HSDI柴油機霧化與排放特性瞬態多維建模和數值研究（簡體書）

本書旨在研制用于內燃機設計和研究的計算機仿真優化工具，探索內燃機節能和降低有害排放的理論和方法。本書對于網格算法、多維建模、CAE／CAD集成化、燃油霧化以及排放等5方面的研究進行詳細的描述。 第一，提出了內燃機缸內復雜空間動態網格的生成算法，研制了用于多維模型的前處理器。提出將缸內網格劃分成動態區和靜態區，分別進行網格計算的方案；對動態區的網格提出運動方向的網格增減方法；對于垂直氣門，采用氣缸截面網格的插入方法；對于斜置氣門，采取動態網格的漂移計算等方法。 第二，改進內燃機KIVA仿真軟件代碼，進一步耦合柴油機缸內多種物理和化學子模型，構建內燃機工作過程分析的多維模型。提出雙精度算法，創建基于PC計算機硬件的柴油機缸內工作過程多維模型分析仿真平臺ICFD—CN。實驗表明：多維模型能夠模擬缸內壓力、缸內放熱率和燃油消耗率，其變化趨勢與實驗吻合較好，數值誤差小。在模擬缸內NOx和SOOT排放時，其變化趨勢與實驗吻合較好。 第三，通過采用缸內性能等值線和深度緩存消影算法，提出基于內容、時間和空間3因素的多維模型計算結果提取和傳遞方法，提出CAE／CAD集成化數據傳遞的重要圖形文件的設計方法，原創多維模型后處理可視化模塊代碼，設計圖形文件無限和有限命名方法，研制了內燃機多維模型仿真可視化系統，實現了HSDI柴油機工作過程多維模型分析CAE／CAD集成化。 此外，提出了采用多維模型工具研究柴油機霧化和排放的方法。分析IISDI柴油機的霧化特性，獲得了1137型柴油機燃燒時噴射燃油不同狀態的時空分布規律，建立了1137型柴油機霧化特性與燃燒、排放以及柴油機經濟性和動力性的聯系。最后，獲得了1137型柴油機NOx和SOOT排放特性，給出了1137型柴油機NOx和SOOT排放隨時間和空間的變化規律、SOOT的生成和氧化歷程，獲得了大量設計參數對于NOx和SOOT排放特性的影響規律。 總之，本書的網格算法研究結果解決了CAE分析中關鍵的網格計算和耦合問題，在內燃機CAE分析和其他的數值計算應用領域都具有重要參考價值。多維建模研究結果對于內燃機設計和研究手段的現代化，對于我國節能和環保事業都是重要的科學支持。此外，對于計算機仿真、數值分析和計算流體動力學等學科走向應用也具有一定的推動作用。CAE／CAD集成化研究結果不僅是HSDI柴油機的CAE分析的重要技術支持，而且對于其他內燃機和其他工程領域的CAE技術、計算機應用的發展具有參考價值。 燃油霧化和排放研究結果不僅為提高柴油機燃油經濟性和滿足排放法規要求提供了策略和研究方法，而且還對于其他排放物、其他燃料內燃機的霧化和排放研究同樣具有重要作用。尤其是在特殊工況下的霧化和排放研究更能體現其價值，運用它會大大地減少試驗設備投資，節約試驗成本。

劉金武，1963年生，男，工學博士，原湖南工程學院教授，現為廈門理工學院教授，國家自然科學基金通訊評委，湖南省自然科學基金評委，湖南省內燃機學會理事，湖南省黨外知識分子代表人物，湖南省知識分子聯誼會理事，湖南省無黨派代表人士。1984年以來，先后從事船舶工程、機械工程和動力工程學科的高等教育和科學研究工作。研究方向是內燃機工作過程多維模型建模和仿真。發表相關學術論文60余篇，其中，E1、SCI和ISTP三大檢索系統收錄13篇，主持和參與國家、省級課題20余項，獲國家專利2項。主要課題有：主持車用發動機虛擬實驗平臺研制（湖南大學國家“985”二期工程子項目），主持內燃機燃燒污染物形成歷程數字化解析方法研究（湖南省自然科學基金項目07JJ6077），主持內燃機燃燒過程計算機仿真平臺的二次開發（湖南省教育廳科研項目03c131），主持KIVA計算結果的可視化技術研究（湖南工程學院科研項200201），參與湖南省自然科學基金項目（02jjy4034）“基于敏捷制造的數據傳遞技術研究”，參與湖南省自然科學基金項目（06JJ20018）“車用微粒捕集器復合再生過程氣粒兩相流動及燃燒數值模擬”等。

第1章 緒論
1.1 課題的背景與意義
1.1.1 HSDI柴油機霧化特性的研究意義
1.1.2 HSDI柴油機排放特性的研究意義
1.1.3 HSDI柴油機工作過程多維模型研究意義
1.2 HSDI柴油機霧化特性的研究概況
1.2.1 高壓渦流噴油器內部流動
1.2.2 射流的流體動力學行為
1.2.3 射流蒸發過程
1.2.4 射流碰壁過程
1.3 HSDI柴油機排放特性的研究進展
1.3.1 噴射策略與NOx和微粒排放
1.3.2 EGR和增壓與NOx和微粒排放
1.3.3 同時減少NOx和微粒
1.4 HSDI柴油機工作過程多維模型現狀
1.4.1 復雜空間三維動態網格生成技術
1.4.2 缸內流體動力學研究的多維模型
1.4.3 基于CFD的缸內霧化特性的多維模型
1.4.4 基于CFD的燃燒和排放特性的多維模型
1.5 課題來源與選題目的
1.6 本課題擬解決的關鍵問題
1.7 本課題的主要工作
第2章 HSDI柴油機缸內復雜空間動態網格算法研究
2.1 本章引言
2.2 數值算法
2.2.1 算法基礎
2.2.2 缸內動態網格算法
2.2.3 氣缸截面網格算法
2.2.4 斜置氣門頂面和底面運動區升程方向網格算法
2.2.5 節點漂移算法
2.3 結果與討論
2.4 本章小結
第3章 基于多維模型的HSDI柴油機霧化研究
3.1 本章引言
3.2 霧化模型與公式
3.2.1 燃油在噴嘴孔內的流動模型
3.2.2 KH模型
3.2.3 Taylor類比破碎模型
3.2.4 油滴蒸發模型
3.2.5 射流碰壁模型
3.3 數值計算
3.4 結果與討論
3.4.1 物理參數對于未燃油質量的影響
3.4.2 空燃比對于混和氣分布的影響
3.4.3 轉速對于混和氣分布的影響
3.4.4 進氣溫度對于混和氣分布的影響
3.5 本章小結
第4章 HSDI柴油機缸內行為瞬態多維建模與驗證
4.1 本章引言
4.2 多維模型與算法
4.2.1 多維模型體系結構
4.2.2 模型與公式
4.2.3 數值算法
4.3 實驗與仿真
4.3.1 實驗設置
4.3.2 實驗方案
4.3.3仿真方案
4.4 結果與討論
4.5 本章小結
第5章 基于多維模型的HSDI柴油機排放研究
5.1 本章引言
5.2 排放模型與公式
5.2.1 Surovikin碳煙生成模型
5.2.2 Nagle碳煙氧化模型
5.2.3 Zel'dovich氮氧化物生成模型
5.3 數值計算
5.4 結果與討論
5.4.1 空燃比對NOx和S00T生成和氧化的影響
5.4.2 轉速對NOx和SOOT生成和氧化的影響
5.4.3 進氣溫度對NOx和SOOT生成和氧化的影響
5.5 本章小結
第6章 柴油機多維模型CAE／CAD集成化技術研究
6.1 本章引言
6.2 數值算法
6.2.1 正軸測圖的投影變換矩陣
6.2.2 正軸測圖的消影算法
6.2.3 缸內性能等值線算法
6.2.4 基于CAE／CAD集成的數據提取與傳遞方法
6.3 結果與討論
6.3.1 無限圖形文件與有限圖形文件生成
6.3.2 ICFD—CN后處理可視化模塊的程序結構
6.3.3 HSDI柴油機缸內性能等值線圖和網格消影圖
6.4 本章小結
結論與展望
參考文獻
致謝
附錄A 公開發表的相關學術論文目錄
附錄B 內燃機缸內行為仿真平臺(ICFD—CN)可視化模塊代碼