[发明专利]基于柴油机燃烧相似性理论的模型机的设计方法与模型机

权利要求书

1.一种基于柴油机燃烧相似性理论的缩放比例模型机的设计方法，其特征在于，包含以下步骤：

建造与原型机对应的模型机，所述模型机与原型机之间存在以下任一种或任多种关系：

--几何相似；

--边界条件相似；

--介质条件相同；

--无量纲形式的活塞速度在对应的曲轴转角下保持相等；

--喷油规律相同；

--涡流比相同；

--滞燃期相同；

--传热损失造成的影响相同；

所述柴油机燃烧相似性理论基于以下控制方程描述柴油机扩散燃烧过程：

式中：Δp为局部脉动压力；上标*表示无量纲的物理量；D^*为无量纲的微分计算符号；ρ为密度；ρ^*为无量纲密度；t为时间；t^*为无量纲时间；为无量纲的梯度计算符号；u为速度矢量；u^*为无量纲速度矢量；Re为雷诺数；p为压力，表示为缸内平均压力p(t)与局部脉动压力Δp(t,x)之和；由量纲理论以ρ₀u₀²为参考值对Δp(t,x)进行无量纲化得到无量纲的局部脉动压力Δp(t,x)^*；p^*为无量纲压力；T为温度；T^*为无量纲温度；Pr为普朗特数；γ为绝热指数；p^*(t)为压力关于时间的无量纲函数；Br为布林克曼数；H_u为燃油的低热值；c_p为缸内气体的平均比热；F₁为燃油的局部质量分数；F_i为局部质量分数；Sc为施密特数；()_c表示燃烧所引起的化学组分的变化；下标0表示物理量的参考值；T₀为参考温度；ρ₀为参考密度；x₀为参考长度；u₀为参考速度；t₀为参考时间，定义为μ_t为涡流的粘度；k_t为涡流的热导率；D_it为涡流的扩散率；为无量纲低热值；

所述原型机与模型机的雷诺数Re、普朗特数Pr、布林克曼数Br、施密特数Sc以及无量纲的低热值数值相等；

指定柴油机运行过程中压缩冲程进气门关时的状态为参考状态，参考状态下各个状态参数的值为参考值；

对于预混燃烧，所述原型机与模型机还满足达姆科勒第一准数Da_I数值相等；

所述达姆科勒第一准数通过以下方式归纳出：对于预混燃烧，质量、动量以及能量守恒方程维持与扩散燃烧时相同的形式；化学组分守恒方程中燃烧引起的组分变化项做相应修改，将化学反应作为源项；

所述原型机与模型机的缸径、冲程、连杆长度、曲轴半径、喷孔长度、喷孔直径按照相似比例r缩放；

所述原型机的燃烧室与模型机的燃烧室形状相同，体积按照相似比例r³缩放；所述原型机与模型机的压缩比、气门位置、气门开闭时刻、气缸数量、喷油器数量、喷孔位置、喷孔分布、喷孔数量相同；

通过对原型机与模型机使用相同的燃油，实现原型机与模型机之间空燃比与无量纲的低热值数值相等；

对应的曲轴转角下，原型机与模型机的无量纲形式的活塞速度通过以下方式保持相等：

式中：n为柴油机转速；D为柴油机缸径；u₀为燃油的平均喷射速度；const表示原型机与模型机的无量纲形式的活塞速度对应相等；

通过对原型机和/或模型机进气道形状进行修正，实现原型机与模型机的涡流比相同；

通过对原型机和/或模型机使用着火促进剂，实现原型机与模型机的滞燃期相同；

通过对原型机和/或模型机的缸壁温度、冷却水温度、气缸材料进行修正，实现原型机与模型机的传热损失造成的影响相同；

还包含以下步骤：将模型机的燃烧与排放特性映射回原型机；

原型机与模型机几何不相似时，通过改变原型机和/或模型机的气门开闭时刻，保证压缩比相同，实现原型机与模型机之间燃烧与排放的相似。