《基于CONVERGE的船用气体机仿真计算》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于CONVERGE的船用气体机仿真计算（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2015 年 IDAJ-China 用户论 文集 基于 CONVERGE 的船用气体机仿真计算 Simulation on Marine gas engine of CONVERGE software 韩连任 桂勇 屠丹红 中船动力研究院有限公司 摘 要 : 为解决大型气体燃料发动机上燃烧不稳定、燃烧速率慢、热效率下降甚至失火等问题，本文采用预燃室式燃烧系统并以预燃室混合气加浓的方式实现混合。应用三维 CFD 软件CONVERGE 对该发动机的排气、进气、压缩和燃烧过程进行了三维 CFD 数值模拟分析。通过数值模拟分析 ,得出 了燃烧室压力、温度、放热率曲线及温 度场变化过程等 , 并比较不同
2、点火时刻对其性能的影响 。 关键词 : 气体发动机、船用、预燃烧室、 CONVERGE Abstract： In order to overcome many problems such as, combustion instability, slow combustion rate， and reduction of thermal efficiency, even misfire in large gas engine. The article worked on pre-chamber combustion system which the fuel concentration in p
3、re-chamber is controlled independently. The working process of a lean burn marine gas engine was simulated with a 3-D CFD software package CONVERGE. This study was conducted to simulate the exhaust, intake, compression and combustion. Based on the simulation results, the pressure. Temperature and he
4、at release rate of the chamber were analyzed, the flame propagation were investigated. And also the different ignitions were compared. Key words: gas engine ， marine， pre-chamber， CONVERGE 1 前言 随着国际海事组织 IMO 提出了严格的排放法规，其中 Tier 3 即将于 2016 年生效。与此同时，随着世界能源短缺现象日益凸显，寻找更清洁、更具潜力的石油替代燃料受到学者越来越广泛的重视。为应对上述的能源、
5、环境和经济问题 ,气体燃料发动机成为国内外学者和生产厂商的研究热点 ,并在应用领域占据重要地位。开发出高性能、低排放并与气体燃料相适应的气体发动机是一项综合性研究的课题。釆用稀薄燃烧策略、预燃室火花点火燃烧系统是提高气体发动机性能的先进技术 ,也是本文的主要研究内容。 2 计算案例 本文计算主要针对于某船用预燃式气体机进行仿真计算，应用三维 CFD 软件 CONVERGE 对其全负荷时的排气、进气、压缩和燃烧过程进行三维数值模拟研究。分析预燃式气体机燃烧特点并探讨不同点火时刻对燃烧性能的影响。 2015 年 IDAJ-China 用户论 文集 船用气体机缸径较大，直接采用火花塞点燃气缸内气体很
6、难引燃。因而为保证性能稳定可靠通常在缸盖中心增加预燃烧室，燃烧过程为火花塞引燃预燃烧室的加浓天然气，预燃烧室燃烧后高温火焰通过预燃烧室连接通道传出来点燃主燃烧室工作过程。 2.1 仿真主机参数 选用某工程样 机为该仿真模拟的基础，该机型参数如下表 1： 表 1 气体机参数 参数名称 参数值 气体机缸径 320mm 冲程数 4 冲程长度 420mm 连杆长度 950mm 气体机转速 720r/min 2.2 加浓进气过程 为保证预燃烧室易于引燃，根据文献说明，点火时刻在火花塞附近的当量空燃比保证在 0.8-1.2 之间，并根据低压天然气进气设计原理 选取如图 1 所示加浓进气曲线用以保证在设计点
7、火时刻满足燃烧条件 2.3 初始条件 选取 排气阀开启为计算初始时刻，该初始条件如下表 2： 表 2 计算 初始条件 参数名 称 参数值 缸内 /预燃烧室压力 9.43bar 缸内 /预燃烧室温度 1063K 进气道压力 3.4bar 进气道温度 311.2K 排气道压力 2.83bar 排气道温度 812K 计算初始 时刻 145.1 CA 图 1 天然气加浓进气曲线 2015 年 IDAJ-China 用户论 文集 2.4 计算网格 本文计算 软件 CONVERGE 具有自动划分网格功能，因此 需将 计算域 几何模型导入 ，如图 2 包括进气道、排气道、缸内、预燃烧室 ，并按照边界将其分类
8、 并 定义边界条件。 通常网格划分中 采用自动网格处理技术。但 如 计算域尺度较大 应 采用灵活的网格划分方案，保证计算精度 的 同时保证 运 算 速度。本案例采用方法为：基本网格尺寸 16mm ； 温度和速度梯度自动加密 3 次；火花塞附近加密到 0.25 mm ；气阀动作时刻气阀座圈 加密 3 级 ，加密 2 层 ；预燃烧室加密到 2mm ； 计算过程中 根据网格设置 ， 网格数量在 300， 0001， 200，000 之间，并根据温度梯度等条件在燃烧过程进行自动加密 。一定程度上减小了网格相关性的影响。 2.5 物理模型 在本文的仿真研究中，湍流模型选择 K-Epsilon/RNG 模
9、型，燃烧模型选择 SAGE 模型，并导入CHEMKIN 格式中的化学反应机理，利用 ISAT 加速计算并与 流动过程独立并行。 点火模型选择火花塞自动点火模型 ， NO 排放选择扩展的 Zeldovich 机理 等 。 3 原机 仿真 过程 原机 设计火花塞位置设置在预燃室上平面下 5mm 处，并采用 16 CA BTDC 火花点火。通过 720CA 一个完整工作循环模拟，得到 仿真计算结果。 3.1 压力值分析 火花塞点燃预燃烧室燃烧放热， 如图 3 及图 4 所示： 预燃烧室压力升高出现一个峰值，并引燃主燃烧室使主燃烧室燃烧压力开始升高。预燃烧室虽燃烧结束后会有压力回落但后续在主燃烧室的压
10、力传递作用下随之升高。主燃烧室最大爆发压力达到 160bar左右 ，说 明缸内预混气体 具有较 好 的燃烧 效率 。 图 2 计算几何域 2015 年 IDAJ-China 用户论 文集 3.2 温度 值分析 如图 5 中 预燃烧室燃烧后温度急剧上升瞬 时 温度约为 2500K， 后续向主燃烧室传递温度引燃主燃烧室， 此后预燃室 温度 逐渐 降低 。 主燃烧室在缸内气体燃烧过程中温度 逐步 升高，最大温度约为1900K，如图 6。 由于 预燃烧室由火花塞引燃 并 且 内部 燃空 当量 比较高，瞬时温度较高 ， 因此 需进行对预燃室 加强冷却设计 并做结构强度仿真验证 。 图 3 主燃烧室压力值
11、 图 4 预燃烧室压力曲线 图 5 预燃烧室 温度 曲线 图 6 预燃烧室 温度 曲线 图 7 燃烧室放热率曲线 图 8 燃烧室累积放热曲线 2015 年 IDAJ-China 用户论 文集 3.3 放热率 分析 预燃烧室点火后 ，预燃烧室 立即 开始 燃烧放热， 约 在预燃烧室放热率最大的时刻引燃主燃烧室，主燃烧室开始放热。燃烧瞬时放热率最大值 为 7500J（如图 7） ，而通过燃烧室累计放热率 （如图 8） 可大致分析得到燃烧持续期约为 715 CA 到 750 CA。 3.4 气体组分曲线 预燃室内的燃空当量比 如图 9 所示： 开始阶段由 主燃烧室 的 燃料进入 预燃烧室内使 燃空
12、比 缓慢增加，之后由于加浓喷射 使 燃空比 快速增 加 ； 加浓喷射 过程 结束后， 缸内气体 从 主 燃烧 室 内 经孔道进入 预燃室 进行稀释，预燃室 内 燃空当量比快速降低 ； 到达点火时刻 为 1.05， 满足点火要求。 点火燃烧燃空当量比急剧降低直到燃料殆尽。主燃烧室内的燃空当量比 如图 10在进 气过程逐渐增大到最大值并保持稳定，后经燃 烧，消耗殆尽 。 3.5 燃烧过程分析 为 更好的分析 燃烧过程 的 发展 ，通常选用 某一 截面的温度来进行分析 ， 本文 抽取缸内计算域截面 1（切进 、 排气道面）、截面 2（切预、主燃室气口面）、截面 3（ Z 方向横截面）如图 11,分析
13、截面温度场分布如下表 3。 表 3 温度场截 面 图 表 角度 截面 1 截面 2 截面 3 图 11 计算域截面图 图 9 预燃烧室燃料曲线 图 10 主燃烧室燃料曲线 2015 年 IDAJ-China 用户论 文集 703CA 705CA 709CA 713CA 717CA 725CA 733CA 2015 年 IDAJ-China 用户论 文集 745CA 从表中可分析：因 704 CA 开始点火， 705 CA 在火花塞附件开始出现局部高温气体，并在705 CA-713 CA中预燃烧室高温区域逐步扩散，高温火焰开始向主燃烧室传递； 713 CA开始，主燃烧室开始被预燃烧室传递的高温气
14、体引燃， 713 CA-725 CA 主燃烧室大面积燃烧并继续扩大主燃烧室高温区域。 725 CA-745 CA 燃烧沿着缸壁方向 发展并将剩余燃料基本消耗殆尽。 4 点火时刻 分析 原机 设计采用 -16 CA BTDC 火花点火，缸内能够顺利引燃并开始燃烧。在 不改变加浓进气曲线条件下，在 -17 CA 到 -15 CA 均满足点火要求。将点火时刻分别改为 -15 CA、 -15.5 CA、 -16 CA、-16.5 CA、 -17 CA 再次进行计算，得到不同点火时刻的计算结果。 4.1 预燃烧室压力、温度曲线 预燃烧室压力 曲线如图 12 所示：随着点火时刻 推后 预燃烧室第一个峰值曲
15、线逐渐增大即 -15CA点火预燃烧室第一个峰值压力为 117bar而 -17 CA点火仅为 104bar，但最大压力值 是 由主燃烧室决定 ，故最大压力值 基本一致 。 预燃烧室温度曲线如图 13：随着点火时刻 提前 温度 峰值的曲轴转角提前，但最大温度差别不大， -17CA 点火 的 温度 峰值比 -15CA 点火 略大 ， 约 为 20K。 4.2 主 燃烧室压力、温度曲线 图 12 预燃烧室压力曲线 图 13 预燃烧室温度曲线 2015 年 IDAJ-China 用户论 文集 如图 14 所示 ： 主燃烧室压力值， 当点火时刻 -16.5 CA， 在 732 CA 时刻时爆发压力最大达到
16、 160bar 而点火时刻 -15 CA， 在 732.5 CA 最大爆发压力仅为 156bar；如图 15 所示 ： 主燃烧室温度值，当点火时刻 -16.5 CA，在 743 CA 时刻时温度最大达到 1905.2K，当点火时刻 -15 CA，在 744.1 CA 时刻时温度最大仅达到 1894.1K。 4.3 燃烧室 放热率 曲线 通过放热率曲 线分析， 如图 16 所示： 点火时刻提前燃烧放热率提前，但最终累 积 放热量 如图17，各点火时刻总体上 基本一致 ，但 -16.5 CA 点火 累积放热量最大。 4.4 排放数据比较 排放数据 如图 18 可 得： -16.5 CA 点火时刻的 NOX 排放最大 HC 排放
