1、 船用低速机换气过程三维仿真与性能分析学科、专业 ：动力工程及工程热物理船用低速机三维仿真建模与性能分析摘 要船用低速机以其经济性好，工作稳定，功率大等优势成为了大型远洋船舶的主选动力源。低速机燃烧做功过程很大程度上受到了换气过程的影响。7G80ME-C 为大型船舶主机，输出功率较高，主机的尺寸较大，冲程达到了 3.72m，增加了换气过程中气体运动的行程，导致换气过程中增加了更多不稳定因素，复杂的气体运动会影响换气过程的效果，进而影响燃烧过程从而决定了船用低速机的整机性能，基于这一问题开展对换气过程的研究具有重要意义。本文主要基于智能船舶 1.0 研发专项，应用 simulink 建立了双区域
2、模型用来研究低速机的工作过程，其中换气过程方面在传统四冲程柴油机双区域换气模型进行了一定改动，为了提高仿真精度，提出了应用 CFD 软件进行换气过程的三维仿真计算，研究整个换气过程的具体情况与双区域模型互相验证。建立主机的物理模型，应用 CFD 计算软件完成模型的网格划分和计算。通过改变扫气口的数目、扫气口倾角、扫气口仰角以及扫气口布置位置进行了不同模型的计算，同时改变了主机的设计参数转速进行研究。最后应用 Ensight 进行三维结果的后处理，得到了温度、压力、气体流动速度、气体成分分布、进排气系统的质量流量等结果。对结果进行分析，研究了船用低速机的换气过程的影响因素。 通过计算分析，发现低
3、速机的转速对于换气过程具有明显影响，在船舶工况改变时刻，当转速增加时，扫气效率会降低，因此需要对应增加扫气箱压力。扫气口结构参数对换气过程也有明显影响，扫气口的仰角增加，会对换气过程气缸底部位置的清扫效果变弱，降低扫气效率。当扫气口的倾角增加时，会导致气体流动速度偏离气缸中心轴线较远，影响中心轴线位置的扫气效果。扫气口数目会影响扫气过程的流通面积，与流通速度共同决定进气效果。本文工作会对船用低速机的缸内流动研究提供一定的理论支撑。关键词：船用低速机 超长冲程 换气过程 CFD 扫气效率 船用低速机三维仿真建模与性能分析AbstractThe low-speed marine engine ha
4、s become the main power source for large-scale ocean-going vessels because of its good economy, stable work and high power. The combustion process of the two low-speed machines is largely affected by the ventilation process. 7G80ME-C is a large ship mainframe with high output power, large size of th
5、e main engine and stroke of 3.72m, which increases the stroke of airflow during ventilation, which leads to more unstable factors in the process of ventilation. The gas movement will affect the effect of the ventilation process, which in turn affects the combustion process and determines the overall
6、 performance of the marine low-speed machine. Based on this problem, it is of great significance to carry out research on the ventilation process. In the low-speed machine with DC scavenging, the scavenging port becomes an important part of the ventilation system. The structure and arrangement of th
7、e scavenging port greatly affect the entry of fresh air and the discharge of exhaust gas. In addition, the machine The design parameters also have a large impact on the ventilation process.This paper is mainly for the marine low-speed machine 7G80ME-C. In the special research project of intelligent
8、ship 1.0, SIMULINK is used to establish a two-zone model to study the working process of the low-speed machine. The two-zone ventilation model of the traditional four-stroke diesel engine has been modified. Therefore, verification of the model is required. This paper proposes a three-dimensional sim
9、ulation of the ventilation process using CFD software to study the specific situation of the entire ventilation process. The physical model of the host is established by using the mapping software CATIA, and the meshing and calculation of the model is completed by using the CFD calculation software
10、CONVERGE. The calculation of different models was carried out by changing the number of scavenging ports, the scavenging angle, the scavenging angle and the scavenging position. At the same time, the design parameter speed of the diesel engine was changed and calculated. Finally, Ensight was used to
11、 post-process the three-dimensional results, and the results of temperature, pressure, gas flow velocity, gas composition distribution, mass flow rate of the intake and exhaust system were obtained. The results are analyzed, and the influencing factors of the low-speed machines ventilation process a
12、re obtained. The verification basis for the marine 船用低速机三维仿真建模与性能分析low-speed machine working process model based on the two-region theoretical model is provided for the intelligent ship project.Through calculation and analysis, it is found that the speed of the low speed machine has a significant im
13、pact on the ventilation process. When the ships working condition changes, when the speed increases, the scavenging efficiency will decrease, so it is necessary to adjust the scavenging box pressure accordingly. The structural parameters of the scavenging port also have a significant influence on th
14、e ventilation process. The elevation angle of the scavenging port increases, and the cleaning effect of the bottom position of the cylinder during the ventilation process becomes weak. The increase of the elevation angle causes the exhaust gas of the cylinder shaft to be mixed, reducing the scavengi
15、ng efficiency. . When the inclination of the scavenging port is increased, the gas flow velocity is far from the central axis of the cylinder, which affects the ventilation efficiency of the central position. The number of scavenging ports will affect the flow area of the scavenging process, and the
16、 air flow rate will determine the air intake effect. This work will provide some theoretical support for the research of marine low speed machine.Key words: marine low speed machine, ultra long stroke, ventilation process, CFD scavenging efficiency船用低速机三维仿真建模与性能分析目 录第 1 章 绪论 .11.1 引言 .11.2 船用低速机气体运动
17、状态对工作状况影响 .11.3 船用低速机换气过程国内外发展 .21.3.1 船用低速机发展概况 .21.3.2 船用低速机换气过程研究现状 .31.4 课题研究意义 .71.5 本文工作与难点 .7第 2 章 船用低速机工作理论与建模 .92.1 船用低速机换气过程三维建模理论 .222.3.1 低速机工作过程建模基本原理 .232.3.2 湍流模型 .242.3.3 控制方程 .242.3.4 化学反应机理 .242.2 船用低速机换气过程三维建模流程总述 .92.3 相关软件介绍 .222.4 低速机工作过程建模 .252.4.1 物理模型建立 .252.4.2 三维模型建立 .262.
18、4.3 边界条件和初始条件的确定 .262.5 本章小结 .29第 3 章 船用低速机 7G80 试验设计与应用 .303.1 试验总体方案设计 .323.2 测试软件编写 .353.3 试验方案应用与测试结果 .323.4 试验方案准确性对比 .353.5 本章小结 .35船用低速机三维仿真建模与性能分析第 4 章 船用低速机工作过程分析 .383.2 仿真结果验证 .323.4 低速机换气过程分析 .373.4.1 换气过程缸内气体成分变化情况 .373.4 .2 换气过程缸内气体运动情况 .373.4.3 换气过程缸内气体状态分布情况 .373.5 低速机 燃烧过程分析 .373.6 低
19、速机工作过程影响因素分析 .373.6.1 转速对工作过程的影响 .373.6.2 循环供油量对工作过程影响因素分析 .373.6.3 压缩比对工作过程影响 .373.7 本章小结 .37第 5 章 船用低速机影响因素分析 .615.1 转速对低速机换气过程的影响 .465.1.1 稳定工况转速对低速机换气过程的影响 .465.1.2 动态工况转速对低速机换气过程的影响 .465.2 扫气口数目对低速机换气过程的影响 .465.3 扫气口倾斜角对低速机换气过程的影响 .465.4 扫气口仰角对低速机换气过程的影响 .465.5 扫气口布置位置对低速机换气过程的影响 .465.6 低速机换气过程
20、优化分析 .465.6 本章小结 .60结论与展望 .85硕士期间取得的成果 .94致谢 .95附录 .96第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 引言 自从内燃机被发明，在一百多年时间有了日新月异的发展。1876 年，德国人奥托首次提出了四冲程循环（即进气、压缩、燃烧、做功四个过程）的理论，在 1897 年，MAN 公司成功生产了第一台应用工程的柴油机 1。1904 年首次将柴油机应用到了船舶动力装置中。随后柴油机经过了 40 多年的发展，技术逐渐成熟。二冲程柴油机作为传统动力机械中的一种，具有功率范围广、热效率高、可靠性强、启动性能好、维修便捷、运行安全以及使用寿命长等优点，在相同转速和
21、尺寸的情况下，发出功率为四冲程柴油机的 1.61.8 倍 2。选择船舶主机，人们最关注的问题是经济型、可靠性以及使用寿命等。二冲程柴油机以其冲程长、转速低、燃油要求低等优点，有效改善了船舶、主机以及螺旋桨的匹配关系，提高了轴系传动效率以及推进效率 3，同时降低了燃料的费用，成为大型船舶中的主机首选 4。现阶段对二冲程柴油机的研究主要针对两个方面，一是燃油喷射系统改进，二是换气过程以及燃烧过程进行改善，主要对换气系统进行优化设计，提高残余废气的清扫效果，利用分层扫气，改善换气效果，增强湍流强度，提高燃烧效率，改善经济性能和排放性能 5。根据换气过程气缸中气流运动路线的不用，将二冲程柴油机换气形式
22、分为两大类，包括直流和弯流两种扫气形式 6。弯流扫气的基本工作方式为新鲜空气自下而上运动，然后自上而下运动清扫残余废气。而直流扫气的工作方式为新鲜空气从气缸底部进入，自下而上盘旋运动，实现残余废气的清扫。目前大多数船用主机选用的扫气方式为排气阀扫气口形式，主要结构包括均匀分布在气缸底部的一圈扫气口和气缸盖上安装的排气阀两部分 7。扫气口在横向和纵向都有一定倾斜 8。扫气进行时，新鲜空气从扫气口进入，沿着气缸中心轴线向上运动清扫废气至气缸盖的排气阀位置排出 9。新鲜空气的运动可以分为向上运动和绕气缸中心轴的旋转运动运动。旋转运动可以使得新鲜空气形成一层气垫，减小与参与废气的掺混 10。排气阀的运
23、动受到排气凸轮的控制，不会受到活塞运动的影响，所以会出现排气阀在扫气口之后关闭、同时关闭或者比扫气口更早关闭。与弯流扫气相比，直流扫气使得扫气行程减小了一半，缩短了流动路线，避免出现扫气死角和气流短路现象，减弱了残余废气与新鲜空气的掺混，扫气效果较好 11。随着第 1 章 绪论2二冲程柴油机的不断发展，对换气系统也进行了不断改进。为了适应大型船舶，二冲程柴油机行程越来越大（如超长冲程柴油机 7G80ME-C 冲程达到了 3720mm） ，使得扫气过程气流运动的距离增加，气流运动不确定性增加，对扫气效果影响增强，所以对换气过程的研究越发重要 12。图 1.1 燃烧室及排气阀部位如图 1.1 所示
24、为 7G80ME-C 气缸模型中燃烧室部分，图中可以看出排气阀在实际工作过程中，其控制结构比较复杂，同时排气阀控制机构与气缸盖之间的连接部分也明显存在空隙。观察活塞的结构，可以看出活塞内部含有冷却液运动的空腔，在柴油机的工作过程模拟中，将这些结构都进行了一定成都的简化。第 1 章 绪论3图 1.2 扫气口部位图 1.2 为气缸扫气口部位的剖面图，在气缸的下端位置可以看到扫气口呈阵列分布在气缸圆周上，从剖面图中可以看出实际上气缸壁具有一定厚度分布，但是在应用CFD 软件进行计算时将气缸避免进行了简化，忽略了气缸壁内部的冷却液流动通道。1.2 柴油机换气过程的研究为了更加准确有针对性的研究二冲程柴油机的缸内工作过程情况，需要了解其工作过程中与传统四冲程柴油机的区别，首先要了解二冲程柴油机的工作过程原理，主要包括如下过程：（1）活塞运动到下止点附近位置的时候，此时排气阀和扫气口都处于打开状态，扫气箱中的新鲜空气由于压力差的作用下，经过扫气口进入气缸，缸内存在的废气经过排气阀流入排气道排出。（2）活塞经过下止点以后向上运动，经过扫气口上端边缘后扫气口关闭，开始进行压缩过程，在此过程中，缸内气体的压力温度以及运动强度升高。（3）当活塞到达上止点位置的时候，喷油器开始工作，燃油进入气缸中，经过破
