| 单词 | 动力机械热力过程分析与模拟 |
| 释义 | 【动力机械热力过程分析与模拟】 拼译：analysing and modeling of thermodynamic processes in powering machinery 该研究方向旨在通过理论分析与数值模拟手段对热机中燃料化学能转变为热能乃至机械能的过程进行详尽而深入的探索，来透析以燃烧室为核心的诸热力学系统中各种物理化学过程的微观机理及宏观规律，从而为发动机的研制、生产和故障诊断等提供可靠的理论基础和迅捷而经济的途径。当前世界范围的能源短缺和控制污染的强烈呼声对热机提出了越来越高而往往又相互矛盾的要求。这使得传统的经验设计方法已经相形见绌；而基于现代计算机技术的数值分析和模拟方法则日益显示出其强大的生命力。它不仅可提供有关发动机工作性能和参数的大量宝贵信息，而且可在越来越大的程度上取代实验，从而降低发动机研制成本，缩短研制周期，产生巨大的经济效益。因而该研究方向是当前动力机械和工程热物理领域最为活跃的发展前沿之一。 借助数学工具分析热机的工作循环，并用以指导其研制和优化，这一方法可追溯到100年前内燃机诞生初期。当时的主要目标是开发对内燃机工作过程及其工质热力性质的合乎实际的近似算法。英国Clerk是内燃机工作过程循环模拟的首创者，他于1882年利用空气标准循环分析方法比较了各种内燃机的热效率。稍后，德国的Diesel和Otto分别提出了一系列具有不同燃烧方式(等压、等温和等容燃烧)的内燃机循环模型。但此后80年中，由于计算手段的限制，发动机循环模拟研究未能出现重大突破。这一时期的工作是集中提高燃气热力性质的计算精度。1936年，Hottel等人根据对各燃烧产物处于热平衡态的假定，制定出已燃混合气的热力性质图表，这对于发动机性能计算是一个有力的促进。20世纪60年代以来，随着现代计算机的飞速发展和广泛应用以及预测排放等实际需要的刺激，使得发动机热力过程分析与模拟的研究进入一个崭新的阶段。1964年，内燃机循环过程计算机模拟的第1本论文集在美国问世。此后，无论是工作过程还是燃烧过程的模拟都开始步入黄金时期。燃烧过程模拟(燃烧模型)燃烧不仅是内燃机热力过程的关键环节，而且对其总体性能乃至动力和机械特性都有举足轻重的影响。同时，内燃机气缸内湍流流动和燃烧过程具有强瞬变、强压缩、强旋流和各向异性的特点，其问题的典型性和复杂性在整个工程热物理领域也是少见的。因而燃烧模型不仅有重要工程实用价值，还具有促进相关学科发展的理论意义。30年来，内燃机燃烧模型的研究经历了放热率计算、零维模型、准维模型和多维模型4个阶段。所谓放热率计算是根据实测的示功图估算放热率。这并非严格意义上的数学模型，但它是零维和准维模型的重要基础。零维和准维模型都是用热力学原理分析燃烧过程，其控制方程是以时间为唯一自变量的常微分方程。零维模型把整个气缸视为均匀场，代表性的有1962年提出的Vybe函数模型及其多种改型以及王荣生1978年提出的V2g模型。准维模型把空间人为地分区，故能在一定程度上反映参数随空间的变化并预测排放。准维模型可分为两类：一是气相喷雾模型(如林慰梓，1975)，二是离散油滴模型(如广安博之，1976)。零维和准维模型方法简便，计算量小，现已广泛地应用于工程实际，但其中含有由实验确定的经验常数，故缺乏通用性。多维模型是热力学、流体力学、传热传质学、化学反应动力学和数值分析等学科的最新成果与现代计算机技术相结合的产物。它通过求解描述燃烧过程的质量、动量、能量和化学组分守恒的偏微分方程组，力求从本质上反映燃烧过程的细节和机理，从而对发动机的性能做出详尽的分析和预测，在应用上也具有普遍性。多维模型的研究始于70年代初，Spalding从理论和方法上对此做了开拓性工作。自1978年在底特律举行的往复式发动机燃烧模拟国际会议后，多维模型的研究呈现出空前的繁荣，新成果不断涌现。其中英国帝国学院Gosman为首的研究组和美国Los Alamos实验室的工作居领先地位。他们各自开发的大型三维通用计算软件EPISO和KIVA系列都具有详细模拟缸内湍流流动、燃油两相喷雾、辐射传热、燃烧放热和污染物形成的化学反应以及复杂几何形状的功能，目前已被各国广泛应用于内燃机的研究。总的看来，多维模型目前尚未完全成熟，其发展前景仍然十分广阔。工作过程循环模拟 所谓循环模拟是通过对发动机诸热力系统的功能及其相互关系的数学描述和求解，以实现对发动机各工作参数和整机性能的预测、诊断和优化。较早的循环模拟计算中，缸内燃烧率是根据实测的示功图用曲线拟合方法获得。进排气系统则采用忽略空间变化和非定常压力波动的容积法处理。1962年，Bensen成功地应用特征线法完成了排气管中压力波的计算，并由此建立起一整套用于内燃机循环模拟的较成熟的方法。近年来，采用不同格式的有限差分法和有限元法也发展较快，并显示出一定的优越性。同时，多种零维乃至准维燃烧模型也越来越多地应用于循环模拟。目前，国际上较流行的内燃机循环模拟软件主要有国际内燃机学会推荐的CIMAC程序和英国的MK－14。中国在这方面的研究也相当活跃，如大连理工大学已将准维燃烧模型纳入绝热柴油机的循环模拟，并得出了满意的预测。燃气轮机方面的研究 燃气轮机的正常工况是连续而稳定的，故与往复式发动机相比，其热力过程的模拟难度较小，目前已经可用计算流体力学和计算燃烧学的通用方法以及一些已经商业化的通用程序如PHOENICS等加以详细地模拟；当前研究重点主要集中在两方面：一是透平和压气机内三维粘性流的数值模拟；二是发展燃气轮机总能系统以实现能量的梯级利用，即开发以Brayton循环为核心的新热力循环，例如采用燃气轮机--蒸汽轮机联合循环，注蒸汽双工质循环以及功热并供等。随着计算机技术及各相关基础学科的发展，发动机热力过程分析与模拟的研究已经并将继续取得令人瞩目的进展。今后一段时期内，该领域的研究热点是：1．进一步深入探索燃烧室内各种物理化学现象，以改进和完善相应的子模型，例如燃烧室内气体湍流运动及其与燃烧的相互作用；燃油喷射与雾化过程的机理以及稠密两相喷雾内各种效应的模拟；燃料氧化及CO、HC和碳烟等污染物生成的化学反应机理及其简化模式等。2．工作过程循环模拟逐步实现从零维到多维的过渡，即用燃烧过程和进排气系统的多维模型取代目前广泛应用的零维和一维模型，从而大大增强预测能力，拓宽应用范围。3．采用先进的数值方法和计算技术(如并行算法)，大幅度提高计算效率。在此基础上，沿着两个方向强化模拟计算的功能：一是利用数学规划方法，实现对发动机部件乃至整机结构和性能的优化；二是把性能预测与结构设计结合起来，即把燃烧过程和工作过程的模型纳入发动机CAD系统中，逐步形成一个一体化的大规模实用软件包，从而直接转化为生产力。【参考文献】：1 Starkman，E S(Ed)，SAE Progress in Technology，Series 1964，72 Mattavi，J N(Ed)Combustion Modeling in Reciprocating Engines，New York：Plenúm 19803 Bensen，G．M．the Thermodynamics and Gas Dynamics of I．C．Engines，1982，1～24 吴仲华编．能量的梯级利用与燃气轮机总能系统．北京：机械工业出版社，19885 Ramos，J I ICE Modeling，Hemisphere Publ．Corp，19896 Amsden，A A，et al．KIVA－Ⅱ：A Computer Program for Chemically Reactive Flows，LA－11560－MS，19897 解茂昭，等．内燃机计算燃烧学．大连：大连理工大学出版社，1995(大连理工大学解茂昭教授撰) |
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