內(nèi)燃機(jī)模型的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

　　內(nèi)燃機(jī)模型的發(fā)展現(xiàn)狀：利用CFD技術(shù)研究燃燒過程的主要內(nèi)容就是求解多組份的帶化學(xué)反應(yīng)的流體力學(xué)問題。反應(yīng)流控制方程的組成除了包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量雷諾時(shí)均N2S方程外,還包括能量和化學(xué)組份的守恒方程。CFD通過溫度、濃度變化而引起的密度變化建立化學(xué)反應(yīng)與流場(chǎng)的關(guān)系。由于反應(yīng)流所涉及到的復(fù)雜物理化學(xué)機(jī)理和數(shù)值求解問題,對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解依然是CFD中相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。幾乎所有內(nèi)燃機(jī)的燃燒均為湍流燃燒，組份濃度、溫度和其他變量當(dāng)?shù)厮矔r(shí)值通常是非線性的。

 

　　因此，需要構(gòu)造燃燒模型來(lái)建立化學(xué)反應(yīng)速率與湍流流動(dòng)的關(guān)系。本文以STAR-CD和FIRE為出發(fā)點(diǎn),討論燃燒內(nèi)燃機(jī)模型的發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀。

 

　　內(nèi)燃機(jī)模型的模式概述

 

　　傳統(tǒng)的車用內(nèi)燃機(jī)主要有火花點(diǎn)火汽油機(jī)(SI)和壓燃柴油機(jī)(CI)。為了滿足越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)和降低油耗的需求，新的燃燒系統(tǒng)不斷出現(xiàn)。其中，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)(GDI)是降低火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)油耗最有效的方法之一,而均質(zhì)混合氣壓燃(HCCI)也為火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃柴油機(jī)提供了一種可替代的燃燒方式。一般認(rèn)為,對(duì)于火花點(diǎn)火汽油機(jī)，燃燒室內(nèi)充滿了燃料和空氣的預(yù)混合氣,火花塞在兩極間產(chǎn)生1個(gè)小的球形傳播火焰,然后在燃燒室內(nèi)傳播形成預(yù)混燃燒。在離火花塞較遠(yuǎn)的末端混合氣,在火焰面未到達(dá)以前就發(fā)生自燃,作為汽油機(jī)中非正常燃燒過程的這一現(xiàn)象稱為“敲缸”。柴油機(jī)在柴油噴入氣缸后,首先一部分柴油蒸發(fā)并和空氣混合成可燃混合氣,在高溫下發(fā)生自燃(AI),著火延遲由溫度、壓力、空燃比和殘余廢氣分?jǐn)?shù)決定,接著燃油噴霧和空氣被由已燃?xì)怏w組成的1個(gè)薄的反應(yīng)區(qū)分割開,通常認(rèn)為反應(yīng)區(qū)的化學(xué)時(shí)間尺度比燃料和空氣向火焰區(qū)擴(kuò)散的尺度小得多,因此燃燒過程受湍流混合速率所控制,形成非預(yù)混燃燒或擴(kuò)散燃燒。由于AI控制的燃燒初期,造成燃燒室壓力的快速增長(zhǎng),成為放熱率的重要組成部分,因此對(duì)于柴油機(jī)中的燃燒過程,不能僅僅認(rèn)為是非預(yù)混模式。而對(duì)于新的燃燒方式如HCCI，在著火后,還不能明確地將其劃分為預(yù)混燃燒還是非預(yù)混燃燒。內(nèi)燃機(jī)燃燒模型的建立主要針對(duì)自燃、預(yù)混燃燒和非預(yù)混燃燒3種燃燒模式,其中有些模型同時(shí)模擬其中2種模式或全部3種模式。

 

　　內(nèi)燃機(jī)燃燒機(jī)理主要依賴于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、湍流以及二者之間的相互作用?；瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要涉及的是分子級(jí)的化學(xué)組份的反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)速率,這對(duì)于燃燒模擬來(lái)說(shuō)是最基本的信息,對(duì)內(nèi)燃機(jī)來(lái)講依然是很難獲得的。其原因是內(nèi)燃機(jī)燃料是由幾百種有機(jī)化合物混合而成的,其反應(yīng)組份有上千種,涉及到的反應(yīng)有幾百個(gè)。要考慮它們的時(shí)空分布,在目前幾乎是不可能的。因此,目前的燃燒模型一般將復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)簡(jiǎn)化為單步、兩步或多步反應(yīng)。

 

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