气总量的83%~96%。天然气易于完全燃烧，CO和其他微粒的排放量较低。在产生相同热量的前提下，甲烷产生的CO比汽油和柴油产生的要减少15%以上。另外由于天然气燃烧火焰温度较低，可以有效遏制的生成。与普通汽油的燃烧排放物相比，HC减少53%，CO减少97%，减少30%，C 减少24%，噪声降低40%[8]。 4) 储量丰富：根据有关部门的统计推算，在我国国境线内的天然气储量至少有38万亿立方米，现今已被勘探出的量超过1.5万亿立方米。通过在勘探过程中的统计发现有几个地区的天然气储气量最为丰富，这四个地区为四川、陕北、新疆、莺歌海，另外在我国华东地区(江浙沪一带)也有较丰富的储藏量。天然气在我国丰富的蕴藏量为国内新能源汽车尤其是天然气汽车的发展提供了最上游的燃料支持，是其能取得长足发展的强力后盾[10]。