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內(nèi)燃機模型的發(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、動量雷諾時均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)與流場的關(guān)系。由于反應(yīng)流所涉及到的復(fù)雜物理化學(xué)機理和數(shù)值求解問題,對其進行數(shù)值求解依然是CFD中相對薄弱的環(huán)節(jié)。幾乎所有內(nèi)燃機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值通常是非線性的。
因此，需要構(gòu)造燃燒模型來建立化學(xué)反應(yīng)速率與湍流流動的關(guān)系。本文以STAR-CD和FIRE為出發(fā)點,討論燃燒內(nèi)燃機模型的發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀。
內(nèi)燃機模型的模式概述
傳統(tǒng)的車用內(nèi)燃機主要有火花點火汽油機(SI)和壓燃柴油機(CI)。為了滿足越來越嚴格的排放法規(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(GDI)是降低火花點火發(fā)動機油耗最有效的方法之一,而均質(zhì)混合氣壓燃(HCCI)也為火花點火發(fā)動機和壓燃柴油機提供了一種可替代的燃燒方式。一般認為,對于火花點火汽油機，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。在離火花塞較遠的末端混合氣,在火焰面未到達以前就發(fā)生自燃,作為汽油機中非正常燃燒過程的這一現(xiàn)象稱為“敲缸”。柴油機在柴油噴入氣缸后,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數(shù)決定,接著燃油噴霧和空氣被由已燃氣體組成的1個薄的反應(yīng)區(qū)分割開,通常認為反應(yīng)區(qū)的化學(xué)時間尺度比燃料和空氣向火焰區(qū)擴散的尺度小得多,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,成為放熱率的重要組成部分,因此對于柴油機中的燃燒過程,不能僅僅認為是非預(yù)混模式。而對于新的燃燒方式如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)燃機燃燒模型的建立主要針對自燃、預(yù)混燃燒和非預(yù)混燃燒3種燃燒模式,其中有些模型同時模擬其中2種模式或全部3種模式。
內(nèi)燃機燃燒機理主要依賴于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、湍流以及二者之間的相互作用。化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)主要涉及的是分子級的化學(xué)組份的反應(yīng)機理和反應(yīng)速率,這對于燃燒模擬來說是最基本的信息,對內(nèi)燃機來講依然是很難獲得的。其原因是內(nèi)燃機燃料是由幾百種有機化合物混合而成的,其反應(yīng)組份有上千種,涉及到的反應(yīng)有幾百個。要考慮它們的時空分布,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)簡化為單步、兩步或多步反應(yīng)。
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