摘 要

本文基于AVL FIRE软件对原型机2135G船用柴油机进行仿真建模，并对其使用不同的燃料的燃烧过程进行了数值计算与对比。首先使用柴油作为燃料对原型机进行建模与数值计算，将结果与实验台架所得缸压曲线进行对比，对比结果表明仿真结果曲线与实际曲线的误差满足要求，所建模型可以在一定程度代替原型机，其仿真结果具有一定的参考价值。基于所建模型，更换轻烃作为燃料进行仿真，并在全负荷工况下将柴油/轻烃作为燃料所计算出的结果进行对比，对比结果表明轻烃的缸内压力变化和温度变化都低于柴油，处于安全范围之内，将其作为代用燃料将不会对原型机造成安全方面的隐患。

关键词：轻烃燃料；AVL FIRE；燃烧过程仿真；数值模拟

Abstract

In this paper, we build the simulation model of 2135G marine diesel engine based on AVL fire software, and the combustion process simulation results with different fuels are calculated and compared. Firstly, we use diesel oil as fuel to model the prototype engine and calculate its simulation result, and the results will be compared with the cylinder pressure curve obtained by the experiment. The comparison results show that the error range between the simulation result curve and the actual curve meets the requirements, which means the model can replace the prototype within limits, and the simulation results have certain reference value. Based on the model, we replace light hydrocarbon as fuel to simulate and compare the calculated results of Diesel / light hydrocarbon as fuel under full load. The comparison results show that the pressure and temperature changes in the cylinder of light hydrocarbon are lower than that of diesel, which are in the safe range, which means using light hydrocarbon as alternative fuel will not cause safety risks to the prototype engine.

Keywords: Light hydrocarbon; AVL FIRE; Combustion process simulation; Numerical simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 研究意义 1

1.3 国内外轻烃燃料研究现状 2

1.3.1 国外研究现状 2

1.3.2 国内研究现状 3

1.4 论文的主要工作 3

1.4.1 研究内容和目标 3

1.4.2 研究方法和技术路线 4

第2章 原型机燃烧过程仿真模型的建立 5

2.1 2135G柴油机的技术参数和整体仿真模型建立步骤 5

2.2 仿真计算流程 6

2.3 2135G柴油机燃烧室模型建立 7

2.4 Workflow manager网格划分 8

2.5 求解器设置 9

2.5.1 运行模式设置 9

2.5.2 边界条件设置 11

2.5.3 初始条件设置 11

2.5.4 数值求解设置 12

2.5.5 模型选择 15

2.5.6 喷油器设置 18

2.6 Workflow manager整体界面一览 22

2.7 模型验证 22

第3章 轻烃燃料燃烧过程的预测 24

3.1 轻烃燃烧机理研究 24

3.2 全负荷下两种燃料数据对比与分析 25

3.2.1 缸内压力的对比 25

3.2.2 燃烧放热率的对比 26

3.2.3 温度的对比 27

3.2.4 对轻烃燃料的总体评定 27

第4章 全文总结与展望 28

4.1 全文总结 28

4.2 工作展望 28

参考文献 29

致谢 31

1. 绪论
   1. 选题背景

能源是人类社会发展的物质基础，整个人类的社会历史，就是一个能源的发展利用史。人类社会原有的动力以蓄力、水力和风力为主，煤炭只作为取暖的燃料。随着蒸汽机的完善，煤炭作为新型的动力燃料被不断利用，导致了第一次工业革命。在过去的一个世纪内，内燃机替代了蒸汽机成为了人类社会的主要动力机械，导致化石燃料（石油、天然气等）的需求在不断地上^[1]。

我国在工业化的过程中，能量消费的增加是不可避免的，但化石燃料的分布却极其不均衡，我国的化石能源以煤炭为主，可采储量占世界的13%，页岩油、煤层气等非常规化石能源的储量也十分巨大，但相对的是我国的石油、天然气等现在主流的化石燃料稀缺，2017年为止，我国能源利用原煤占比为68.6%，原油占比7.6%，天然气占比5.5%，其他新型能源占比18.3%，这可以说明我国的能源结构相对单一，以煤炭为主，在整个国内还存在着能源分布不均衡，总体的能源利用效率偏低。为了改善我国能源结构，解决能源短缺，同时降低环境污染等问题，新型能源逐渐成为了人们关注的重点。风电、水电、光伏、生物质能发电等在这十年里有长足的发展，并且形成了一定的产业化。与此同时，我国对现有的大量使用的能源正在提高其利用率，在此背景下，轻烃作为一个曾经的边缘燃料进入了人们的视野^[1-2]。

轻烃作为石油开采和加工过程中的副产品，是一种洁净、价廉的新型液体燃料。轻烃的碳原子数为C5、C6，常温下呈液态，是位于液化石油气与汽油之间的烃类。轻烃的优势在于它比醇、醚、脂类等含氧燃料更为清洁易混，比合成油低温特性好，且作为石油组成中的一段馏程，不仅来源广泛，还能解决炼油副产品浪费的问题，减轻了对环境的污染，提高了对原油的利用效率^[3-6]。我国现行的对轻烃燃料的利用主要用于城市供暖，通过轻烃燃气发生装置来制造以轻烃为基础的混空燃气，利用城市管道为用户提供饮食、洗浴、采暖等各种生活用燃气设施的气源。

相比于在城市燃气方面的广泛应用，轻烃作为一个新型清洁能源在作为动力源上还处于探索的过程中。 与天然气、液化石油气和生物柴油等代用燃料相比，轻烃燃料同样具有极大的潜力^[7],因此轻烃作为代用燃料的可行性具有极大的研究价值。

• 1. 研究意义

在研究一个新型额代用燃料时，我们并不清楚新型燃料在实机上作为代用燃料的燃烧情况，如果直接使用新型代用燃料在实机上进行实验，有不可估量的安全风险，其次，实机测试成本较高，在无理论指导的情况下会造成大量的浪费。出于这两点考虑，在进行代用燃料实机测试之前，对原型机进行仿真建模，将新型代用燃料的燃烧机理输入到模型中先进行仿真燃烧，通过仿真结果来判断该燃料是否适合进行实机测试。仿真建模规避了不可知的实验风险，同时极大地降低了项目的研发成本 ^[8-9]。