船用低速二冲程柴油机重油喷雾燃烧及排放的数值研究.doc

船用低速二冲程柴油机重油喷雾燃烧及排放的数值研究船用低速二冲程柴油机目前是大型船舶的主要动力装置。国际海事组织于2016实行的TierIII排放法规,其中重要衡量指标氮氧化物（NO_x）排放量相比TierII法规降低76%以上,因此亟需开展降低船机NO_x排放的研究。船用柴油机喷雾燃烧过程直接影响NO_x的生成,但船机燃油目前以重油为主,由于其复杂物理化学性质,缺少对其喷雾燃烧过程的深入研究。同时,由于船机实验成本高昂,采用数值模拟方法研究精度高且成本低,因此,本文基于定容燃烧弹、燃烧分析仪和船用柴油机多种装置的实验结果,通过数值模拟方法研究了重油的喷雾燃烧特性以及不同因素对船用低速二冲程柴油机重油燃烧和排放过程的影响。重油与柴油喷雾特性的差异取决于其物理性质的差异。因此,为了更好地理解重油的喷雾特性,本文首先基于定容弹的喷雾实验结果,分别数值模拟研究了柴油和重油喷雾模型敏感性并进行了模型验证。本文进一步开展了燃油温度和环境温度对柴油和重油喷雾的影响研究。通过对比发现,相对于柴油,重油的液相喷雾贯穿距更大且更难稳定,气相更难蒸发,蒸发质量和索特平均直径（SMD）受温度影响更加敏感。最后研究了涡流对重油喷雾的影响,发现涡流对喷雾贯穿距发展和喷雾蒸发效果有重要作用。本文接下来基于燃烧分析仪和定容弹实验结果,开展了重油燃烧和排放的数值模拟研究。通过在燃烧分析仪中对重油燃烧模型参数进行敏感性分析,依据放热率对燃烧模型进行了验证,并在定容弹内对火焰长度发展情况进行了模型验证。接下来研究了涡流和氧浓度对重油燃烧和排放过程的影响,结果表明涡流和氧浓度会对燃烧过程火焰形态和火焰结构产生巨大影响,进而影响排放。本文在船用柴油机中通过数值模拟方法研究研究了涡流比、进气加湿、EGR以及进气加湿耦合EGR对船用柴油机重油燃烧和排放的影响,结果发现:增大涡流比会促进喷雾蒸发,导致缸内燃烧温度、压力和NO_x排放升高;EGR和进气加湿分别通过引入CO₂和H₂O改变进气混合气的比热容和氧浓度影响燃烧过程,改变NO_x排放;30%EGR耦合50%进气加湿比例对缸压影响较小,NO_x排放明显减少。综上所述,本文对船用低速二冲程柴油机重油喷雾燃烧及排放过程进行了数值模拟研究,为优化船机喷雾燃烧过程,改善NO_x排放提供理论依据。