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[硕士论文] 苏飚
机械工程;车辆工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:排放是发动机性能的重要指标,使用替代燃料是一种降低发动机排放的有效方式。多种替代燃料的混合使用,可以通过合理选择燃料和掺烧比例以及优化发动机喷油进气等参数,在发动机动力性损失不大的情况下,保证发动机的排放性能,且通常替代燃料的经济性高于传统燃料。
  因此,本文在调研分析多燃料发动机的研究背景、意义以及发展现状的基础上,研究了不同物态多种燃料确定最佳掺烧比例的理论与方法和最佳掺烧比例下多燃料发动机排放和性能,并分析最佳掺烧比例下多燃料发动机进气过程中进气道和缸内的速度场与湍动能场,具体工作如下:
  首先,根据原机主要结构参数,利用CATIA和ICEM软件分别建立了发动机几何模型和网格模型。根据均匀设计的思想,设计了15种不同工况的均匀实验,通过分配燃空比实现多燃料掺烧比例的分配,利用有限体积法和动网格技术,借助FLUENT对多燃料发动机进行数值模拟,得出15种不同工况下发动机扭矩值以及CO、NOx、HC、Soot排放值。
  其次,利用打分法确定了低转速中等负荷、中等转速中等负荷、高转速中等负荷三个工况下扭矩、CO、NOx、HC、Soot各项功能指标的权重。根据价值工程基本原理,计算出三种工况下成本系数和功能系数,得出价值系数,从而得到了三种工况下的最佳掺烧比例。采用这三种工况下各自的最佳掺烧比例,选取发动机负荷为50%,与原机的动力性与排放相比,扭矩略差于原机,但动力性损失不大,CO、NOx、HC、Soot排放均较原机有所改善,排放性能提高。
  最后,通过对进气过程中进气道和缸内的速度场与湍动能场的分析,得到了发动机进气过程中进气道和缸内的涡流变化。进气门杆两侧产生的两个流速较大的涡流和进气门杆下方形成的流速较小的涡流,对发动机缸内气体的混合和燃烧起着非常有利的作用。
[博士论文] 茆志伟
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:活塞式发动机是众多关键装备的核心动力机械,在车辆、船舶、电力和油气田勘探输运以及工程机械等国民经济重要领域有着广泛的应用。但恶劣的工作条件、复杂的机械机构、以及多变的工况状态使得活塞式发动机故障频发;部分机械故障的发生与发展较快,极易导致设备损毁。发动机恶性故障不仅会造成严重的经济损失,甚至导致人员伤亡,影响恶劣。目前普遍采用的活塞式发动机传统监测诊断方法已经越来越不能满足工业现场日益提升的实际诊断需求。因此,通过现代信号处理方法提取故障特征,并开展活塞式发动机监测诊断方法研究,进而在故障早期及时诊断故障,对提高活塞式发动机的运行安全性、可用性、及可靠性具有极其重要的意义和价值。
  本文以活塞式发动机为研究对象,以提高典型故障监测诊断水平及其工程应用效果为目标,从故障诊断机理特征的研究出发,通过动力学仿真计算及信号处理方法提取故障敏感特征,进而研究典型故障监测诊断方法及瞬变工况监测评估方法,并利用实验和工程实际故障数据进行方法验证。论文主要研究内容如下:
  首先,基于动力学建模仿真计算开展典型故障机理特征研究。分别针对气门间隙异常故障、连杆轴瓦敲击故障和传动轴系故障,建立三维实体模型和动力学仿真模型,通过模型参数调整和仿真参数设置进行故障仿真模拟,获取关键零部件动力学响应变化规律,捕捉故障机理特征,并通过实验实例和工程实例进行验证。
  其次,基于活塞式发动机信号特点开展信号处理及特征提取方法研究。提出了一种通过尺度参数控制包络线形状连续变化的振动信号包络方法,实现了振动包络线的平滑程度和紧致程度可连续调整,为振动信号的包络分析提供了新技术;同时将该信号包络方法引入到经验模态分解中,在信号筛选过程中优选包络线,提升了其自适应分解能力;此外,提出一种瞬时转速精确计算方法,为瞬时转速特征的准确提取和瞬变工况下角域精确重采样奠定基础。
  然后,基于典型故障动力学仿真研究结果,利用信号处理和特征提取方法,开展活塞式发动机典型故障监测诊断方法研究。分别提出了基于冲击起始相位精确提取的气门间隙异常故障诊断方法、基于变分模态分解的连杆小头轴瓦敲击故障诊断方法、以及基于多参数证据加权融合的失火故障诊断方法,并进行了实验验证。并对发动机典型故障在线监测与诊断系统的系统构架、测点布置和典型故障诊断算法进行了设计。
  最后,针对发动机非稳定工况,结合振动和瞬时转速在非稳定工况特点,基于瞬时转速角域精确重采样方法及特征提取方法,开展活塞式发动机非稳定工况监测评估方法研究。提取能够表征开机状态的角域振动冲击特征及瞬时转速敏感特征,提出基于灰色评价法的单缸做功能力监测评估方法和基于状态隶属度计算的整机启动性能监测评估方法,为发动机非稳定工况的监测评估提供了新途径。
[硕士论文] 李耀琦
动力工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:柴油机设计过程中的评估工作是柴油机设计研发中的一个重要环节,而评估工作进行的完善程度是制约柴油机设计研发进程的一个重要因素。在国外,诸如FVE、AVL等公司都有完整的柴油机设计评估体系,而我国目前仅有针对柴油机单一零件或性能的评估研究,缺少对柴油机整体设计过程的完整评估体系与完善的评估方法。这导致我国在自主研发柴油机的工作中,不得不借助国外先进的评估体系,大大延缓了我国自主化柴油机的研发进度。为了建立我国自主的柴油机设计评估体系,整合现有评估经验,在柴油机研发过程中实现“同步设计,同步评估”,本文以建立柴油机设计评估系统为目标开展了相关工作。
  首先,本文完成了柴油机设计评估系统的总体功能设计,针对柴油机设计评估过程中技术指标分解落实情况,通过理论分解和指标传递关系对柴油机设计评估的八大主要技术指标进行分解研究;为评估系统中指标分解树搭建以及评估数据库的结构奠定基础。另外,结合柴油机设计评估经验,根据柴油机设计阶段的不同,对方案设计阶段与技术设计阶段的评估方法开展研究,提出了一种评估参照标准。
  其次,基于JAVA语言环境开发设计了大功率柴油机设计评估软件系统,系统包括指标分解树、设计评估准则、校核计算评估以及评估数据库等四部分。突破了与第三方专业软件数据通信的技术难点,实现评估系统管理模块和专业计算软件协调运行的功能,提升校核评估计算运行效率,同时该系统为后续功能扩展提供接口。
  最后,根据评估系统技术设计校核计算需求,基于GT-POWER软件,建立了某型柴油机的一维工作过程仿真模型,完成了模型标定。并对方案设计阶段的配气参数设计和喷油器参数设计进行校核计算分析评估。校核计算得到优化配气参数和喷油器参数结果,可以指导技术设计阶段系统详细设计工作。
[硕士论文] 付星豪
动力工程 大连海事大学 2018(学位年度)
摘要:压气机中由于存在着逆压梯度和横向压力梯度,在运行过程静叶易发生角区分离现象,甚至诱发角区失速,严重影响了压气机的运行稳定性。对于近失速工况下静叶的气动实验研究,扇形/环形叶栅最具代表性,在风洞叶栅实验台上进行扇形/环形叶栅实验具有实验成本相对低廉、实验安全性高等优点,但风洞叶栅实验台只能提供近似均匀的来流条件,压气机中静叶的来流条件是不均匀的,尤其在近失速工况下,来流条件的不均匀度更高。在实验叶栅前加装入口导向叶栅可以使气流发生预旋,使来流更接近真实工况,并且可以在其后的静叶栅内营造与压气机中近似的流场环境,提高实验的可靠性和精准度。
  本文以某改型轴流跨声速压气机静叶为研究对象,以其近失速工况下典型流动特征为设计目标,应用设计软件NREC作为辅助手段对扇形叶栅入口导叶进行了设计,并且进行了扇形叶栅设计。
  首先,应用数值模拟软件CFX对压气机从设计工况到近失速工况的一系列工况点进行了数值计算,并对比近失速工况下与设计工况下静叶的流动特征,选择出近失速工况下的典型流动特征作为设计目标。
  然后,以近失速工况下静叶的进口条件为辅助目标进行了导叶叶型设计,得到的导叶叶型无法营造与设计目标相似的静叶流场环境,本文在叶型设计基础上尝试子午面修型设计,结果表明修型设计使静叶流场与设计目标相吻合,在静叶吸力面发生了大尺度的角区分离现象。
  最后,应用导叶的叶型和子午面通流形式进行了扇形叶栅设计。并设计了两种抽吸口形式进行了侧挡板抽吸,数值模拟结果表明方案SUC2-3%拓宽了出现角区分离现象的静叶范围,增加了可测量流道数。对所有导叶分别施以+2°和-2°位移,改变了导叶、静叶的相对位置,数值模拟结果表明改变导叶位置,导叶尾迹发生移动,使得不同位置的静叶发生了角区分离,并且改变了静叶栅中的马赫数分布。
[硕士论文] 马超
农业机械化工程 东北林业大学 2018(学位年度)
摘要:柴油发动机由于动力足、运行成本低、可靠性强等优点一直受到人们的青睐,尤其是在重型货运车的应用上具有不可替代的地位。但是,柴油发动机所产生的NOx和PM等污染物对环境的污染相比汽油车更为严重,因此柴油发动机的尾气处理受到广泛的关注和研究。近年来,低温等离子体(Non-thermal plasma,NTP)净化汽车尾气技术在汽车尾气处理中逐步受到人们的重视,本文将参考国内外对低温等离子体净化柴油车尾气中NOx和PM技术的基础上,设计了等离子木纤维净化器,并对等离子木纤维净化器净化柴油车尾气中NOx和PM的净化性能进行了研究。
  本文通过查阅国内外关于低温等离子体以及低温等离子体净化柴油车尾气的相关理论,对比分析了低温等离子体产生的几种方式,最终选择利用介质阻挡放电产生低温等离子体,并结合微米木纤维过滤PM技术,提出了等离子木纤维净化器。依据D170F柴油发动机对等离子木纤维净化器进行了结构设计,然后分析了等离子木纤维净化器中所涉及的温度场、电场、流场等多种物理场,建立了针对等离子木纤维净化器的多物理场耦合模型,通过使用Comsol多物理场耦合仿真软件对该耦合模型进行了仿真分析,研究了多物理场耦合下净化器内部产生电场强度的分布云图,对等离子木纤维净化器设计提供了电学参考。
  其次基于LabVIEW虚拟仪器和等离子木纤维净化器的自身特性,设计了相匹配的净化器性能检测系统。本系统硬件主要包括气体浓度传感器、温度传感器、压力传感器、信号调理模块以及PCI-1710数据采集卡;软件部分主要包括基于G语言编写的数据处理与界面显示程序,并通过NI MAX驱动程序对该系统进行了虚拟仿真测试,经过测试,该系统具备稳定采集数据信号的功能。
  等离子木纤维净化器的发动机台架试验是对其性能检测的必要手段,因此本文最后搭建了等离子木纤维净化器发动机台架系统,该系统主要包括了等离子木纤维净化器、冷却器、稀释系统以及数据采集系统。通过发动机台架试验,主要研究了不同放电电压、不同尾气温度等因素对等离子木纤维净化器净化性能的影响,同时利用SEM电镜和EDAX能谱分析仪对电压处理后的木纤维表面进行了对比分析。
[硕士论文] 王赛
动力工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:随着我国经济的快速发展,对能源的需求量越来越大,因此有必要提高一次能源的利用率,高炉炼铁时产生的大量高炉煤气能够解决上述问题。但高炉煤气是低热值气体,点火困难、燃烧稳定性差、容易发生熄火现象。等离子体的点火助燃强化燃烧技术具有点火延迟时间短、点火能量高及活化助燃等优点,能够提高低热值气点火可靠性和燃烧稳定性。
  本文首先在一维反应器中分析等离子体助燃条件下的高炉煤气燃烧过程并简化反应机理。再以100kW微型燃气轮机燃烧室为研究对象,根据燃料燃烧特性运用数值模拟对燃烧室结构进行改进和优化,并研究不同边界条件下等离子助燃和点火的燃烧室燃烧性能。本文的主要工作内容为:
  (1)借助化学动力学软件CHEMKIN中密闭、均匀、完全混合反应器模型对低热值气体高炉煤气进行等离子体点火助燃燃烧特性分析,结果显示添加活性粒子氧原子后,点火延迟时间缩短,化学反应进程加快;通过敏感性分析简化GRI3.0机理为19步反应机理,并验证了简化机理的可靠性。
  (2)以100kW微型燃气轮机燃烧室为研究对象,根据燃料燃烧特性对燃烧室进行结构改型。然后采用数值模拟的方法对原型及改进后的燃烧室的燃烧流场进行了研究,确定燃料进口的边界条件质量流量为0.12kg/s。分析等离子体助燃对燃烧室的强化作用,结果表明当活性粒子O的浓度为2%时,燃烧效率从97.7%增加到99.5%,达到强化燃烧的效果。
  (3)基于优化改型后的燃烧室进行几何模型头部简化,确定点火位置,通过点火器性能参数研究,确定最优参数。结果表明,当等离子体点火时,点火能量E=10J,点火持续时间为10ms。当高能点火时,点火能量E=160J,点火持续时间为20ms。
[博士论文] 卜诗
轮机工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:提升透平燃气初温可以有效提高燃气轮机的输出功率和循环热效率,随着透平初温的逐年提升,现有金属材料的熔点远低于叶片工作的环境温度,因此需要对叶片进行有效的保护。普通气冷叶片内部采用带肋蛇形通道、尾缘柱肋以及前缘冲击相结合的冷却方式,相比之下,交叉肋作为一种特殊的内部冷却形式,相比普通冷却结构流阻更大、传热更强,结构强度更高。以往对交叉肋结构的研究力度不够,缺乏详尽的实测传热数据和几何因素影响分析,没有具体的结构优化工作和实际应用中多种因素对冷却性能的影响分析,同时缺乏与普通冷却结构的量化对比。本文通过风洞实验和数值模拟,详细地分析了交叉肋通道的传热分布、流场结构和强化传热机理,对基本几何参数进行优化并考察了多种扰动因素的影响。进行多工况流动传热计算,分析抽吸孔和不同出流方式等因素对内部冷却的影响。综合采用风洞实验和数值模拟将交叉肋和柱肋作全面的对比分析,评价两者的性能优劣,通过将交叉肋和柱肋混合使用,大幅提高通道的冷却性能。论文积累了大量的冷却性能数据,为交叉肋的性能预测提供了方法,为结构优化指明了方向。主要工作如下:
  1.基于瞬态热敏液晶的测量原理,设计搭建用于内部冷却机理研究的风洞试验台,设计搭建用于液晶标定的实验台架,将标定获得的液晶色调-温度对应关系用于风洞传热实验,给出了传热系数测量的不确定度。通过对光滑通道和典型带肋通道的传热测量,验证实验装置的准确性和可靠性。结果表明所搭建的基于瞬态液晶技术的风洞实验台可以理想地测量对流传热系数。
  2.制作典型交叉肋通道模型,测量多工况下的通道总压损失和传热分布,考核多种不同的流动模型。基于大涡模拟获得的流场,利用场协同原理分析交叉肋通道中的流动结构和强化传热机理,揭示流场和传热分布之间的关系。结果表明侧壁折角制造的大尺度强制纵向涡是交叉肋通道传热强化的根本原因。
  3.研究肋倾角、阻塞率和通道密度三种结构参数对冷却性能的影响。基于数值模拟结果并基于二次响应曲面法,在固定冷却空间中布置扰流结构,考察各基本几何因素对冷却性能的共同影响,获得基于各性能指标的寻优方向。通过回归分析得到阻力、传热和综合热效率随基本几何参数变化的二次多项式,可用于冷却通道的性能预测。结果表明肋倾角的影响最显著,较稀疏的通道可以获得较高的综合热效率。
  4.分析抽吸孔对交叉肋通道流动传热性能的影响,考察在冷气量减少的情况下内部冷却能力的变化。通过正交分析,获得抽吸孔不同设计方法对内部流场和传热的影响程度,评价在损失一定冷气量的条件下,孔径、孔位置和孔密度三种因素对交叉肋通道冷却能力和传热分布的影响。结果表明,抽吸孔在子通道中的展向位置的影响最明显,相比无抽吸通道,带抽吸孔通道的综合热效率最高可提升6%~7%,抽吸孔附近的传热大幅增强。
  5.研究不同出流方式对交叉肋内部冷却的影响。对带侧向出流时,出流孔多种布置形式下的内部流场和传热进行分析,考察出流位置,出流孔尺寸和出流角度的影响。寻求在内部冷气量沿程减少的情况下,如何保持和提高通道内部的冷却能力和综合热效率。在具有侧向出流的交叉肋通道中,考察是否同时存在顶部出流条件下通道内的流场和传热变化及对冷却性能的影响。结果表明,出流孔位置的影响最为显著,由于流动堵塞的缓解,侧向出流可在保持平均传热强度的同时提高综合热效率。
  6.鉴于交叉肋具有比柱肋更高的结构强度,将其用于叶片尾缘代替传统柱肋具有一定的潜力。本文全面对比交叉肋和柱肋两种结构的性能优劣,通过风洞实测和数值模拟获得密集交叉肋、稀疏交叉肋,叉排圆柱肋和叉排方柱肋的流阻和传热特性,创造性地提出将两者混合使用的方法,以提高整体的流动传热性能,同时考察混合结构中扰流柱排布和尺寸的影响。通过耦合传热计算,结合材料温降以及温度分布进一步评价交叉肋、柱肋和混合结构的冷却性能。结果表明,混合结构的综合热效率可比纯柱肋结构高出26%~38%,混合结构可在柱肋基础上将材料平均温度进一步降低100K。
[硕士论文] 袁帅
动力工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:涡轮增压技术因其显著提高进气流量,改善燃烧,提高经济性,降低排放而被广泛应用于提高柴油机性能,然而由于工作形式不同使传统增压系统难以兼顾柴油机全部负荷工况。相继增压技术可以有效解决低负荷下柴油机与增压器匹配矛盾,提高了非设计匹配工况的性能,拓宽了柴油机运行范围;两级增压技术能大幅提高增压比。为发挥两级增压与相继增压技术的优势,本文基于某型高速船用柴油机建立了两级相继增压柴油机一维仿真模型,确定了不同运转特性下1TC(仅基本增压器投入工作)/2TC(基本增压器与受控增压器均投入工作)切换工况,并进行了瞬态过程仿真计算,最终确定了控制策略。具体内容如下:
  (1)基于GT-power软件建立了柴油机一维稳态仿真模型,并进行了原机负荷特性试验,并完成模型校准。在此基础上将原机增压系统改为两级相继增压系统,并高、低压级增压器的选型匹配,确定增压器型号;设计两级相继增柴油机试验台管路布置方案。
  (2)基于两级相继增压柴油机模型计算稳态工况下万有特性和推进特性下柴油机性能,结果表明,柴油机在匹配了两级相继增压系统后,与原机相比,进气压力与空燃比大幅提高,在全工况范围内燃油消耗率降低,并根据经济性最佳原则确定了不同运转特性1TC/2TC的切换边界工况。
  (3)应用Matlab/Simulink与GT-power软件耦合建立了两级相继增压柴油机一维瞬态仿真模型,进行了推进特性下受控增压器切入/切出瞬态过程计算,以及万有特性下跨切换边界的突加减载荷的瞬态过程计算,分析了不同的燃气阀、空气阀的启闭时间间隔对柴油机瞬态性能的影响,确定两种运行特性下受控增压器切入、切出最佳控制策略。
  (4)在两级相继增压柴油机一维稳态模型基础上,以最大机械负荷为限制条件,进行了可调两级相继增压系统与柴油机匹配研究,并以经济性最佳为原则,确定可调两级相继增压高压级涡轮旁通阀的控制策略。
[硕士论文] 李磊
车辆工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:随着愈发严格的排放法规的实施,业界对发动机动力性、经济性和排放等方面提出了更高要求,发动机电控技术被视为解决此类问题的有效手段。然而电控技术的发展使得其控制策略越发复杂,发动机需要标定优化的参数变得越来越多,某一性能指标所涉及的变量间关系也更加复杂。因此,发动机标定技术的研究不断深入,同时也对发动机标定系统和软件提出了更高的要求。标定软件作为控制参数优化标定的重要工具对提高标定效率以及降低标定成本至关重要。
  论文主要研究内容有三个部分,第一部分对发动机电控系统控制参数匹配标定方法进行了研究,分析了各自优缺点,并重点结合某新型电控发动机,采用联合Boost和Matlab的基于模型预标定方法对其进行研究。主要完成了:(1)利用Boost建立发动机的物理模型;(2)设计发动机的试验工况点;(3)建立发动机数学模型;(4)利用MBC工具箱进行标定优化。第二部分对电控标定系统开发中涉及的标定软件进行研究。结合标定软件的功能需求,设计开发一款基于LabVIEW的ECU标定软件,对其各主要功能模块进行详细分析设计,主要包括CAN总线收发模块、CCP驱动模块、数据标定功能模块、ASAP2文件解析模块、数据采集模块等。第三部分是对设计开发的电控发动机标定系统软件进行了初步的试验验证。采用空燃比分析与排气分析相结合的方法,在某新型电控发动机上进行了初步的匹配标定试验,主要完成了基本控制参数MAP的制取,获得了HC和CO的排放数据,并实现了对发动机状态参数的在线实时监控。
  综合本文的研究结果来看,采用联合Boost和Matlab的基于模型预标定方法,不仅能提高发动机的经济性和动力性,而且还能使开发设计者在发动机设计之初通过预标定,对其性能进行初步预测,为后期的设计提供必要的依据。通过标定软件的开发与初步的试验验证,其试验结果进一步验证了整个标定系统的功能,表明新研发的标定软件基本上达到预定的要求。
[硕士论文] 杨润佳
动力工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:进排气噪声是内燃机最主要的噪声源,控制内燃机进排气噪声最简单的措施就是采用消声器。通常,在进行消声器声学性能计算时,默认壳体为刚性壁面,忽略了消声器壳体向外辐射的声能量,即只考虑声波通过管口的辐射。实际上,当消声器尺寸比较大、壳体比较薄时,消声器出口的辐射噪声级与壳体辐射的噪声级相差不大,此时消声器壳体的辐射噪声不能被忽略,需要建立考虑声-固耦合效应的消声器声学性能计算方法,进而分析结构对消声器声学特性的影响规律。
  本文以两级膨胀腔消声器和三通穿孔消声器为研究对象,首先建立消声器内部声腔模型,使用声学有限元法计算消声器的传递损失和声学模态,并得到消声器内部声压分布云图。然后建立消声器壳体的结构模型,使用结构有限元法计算并分析消声器的结构模态。
  最后,建立消声器内部声腔-壳体-外部声场的有限元-无限元计算模型,进行声-固耦合计算得到消声器的传递损失。通过对比刚性壁模型计算结果与声-固耦合模型计算结果,分析声-固耦合效应对消声器声学特性的影响。详细研究了材料厚度对消声器传递损失的影响,为消声器声学性能计算时是否需要考虑声-固耦合效应提供指导。通过声-固耦合计算可以得到消声器壳体辐射噪声级和出口辐射噪声级,进而通过对比分析二者的贡献度。针对壳体较薄的消声器,取外部观测点,采用格林函数分析法,可以得到消声器壳体各单元对观测点声压级的贡献量。对贡献量大的结果进行适当加厚或者敷设阻尼材料,可以减少消声器的壳体辐射噪声,从而改善消声器的总体声学性能。
[硕士论文] 彭晔
动力工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:随着全球环境污染日益严重,各国排放法规日益严格,降低燃油消耗,提高内燃机动力性能,减少污染物排放,已成为当前内燃机行业面临的主要挑战。为了全面提高我国的内燃机工业水平,内燃机缸内工作过程的数值模拟已成为当前内燃机研究的重中之重,然而内燃机缸内喷雾与燃烧现象的准确模拟所需的计算量是惊人的。并行计算通过将计算分解映射到多个处理机,可以有效地减少计算时间,提高求解问题的规模。本文基于通用输运方程求解器平台GTEA,发展了一种可用于喷雾燃烧全流程的通用并行计算方法。
  针对非结构网格的特点,基于区域分解的并行设计模式,分析了几种负载平衡算法。在GTEA中实现了平均化的Simple策略,基于几何法的分区策略,基于多层次k路图划分的Metis策略。对于缸内气体流动与传热求解阶段,分析了子区域上求解流场的数据依赖问题,建立了子区域的本地与全局映射和进程间通信映射。在进程之间交换必要的信息,并对周期边界和动网格进行了额外的通信处理,在GTEA中实现了动网格下流场的并行求解,并分析了并行计算的准确性和加速比。
  对于基于离散液滴模型的液相喷雾求解阶段,分析了两种不同的颗粒分解方法,选择了基于子区域网格的颗粒分解策略。基于FFPT追踪算法建立颗粒穿越进程边界的并行计算方法,通过在计算中动态更新颗粒通信关系,并对颗粒在进程间的通信逻辑进行控制,完成颗粒在多个进程间的运动与追踪。在定容燃烧弹中的喷雾与燃烧过程模拟验证了颗粒并行计算的准确性和加速比。
  最后,将并行计算应用于HSDI柴油机的喷雾燃烧模拟,分别比较了压缩流场与喷雾燃烧计算中的准确性和加速比,并对缸内喷雾与燃烧过程进行了分析。验证结果说明了并行算法有效地减少了缸内三维模拟的计算时间,为进一步研究奠定了基础。
[硕士论文] 赫辰昕
动力工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:目前全球在对能源的需求方面正发生变化,人们更加重视对环境的保护,同时电力系统也受到更多关注,而微型燃气轮机因其自身的特点受到了人们的更多关注。作为微型燃气轮机的核心部件之一的高转速、高压比离心压气机的设计在微型燃气轮机的设计体系中具有举足轻重的地位。了解离心压气机流动机理,提高压气机性能成为了研究的热点。
  本文针对100kW高转速、高压比的离心压气机进行数值模拟计算,在完成网格无关性验证后,对不同转速下离心压气机进行数值模拟,绘制离心压气机的特性线,分析其性能和内部流场的变化,探究高转速、高压比离心压气机中影响性能的因素。对离心压气机的内部流动进行了研究,分析激波、泄露流等对流场的影响,掌握了离心压气机内部流场的特性。
  本文对设计的离心压气机进行了大量的数值计算。讨论了改变叶片数目,增加叶片厚度对离心叶轮流量、压比和效率等总体性能的影响,分析了参数改变后离心压气机内部流动的变化,总结其影响规律,得到了不同叶片数目和不同叶片厚度的离心压气机的性能参数,为离心压气机的进一步优化提供了依据。
  对叶顶间隙为0.2mm、0.4mm、0.6mm和0.8mm的离心压气机进行数值模拟,研究其对压气机性能和流场的影响,对比不同间隙条件下的性能曲线,分析发现当叶顶间隙在叶顶间隙为0.2mm和0.4mm时压气机工作性能良好,压气机的绝热效率高,总压比大。当叶顶间隙增大到0.06cm甚至0.08cm时,流线由压力面翻过叶顶进入压力面的趋势得到增强,叶顶泄露损失急剧增大,压气机的工作性能降低,工作流量范围大大减小。
  本论文的研究结果表明,高转速、高压比离心压气机内部存在复杂的流动,通过改变叶片数目、叶片厚度以及叶顶间隙的大小对压气机性能的影响十分显著,为提高设计离心压气机的性能提供帮助。
[硕士论文] 余俊波
动力机械及工程 广西大学 2018(学位年度)
摘要:国Ⅴ、国Ⅵ法规的相继实施和颁布,对柴油机NOx(氮氧化物)排放水平进行了大幅削减。Urea-SCR(尿素-选择性催化还原)技术以其良好的燃油经济性、较高的NOx转化效率、还原剂供给安全性、较宽的催化剂温度适应范围等优势,成为柴油机最理想的NOx后处理技术。然而,以喷射尿素作为还原剂NH3(氨气)的供给来源,要求尿素转氨的分解过程能够快速高效地完成。尿素的不完全分解直接影响NH3转化效率,使副反应发生概率增加,SCR系统内尿素沉积物形成风险上升。
  本文详细研究了尿素分解的过程,完善并提出尿素分解的详细反应网络框架,从微观化学反应机理出发探究沉积物的形成原因,寻找减少沉积物形成的理论方法。构建了尿素分解及沉积物形成的详细反应机理模型,结合CFD方法对SCR系统排气管尿素分解段进行物理建模,实现对Urea-SCR系统尿素分解的仿真分析。建立了三个评价指标对尿素分解效果进行量化评价,研究运行参数对尿素分解效果的影响,为Urea-SCR系统运行参数的优化匹配提供理论参考。
  通过文献查阅和化学结构分析的方法,构建了包含7个子模型的尿素分解详细反应网络,不但可说明尿素分解常见产物如NH3、HNCO(异氰酸)的形成过程,还可解释biuret(缩二脲)、triuret(缩三脲)、cyanuric acid(三聚氰酸)、trazines(三嗪类)等副产物的反应来源和形成途径。研究并完善了众多文献中提及但未深入说明的melon、melam、melem等沉积物组分的形成过程。根据尿素分解的详细反应框架,以原11步反应机理为基础,建立了包含缩三脲(triuret)、三聚氰酸二酰胺(ammeline)、三聚氰胺(melamine)等全新组分的共18种组分、15步反应的尿素分解化学动力学模型,进一步拓展了机理的预测范围。利用量子化学和过渡态理论估算求取ammeline、melamine生成反应的化学动力学参数,采用基团贡献法估算获得ammeline、melamine、triuret等物质的热力学参数,解决了无法通过试验和文献获得反应动力学参数和物性参数的问题。
  采用STAR CCM+软件调用15步详细机理模拟了尿素分解过程。通过对比使用总包反应和详细反应机理模拟得到的随温度变化出口截面NH3摩尔分数曲线、沉积物biuret、ammeline的摩尔分数曲线与相关试验现象,初步验证了详细机理的可靠性。模拟分析了SCR系统排气管尿素分解段的温度分布、沿管路长度和直径方向截面的组分分布、出口截面NH3分布。
  运用控制变量法,研究排气温度、排气流量、尿素喷射量、喷雾锥角、喷雾温度等运行参数对尿素转氨效率、出口截面NH3均匀性、沉积物生成量的影响,综合评价其对尿素分解过程的作用。研究表明,在变量设置范围内,排气温度、排气流量、尿素溶液喷射量对尿素分解效果影响最明显;提高排气温度、适当增加排气流量有利于尿素分解;尿素溶液喷射量过大会使尿素分解效果迅速恶化;喷雾锥角、喷雾温度对尿素分解的影响较弱。尿素转氨效率随喷雾锥角、喷雾温度的变化幅度不超过5%,基本稳定在52%附近。出口氨气均匀性系数几乎不受喷雾锥角、喷雾温度变化的影响。喷雾锥角、喷雾温度对沉积物生成量的变化有一定作用,但变化幅度有限。且不同种类的副产物可能呈现不同的变化规律。
[硕士论文] 邹申奥
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:发动机作为动力机械的“心脏”,是保障设备运行安全的关键,它较为集中的体现了一个国家的制造业和工业化水平。发动机一般处于高温、高压、重载荷的恶劣环境下,其能否安全稳定的运行势必影响到设备整体的性能安全。为此,需要借助状态监测方法对发动机的健康状况进行实时评估,根据评估结果采取应对措施。
  针对传统发动机健康监测方法的局限性,本文提出应用声发射技术对发动机进行健康监测。利用声发射技术,分别开展了发动机进气失稳实验研究和发动机加速过程加速实验监测研究这两项实验研究,并同时应用振动监测技术进行了对比分析。
  在发动机进气失稳研究中发现,利用幅值、信号强度、有效值电压、平均信号电平等声发射参数可有效的识别发动机进气失稳状态。随着进气失稳的不断恶化,当失稳范围较轻时声发射监测技术即可做出响应,而振动技术只有在失稳范围超过一定数值时才做出响应,证明了声发射技术对于识别发动机进气失稳的敏感性。为发动机的健康监测提供了新途径。此外,在对失稳信号进行基于小波包分解和BP神经网络的智能处理中发现,此方法对故障识别准确度较高,可作为发动机故障分类的判别依据,为建立发动机故障处理云平台提供了新思路。
  在对发动机加速性能实验的监测研究中发现,随着发动机转速的不断增大,声发射参数随之增大,声发射信号主要频率成分逐渐简单化,信号能量不断向高频部分转移。
[硕士论文] 陈韵之
动力机械及工程 大连海事大学 2018(学位年度)
摘要:压气机作为燃气轮机的重要部件,其性能的优劣举足轻重。燃气轮机的快速发展促使压气机拥有更高的负荷与压比,叶栅流道内的流向与周向逆压梯度也随之增大,由此导致复杂的端区二次流现象,给压气机性能带来了不利影响。现今,叶栅内的气动负荷已随着技术的发展而不断提升,栅内的三维流动特征愈发明显,二次流及其损失进一步加强。在低速扩压叶栅中被证明能有效抑制二次流的端壁翼刀技术是否能应用到高速扩压叶栅中还需进一步的研究。
  本文对具有不同几何参数(厚度、高度、长度及前缘形状)以及位置参数(轴向位置、周向位置)端壁翼刀的NACA65-K48压气机平面叶栅在0.7Ma、-6°冲角的设计工况下进行了数值研究,寻找单个参数变化对流场结构以及气动性能的影响规律,得出控制端区二次流的最佳翼刀几何参数(厚度为0.5mm,高度为10%来流附面层厚度,长度为75%流道长度,前缘形状为圆弧形)与位置参数(距压力面50%节距处的流道前部),最佳方案将叶栅总损失降低6.42%。
  研究结果表明:端壁翼刀在高负荷扩压叶栅中同样具有附面层控制效果,其作用机理一方面是阻断二次流的横向迁移,阻碍通道涡沿周向的的发展;另一方面通过抬升周围低能流体,并促进其卷吸形成与通道涡反向的翼刀涡,在削弱通道涡的强度同时促进端壁附面层与主流高能流体间的动量交换,从而减小角区分离范围、降低叶栅损失。
  原型叶栅的出口流场由壁角涡、集中脱落涡与通道涡相互作用。本文最佳方案的端壁翼刀能削弱通道涡的周向尺寸以及集中脱落涡的强度,并使得壁角涡在到达叶栅出口截面之前耗散。出口最终形成集中脱落涡与通道涡并存的稳定状态,简化了叶栅的漩涡结构。
[硕士论文] 赵梓安
动力工程 大连海事大学 2018(学位年度)
摘要:在喷气发动机的发展历程中,通过增大级负荷来减小压气机的级数,从而提高整个发动机的推重比是一个重要的发展方向,随着高负荷压气机的叶尖来流相对马赫数的进一步提高,利用复杂的激波波系来实现气流增压的超声速压气机逐渐成为高性能压气机的研究热点。
  本文在课题组设计已有的基础上,为旋转冲压压缩转子平面叶栅实验台设计连接风洞和平面叶栅之间的收缩段和超声速喷管,分析了不同壁型设计曲线对收缩段以及超声速喷管出口气流品质的影响,将遗传学的BP神经网络系统应用到收缩段的设计当中,设计了能提供稳定出口马赫数在1.8~2.1的范围内超声速喷管,能够为压缩转子叶栅提供超声速来流条件。并根据已设计的超声速喷管出口条件,对平面叶栅系统进行了数值仿真。
  本论文的研究结果表明,通过BP神经网络系统设计出来的收缩段出口气流品质相当好,从附面层厚度、偏转角、俯仰角、面不均匀度以及动压系数、静压系数方面都有明显改善。在设计超声速喷管时,应注意扩张段的壁型曲线,使用特征线法进行超声速喷管的扩张段设计时,应当根据不同的出口马赫数需求设计不同的扩张角,才能得到稳定的气流。最后将收缩段以及超声速喷管进行不同来流工况下的一体化仿真,能够获得不同的超声速喷管出口条件,从而为压缩转子叶栅提供了多个稳定的来流条件。给定特定的超声速进口来流,成功使平面叶栅系统产生激波系。
[硕士论文] 贾杨
机械工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:柴油发动机是社会生产生活的重要动力源,在船舶、核电、化工、交通等多领域广泛使用。柴油机结构复杂、激励源多,长期受不平衡惯性力、爆燃冲击力作用,其运动件、易损件故障频发。当前柴油断齿故障、曲柄连杆机构故障研究成果很多但研究方法较为传统,缺乏对其它关联零部件原因导致的故障进行精确分析的方法,因此常出现故障不能一次性彻底解决的问题。柴油机故障轻则停机维修造成企业和社会巨大经济损失,重则引起机组失控危及人身安全影响企业声誉。因此提高柴油机故障分析诊治水平,发展柴油机故障在线监测诊断技术实现故障预警,降低恶性故障发生概率减小故障损失极具社会和经济价值。
  本文针对柴油机实际运行中齿轮系与曲柄连杆机构故障频发,严重危害机组稳定安全运行的问题,考虑到实际故障数据缺乏,部分故障进行故障模拟实验难度大、风险高、成本昂贵的现状,采用计算机建模仿真技术,结合实验与实践验证的方式,开展柴油机齿轮系与曲柄连杆机构故障机理与监测研究。论文的主要研究内容如下:
  (1)针对曲轴窜动超标导致传动齿轮断齿故障,开展了曲轴窜动对传动齿轮动态载荷影响的多体动力学仿真研究,获得了齿轮载荷动态变化规律。在此基础上,开展推力轴承磨损速率的影响因素研究,获得了推力轴承磨损速率的改变规律。研究成果为柴油机曲轴窜动与断齿故障的分析诊治与监测奠定基础。
  (2)针对连杆大头瓦常见的间隙异常、承压区严重磨损故障,开展了故障后轴瓦润滑状态的弹流润滑仿真研究,获得了故障状态轴瓦润滑参数变化规律、轴瓦温度分布特征,为柴油机连杆大头瓦故障分析与基于温度监测的轴瓦故障监测奠定基础。
  (3)针对曲轴窜动对齿轮动态载荷影响研究难以通过实验模拟验证的问题,采用实际机组曲轴窜动导致凸轮轴齿轮断齿故障案例进行验证。基于连杆大头瓦故障后显著的温度变化特征,开展大头瓦磨损故障实验模拟,采用测量到的轴瓦温度变化规律对仿真结果进行验证。结合海水泵断齿故障,对比分析不同故障状态下机组的振动信号特征,为基于振动监测的柴油机故障监测奠定基础。
  本文研究成果揭示了柴油机齿轮系与曲柄连杆机构故障机理及监测信号变化特征,已被应用到柴油机实际故障监测工作中,提升了对柴油机故障分析诊治的效率,优化了柴油机故障监测测点方案布置,形成了理论指导并获得了良好效果。
[博士论文] 韦武
动力机械及工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:在全球化石能源日益枯竭与环境法规日趋严格的形式下,研发高效低污染的发动机至关重要。新概念发动机的提出和实现使高喷射压力、高增压、高背压等技术措施被广泛应用。而对于大多数烃类燃料的临界压力主要分布在1.5-3.0MPa的范围内,内燃机的喷雾和雾化环境已接近或者超过燃油的临界点。因此有必要对内燃机气缸内燃油在跨临界及超临界状态下的喷射雾化和蒸发过程进行深入的研究与探索。本文应用大涡模拟和分子动力学模拟方法对跨临界/超临界射流,以及界面现象进行深入探讨,以期从宏观和微观上对超临界流体与周围流体的混合特性与规律获得比较深入的了解。本文主要开展的工作及结论如下:
  (1)对PISO算法做适当的修改,纳入真实流体状态方程和非常规的输运系数,使其适应于跨临界/超临界射流的研究,并用一维激波管以及二维喷管对其进行验证。计算表明,对算法的改进可以用于跨临界/超临界射流的模拟研究。之后对跨临界/超临界液氮射流进行雷诺平均模拟研究,重点考察了立方形PR与SRK状态方程和湍流模型对射流特性的影响。
  (2)运用大涡模拟方法对低温液氮射流进行数值模拟,主要研究了跨临界/超临界工况、伪临界点和环境压力对超临界射流的影响。通过对比跨临界与超临界射流的混合特征,发现超临界射流表面更倾向于形成不稳定涡,这些涡促进射流与周围流体的混合,形成较短的“液核”区域,因此射流可以较快到达自相似状态。通过研究定压比热与密度梯度的关系,发现大的比热容区域比较容易形成大的密度梯度。
  (3)基于跨临界射流模型,构建一个无初始密度分层的“冷态”流体模型,重点探讨了伪沸腾及伪临界点对超临界射流的影响,结果表明,受伪临界点的影响,低温射流流体更倾向于往下游发展,从而形成较大的密度区域。同时伪临界温度基本对应于密度梯度最大的区域,表明温度、密度与密度梯度的分布受到伪临界点的影响,但速度场和湍动能的分布受其影响不大。当流体温度跨越伪临界温度即伪沸点时,流体从环境吸收的热能主要用于流体自身体积的膨胀,而非使其自身的温度升高,这与亚临界下的沸点是类同的。传统的热力学临界点仅仅是在临界压力下才有“临界”意义,而在更高的压力下,则必须用伪沸点代替之。因此,对于超临界流体,伪沸点的理论意义和实用意义都要大于临界点。
  (4)对柴油表征燃料正庚烷射入充满空气的超临界环境中进行大涡模拟。考察了临界性质、热物性和输运特性对跨临界/超临界燃油射流特性的影响。与低温液氮射流类似,超临界射流更倾向于与周围流体混合,并形成了较小的“液核”区域,同时形成了较小的密度梯度分布。由于环境流体的“溶解”效应,相比单一流体,混合流体的伪沸腾现象受到抑制,伪临界温度下的定压比热降低。对射流的分裂特征进行研究发现,跨临界射流存在“液态”核心区,而超临界直接步入“气体”稠密核心区,其界面厚度比较宽。通过对跨临界/超临界流场进行POD分析发现,超临界射流更容易生成涡结构,涡结构的分布范围比较广,超临界射流工况下涡比较容易形成且更倾向于往径向发展。
  (5)基于OPLS-AA全原子势函数,采用“气-液-气”模拟盒模型研究了跨临界/超临界工况、以及不同环境压力下正庚烷的蒸发特性。结果表明,随着氮气环境压力的增大,气液能量交换增强,并形成较大的混合层厚度。相比于跨临界环境,超临界模型中的氮气分子可以较早的扩散至液相区域,液相的温度升高较快,并很快形成统一的超临界流体。同时,基于联合原子势函数,对液相正庚烷液相射入亚临界/超临界环境进行非平衡分子动力学模拟,结果表明,随着环境压力的增大,气液界面逐渐拓宽,液相与气相之间连续过渡。基于密度曲线定义的界面厚度随着环境压力的增大而变宽,这与宏观尺度下利用密度梯度定义的界面厚度得出的结论相一致。
[硕士论文] 何勇
动力工程 广西大学 2018(学位年度)
摘要:为了减少柴油、汽油等不可再生能源的消耗以及更好的改善发动机的燃烧与排放,寻找发动机代用燃料成为一些科研工作者所专注的方向。正戊醇燃料作为一种含氧燃料,在不引起较大油耗率下,可有效降低柴油机Soot和NOx的排放,且目前国内外针对正戊醇/柴油混合燃料的发动机试验研究并不多。
  基于此,本文在一台满足国五排放标准的四缸柴油机上对纯柴油(记作D100)、柴油中掺混10%体积比正戊醇的混合燃料(记作DP10)、柴油中掺混20%体积比正戊醇的混合燃料(记作DP20)、柴油中掺混40%体积比正戊醇的混合燃料(记作DP40)这四种燃料进行试验研究,系统研究了喷油压力、喷油正时、EGR率和预喷策略对四种燃料在燃烧过程中燃烧和排放特性的影响。
  试验结果表明:①提高喷油压力,可有效降低柴油机的Soot、CO和THC的排放,但会引起NOx排放升高;在柴油中掺混正戊醇可同时降低Soot和NOx排放,但CO和THC排放升高;提高喷油压力可有效降低燃料总颗粒物数浓度和总颗粒物质量浓度,达到降低PM排放的效果。②对于四种燃料,推迟喷油正时均可以有效降低柴油机NOx排放。③增大EGR率,对降低NOx排放效果明显,可有效平衡Soot与NOx的排放,但会引起聚集态颗粒物数浓度的增大,进而引起总颗粒物质量浓度的增大。戊醇-柴油混合燃料在较小和较大EGR率下,可改善PM排放,在较小EGR率下,随着戊醇添加比例的增加,改善效果减弱;在较大EGR率下,随着戊醇添加比例的增加,改善效果增强。④加入预喷,可有效降低最大压力升高率;四种燃料的PM排放主要由聚集态颗粒物组成,且随着预喷比例的增加,聚集态颗粒物数浓度峰值呈下降趋势;随着预喷间隔的增加,聚集态颗粒物数浓度峰值呈上升趋势;与单次喷射相比,采用大的预喷比例和小的预喷间隔能够减少总颗粒物数浓度,特别是对减少聚集态颗粒物数浓度效果显著。
[硕士论文] 张逸轩
控制理论与控制工程 哈尔滨理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着燃气轮机技术的成熟,在各个行业的应用变得更为广泛,其中包括航空航天、舰船、能源等前沿科技领域。这些行业对设备要求非常高,燃气轮机却极容易出现故障,这些与其结构的复杂性和工作环境的恶劣性有关,其中最可能发生的燃气轮机气路问题显得尤其突出,气路一旦产生异常会对整机造成极大的影响。因此,许多学者将气路故障问题列为燃气轮机研究重点,及时有效的气路故障估计是设备稳定工作的基础,一方面可以保证工业工作过程的安全性,同时又可以提升经济效益,具有重要的理论意义和工程应用价值。本文主要研究卡尔曼滤波器理论,并将其应用到燃气轮机气路的故障诊断中,具体的工作如下:
  首先,论文阐述燃气轮机气路故障的主要失效形式,以此为基础分析了燃机的故障特征。创建了三轴燃气轮机的线性状态空间模型,并对模型进行了归一化处理。为了表征气路部件性能蜕化程度,文中选择10个健康参数描述各部件的健康工况,将描述构件受损程度的流量和效率引入状态空间,得到包含健康参数的三轴燃气轮机线性气路故障模型。论文将线性模型与卡尔曼滤波(KF)技术结合,建立了适合于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的离散化的非线性模型。
  其次,论文介绍了卡尔曼滤波方法的基本原理。针对三轴燃气轮机线性气路故障模型特点,给出离散型卡尔曼滤波器计算流程;利用(KF)的参数同步分析功能,估算燃机内部构件受损情况,列出气路部件的健康参数估计步骤,分别对渐变性部件和突变性部件进行了故障诊断,仿真表明(KF)估计结果比较准确、估计合理,但存在一定的误差。为此,基于燃气轮机离散化的非线性模型,论文推导了扩展卡尔曼滤波算法,并对渐变型和快变型故障分别进行了故障诊断,通过燃机6项参数的效率和流量估算表明,对变动范围较小的参数具有较好的追踪效果。
  最后,论文研究了无迹卡尔曼滤波(UKF)算法,采用卡尔曼线性滤波框架,一步预测方程中使用(UT)变换处理均值和协方差,实现了非线性数据运用,解决了过度依赖线性模型的不足;文中给出了对称采样的无迹卡尔曼滤波算法,分别对渐变性部件和突变性部件的进行了故障检测,通过燃机部件健康参数估计结果表明,无迹卡尔曼滤波能够有效检测故障,且效果良好。
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