一种天然气掺氢转子发动机燃烧过程模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种天然气掺氢转子发动机燃烧过程模拟方法，涉及内燃机技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种天然气掺氢转子发动机燃烧过程模拟方法


[0001]本专利技术涉及内燃机
，尤其涉及一种天然气掺氢转子发动机燃烧过程模拟方法
。

技术介绍

[0002]转子发动机是一种将燃料膨胀做功直接转化成扭矩的旋转活塞式发动机，具有结构紧凑
、
零部件少
、
高转速性能好
、
重量轻
、
运行平稳以及功重比高等优势，被广泛应用于乘用车
、
军用车辆
、
小型飞机
、
无人机
、
两栖登陆舰等的动力源
。
转子发动机的主要缺点之一是燃烧过程不充分
、
燃油经济性较差
、
未燃碳氢污染物排放高；而这些缺点刚好可以通过在燃料中掺混部分氢气得到改善
。
氢气具有热值高
、
燃烧速度快
、
点火能量低等优点，掺入氢气可以显著促进混合燃料的快速
、
充分燃烧，同时降低混合燃料的碳排放
。
[0003]为了充分了解天然气掺氢转子发动机的燃烧过程，数值模拟是一种成本低
、
易于控制环境参数
、
可获得更细致流场变化与燃烧过程的研究方式
。
对于天然气掺氢转子发动机的数值模拟，存在着转子偏心运动导致的网格动态生成问题
、
燃烧模型的准确性问题
、
点火模型所需的网格加密问题
。
因此，需要发展一种具有动网格
、
高精度
、
自适应网格的天然气掺氢转子发动机燃烧过程数值模拟方法
。

技术实现思路

[0004]为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种具有准确描述燃烧腔室形状变化
、
高精度
、
自适应网格的天然气掺氢转子发动机燃烧过程数值模拟方法
。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种天然气掺氢转子发动机燃烧过程模拟方法，包括以下步骤：
[0007]S1
：构建转子发动机的三维几何模型并划分包含流体域与边界的计算域；
[0008]S2
：定义流体域的基础网格尺寸
、
局部加密网格尺寸与自适应网格参数，基于
Cutcell
技术生成全结构化网格，定义动网格方法；
[0009]S3
：定义天然气掺氢转子发动机模拟燃烧过程的流场计算模型
、
燃烧计算模型
、
点火计算模型，定义边界条件并初始化流体域参数；
[0010]S4
：进行天然气掺氢转子发动机燃烧过程的计算模拟，导出并处理模拟结果数据
。
[0011]进一步地，所述步骤
S1
中，划分流体域具体过程如下：将转子发动机三维几何模型内部划分为三个燃烧腔室
、
两个火花塞
、
一个进气管
、
一个排气管，共计七个流体域；划分边界具体过程如下：将转子发动机三维几何模型表面划分成进气口
、
排气口
、
进气管壁
、
排气管壁
、
缸体壁
、
转子壁
、
火花塞壁，共计七个边界
。
[0012]进一步地，所述步骤
S2
中，定义流体域的基础网格尺寸具体过程如下：基础网格尺寸按需分布于几十微米至几毫米之间；定义局部加密网格尺寸具体过程如下：在燃烧腔室壁面
、
进气管壁面
、
点火区域与火花塞壁面处设置局部多级加密网格；定义自适应网格参数具体过程如下：在计算域内燃料质量分数
、
温度和速度的高梯度处设置自适应多级加密网
格，自适应多级加密网格的参数为2级
‑7级；定义的动网格方法具体步骤如下：动网格方法使用网格重构法：针对发生运动过程的燃烧腔室区域，在每个计算时间步均基于
Cutcell
技术重新生成全结构化网格，并利用插值方法将原网格的流场和燃烧场数据映射至新网格
。
[0013]进一步地，所述定义局部多级加密网格尺寸步骤中，若不需要模拟燃烧腔室之间的密封漏气，则生成网格时转子顶部与缸体侧壁直接接触，三个燃烧腔室的计算网格互不连通；若需要模拟燃烧腔室之间的密封漏气，则生成网格时转子顶部与缸体侧壁留出
0.01
‑
1mm
的间隙，并在间隙位置处设置局部多级加密网格，三个燃烧腔室的计算网格相互连通，通过局部多级加密网格直接解析间隙的漏气过程
。
[0014]进一步地，所述步骤
S3
中，定义流场计算模型
、
燃烧计算模型具体过程如下：流场计算模型使用质量守恒方程
、
动量守恒方程
、
能量守恒方程
、
湍流方程构建，燃烧计算模型使用组分方程与有限速率燃烧反应方程构建；定义点火计算模型具体过程如下：在火花塞电极的中心位置设置球形点火区域，半径小于
2mm
，通过在球形点火区域内加入均匀分布的能量源项从而引燃混合气，将点火过程分为击穿与电弧
‑
辉光放电两个阶段，其中击穿阶段持续时间小于
0.1ms
，能量源项为
10
‑
100mJ
；随后的电弧
‑
辉光放电阶段持续时间为
0.3
‑
3ms
，能量源项为
10
‑
100mJ
；定义边界条件具体过程如下：进气口与排气口均采用压力边界条件，根据计算所需当量比
、
氢气能量百分比，设置进气口各组分质量分数，按照完全燃烧产物的组分质量分数设置排气口回流组分质量分数；初始化流体域参数具体过程如下：初始化设置流体域初始速度为零，初始温度与初始压力为环境温度与环境压力，流体域初始组分质量分数与进气口组分质量分数相同
。
[0015]进一步地，所述步骤
S4
中，进行天然气掺氢转子发动机燃烧过程的计算模拟具体过程如下：利用有限差分方法或有限体积方法或有限元方法对步骤
S3
中所述的流场计算模型
、
燃烧计算模型和点火计算模型对应的方程进行数值求解，从计算域的初始值开始，逐步迭代计算直至所需的发动机循环数，迭代的时间步长为
10
‑9‑
10
‑2s
，每个迭代步内质量
、
动量守恒方程
、
湍流方程
、
组分方程和能量方程的残差应收敛至
10
‑3‑
10
‑9以下
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种天然气掺氢转子发动机燃烧过程模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
：构建转子发动机的三维几何模型并划分包含流体域与边界的计算域；
S2
：定义流体域的基础网格尺寸
、
局部加密网格尺寸与自适应网格参数，基于
Cutcell
技术生成全结构化网格，定义动网格方法；
S3
：定义天然气掺氢转子发动机模拟燃烧过程的流场计算模型
、
燃烧计算模型
、
点火计算模型，定义边界条件并初始化流体域参数；
S4
：进行天然气掺氢转子发动机燃烧过程的计算模拟，导出并处理模拟结果数据
。2.
根据权利要求1所述的一种天然气掺氢转子发动机燃烧过程模拟方法，其特征在于，所述步骤
S1
中，划分流体域具体过程如下：将转子发动机三维几何模型内部划分为三个燃烧腔室
、
两个火花塞
、
一个进气管
、
一个排气管，共计七个流体域；划分边界具体过程如下：将转子发动机三维几何模型表面划分成进气口
、
排气口
、
进气管壁
、
排气管壁
、
缸体壁
、
转子壁
、
火花塞壁，共计七个边界
。3.
根据权利要求1所述的一种天然气掺氢转子发动机燃烧过程模拟方法，其特征在于，所述步骤
S2
中，定义流体域的基础网格尺寸具体过程如下：基础网格尺寸按需分布于几十微米至几毫米之间；定义局部加密网格尺寸具体过程如下：在燃烧腔室壁面
、
进气管壁面
、
点火区域与火花塞壁面处设置局部多级加密网格；定义自适应网格参数具体过程如下：在计算域内燃料质量分数
、
温度和速度的高梯度处设置自适应多级加密网格，自适应多级加密网格的参数为2级
‑7级；定义的动网格方法具体步骤如下：动网格方法使用网格重构法：针对发生运动过程的燃烧腔室区域，在每个计算时间步均基于
Cutcell
技术重新生成全结构化网格，并利用插值方法将原网格的流场和燃烧场数据映射至新网格
。4.
根据权利要求3所述的一种天然气掺氢转子发动机燃烧过程模拟方法，其特征在于，所述定义局部多级加密网格尺寸步骤中，若不需要模拟燃烧腔室之间的密封漏气，则生成网格时转子顶部与缸体侧壁直接接触，三个燃烧腔室的计算网格互不连通；若需要模拟燃烧腔室之间的密封漏气，则生成网格...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝衔琦，万凯迪，刘荣堂，卢茂奇，蒋崇文，
申请(专利权)人：北京航空航天大学宁波创新研究院，
类型：发明
国别省市：