0　概述

国际海事组织(IMO)制定的针对船用发动机的Tier系列排放法规自2005年生效，并在2016年进入第三阶段(Tier Ⅲ)。该法规主要限制了氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)及温室气体的排放。其中NOx生成受燃烧过程影响较大，成为了国内外船用发动机燃烧优化研究领域的重点。如图1所示，低速船机在排放控制区域(ECA)NOx的排放上限从Tier Ⅰ到Tier Ⅲ阶段降低了80%。面对越来越严格的排放法规，世界上很多科研机构及先进的船用机厂商积极开展了针对低速船机的排放控制技术路线的研究。文献[1]将多种技术路线对NOx排放降低的潜力进行了分析和整理，认为从目前的研究成果上来看，燃用天然气是最有潜力的技术路线，如图2所示。

  

图1　Tier系列排放法规对NOx排放的限制

  

图2　各技术路线对降低NOx排放的潜力

天然气在船用发动机上的应用目前主要以柴油- 天然气双燃料燃烧方式为主。根据天然气喷入时刻及压力不同，又可以分为高压喷射和低压喷射两种燃烧方式[2]，其基本过程如图3所示。其中低压喷射天然气实现的工况更接近奥托循环，燃烧峰值温度同比于高压喷射较低，因而具有更好的NOx减排效果[3]。

  

图3　两种常用的柴油-天然气双燃料船机工作原理示意图

低压喷射天然气的燃烧存在大比例的预混燃烧，发动机压缩比受制于甲烷较低的火焰传播速度，因而在一定程度上降低了其经济性能[4]。瓦锡兰公司作为世界上最大的船机制造商之一，其研发生产的RT-flex DF系列发动机就是采用这种低压喷射天然气的燃烧方式。该系列产品在大缸径(大于300 mm)机型上针对上述经济性问题的解决方案是采用预燃室系统，即在预燃室内直喷少量柴油燃烧，利用其产生的高能射流火焰，在主燃烧室内形成较大范围的多点着火，同时对缸内流场产生强烈扰动，促进主燃烧室内的火焰发展，提高爆震上限从而有效提升发动机经济性[5]。在该技术方案中，预燃室系统对缸内燃烧过程起到十分关键的作用，其中预燃室的布置方案必定会影响火焰射流的发展及整个燃烧过程，因而有必要针对不同布置参数的预燃室系统对缸内燃烧及排放污染物的发展历程开展进一步研究。本文基于数值仿真平台Converge，建立了一款低速二冲程柴油机改装的柴油-天然气船用发动机的三维计算流体力学(CFD)模型，在此基础上探究了不同预燃室布置方案对射流火焰发展的影响及由此对缸内燃烧和污染物生成发展迁移过程的影响。

1　模型的构建

低压喷射天然气的气体预混程度较好，且在低转速工况下可以将其假定为均质混合气，因而可以忽略进排气系统对缸内预混情况的影响。建立一个燃烧室的几何模型，并在缸内增加一个初始涡流场来模拟扫气对缸内初始流动的影响。本文研究基于一台低速二冲程柴油机改装的天然气发动机，由扫气口引入低压天然气，原机不采用预燃室系统，仅在缸内直喷微量柴油引燃。其基本参数及模型标定工况如表1所示[6]，建立的CFD模型如图4所示。

 

表1　发动机基本参数及模型标定工况

  

项目参数缸径/mm×行程/mm500×2050转速/(r·min-1)117有效压缩比10.0平均指示压力/MPa1.76宏观当量比～0.32喷油时刻/(°)-10喷油量/mg110×2喷油压力/MPa125.6废气再循环率/%0油、气质量比/%1.02

  

图4　基础机型燃烧室形状

计算子模型选择如表2。其中SAGE模型中耦合的化学反应机理应用自主构建的正庚烷-天然气动力学机理，用十四烷物理性质替代柴油的物性，用正庚烷来模拟其化学变化，用甲烷替代天然气。模型计算得到缸压结果与试验结果吻合较好，表明模型对燃烧的预测可靠(图5)，而排放污染物因缺少相关试验数据没有进行标定，本文中仅从趋势上进行定性分析。

 

表2　计算子模型的选择

  

子模型模型名称参考文献湍流模型RNGk-ε[7]喷雾模型KH-RT[8-9]蒸发模型Frosslingcorrelation[10]燃烧模型SAGE[11]NOx模型Extend-Zeldovich[12]

  

图5　缸内平均压力模型计算结果与试验结果比对

2　预燃室结构及布置方案

(2) 预燃室出口的射流火焰如发生碰撞，对碰撞区域及周围流场会产生较大扰动，可促进该区域的燃烧。射流火焰碰撞会降低汇聚后火焰内部的空燃比，从而有效抑制该区域内NOx的生成，同时会导致预燃室内残留较多燃料，使预燃室内燃烧温度较高，最终导致预燃室内NOx生成量增加。射流火焰碰撞角度越接近同轴对撞的方案，这种现象越明显，预燃室内生成的NOx越多。

社会服务能力是指教师在学校以外的环境中服务社会，满足社会需求，进行社会活动的能力。作为应用型本科院校教师，在工作之外，还应具备利用专业知识为社会服务的能力，但目前这方面能力被许多教师所忽视。

 

表3　预燃室结构参数

  

项目参数预燃室直径/mm68预燃室总容积/L0.352占主燃室容积比/%1.00通孔长度/mm30通孔直径/mm20

预燃室的布置参数主要包括预燃室数量、布置位置、通孔角度等。文献[16]对预燃室布置位置的影响进行过多维数值模拟，认为预燃室布置应考虑缩短火焰传播的距离。文献[17]研究了不同通孔方向(通孔与水平面的夹角)的影响，发现使火焰射流与表面法向成一定夹角可以避免射流火焰与壁面接触，这样可促进火焰传播，增大射流火焰的轴向及径向贯穿距，并且在宏观上具有较好的燃烧效率和排放特性。文献[18]选择了中置预燃室，基于多维数值模拟研究了预燃室的通孔数目对天然气着火燃烧过程的影响，研究发现合理的通孔数量可以保证多维的火焰贯穿和传播：在β值一定的条件下，通道数过多导致主燃烧室内火焰射流贯穿距不足，火焰传播较慢，燃烧持续期增加；而通道数太少，火焰射流贯穿距足够大，但火焰的周向传播减缓，也使得燃烧持续期增加。然而这些研究大多基于较小缸径的发动机，针对大型低速二冲程发动机的研究文献资料很少。本文综合国内外针对中小型发动机的预燃室设计研究成果，设计了适用于大型低速二冲程船机的若干种预燃室布置方式。其布置示意如图6所示，主要参数包括主燃烧室内通孔距离缸盖竖直方向的距离Z、通孔与水平面夹角θ及通孔与竖直面夹角α，如图7所示。本文研究内容集中在通孔角度的影响，布置方案如表4所列。

  

图6　预燃室结构与布置示意图

  

图7　预燃室布置方案参数

 

表4　预燃室布置方案

  

方案Z/mmα/(°)θ/(°)12345400153015304515

比较方案1～方案3，可以分析预燃室通孔相对水平面的角度对缸内燃烧和排放的影响；比较方案1、方案4、方案5可以比较通孔与竖直面内错角的影响。

3　计算结果及分析

3.1　通孔与水平面角度的影响

图8为方案1～方案3燃烧过程中缸内流场分布。根据CFD程序输出的温度场计算得到当地声速约为600 m/s，可以看出方案1和方案2的通孔内和出口处射流速度较大，局部出现超音速流动，一般认为这种超音速射流下有可能产生激波-湍流扰动[19-21]。文献[19]认为基于传统湍流模型的雷诺平均(RANS)方法不能很好地预测强激波-湍流干扰下的压力和热流，但是文献[20-21]指出在小马赫数(<1.5)大尺度超声速流动中边界层产生的激波扰动影响很小。因而本文认为在船机的大尺度高速射流中采用RANS方法下的RNG k-ε方程能够真实模拟缸内流动。

  

图8　方案1～方案3燃烧过程中缸内流场

从缸内流场上看，预燃室系统会使火焰射流在进入主燃室初期形成明显的高速射流，随着射流贯穿增大，流速骤减，其能量转化为对缸内预混气体一定程度的扰动，促进了缸内整体的气流运动。从出口处射流速度上来看，方案2产生的射流流速最大，其次是方案1。这样的高速射流能促进缸内流动，使燃烧过程中缸内整体速度和近着火区域湍动能也较大(图9)。一般认为，强湍流下的燃烧由于火焰锋面和热传质的改变及可以更加均匀地分配反应物配比，从而能显著提高火焰传播速度[21]。高火焰传播速度对于引燃低压喷射天然气的燃烧方式来说有利于提高爆震上限。方案3的设计对缸内的流场速度和湍动能的整体提升小于方案1和方案2。该现象的原因需要进一步从火焰发展角度去揭示。温度场显示方案1和方案2的火焰发展过程中都发生了明显的射流火焰碰撞，而方案3在射流火焰撞到活塞顶面之前没有发生碰撞，如图10所示。图中Z1为火焰发展中心的竖直方向距离。为文献[22]的试验和模拟研究表明，射流火焰碰撞有助于促进火焰从碰撞区域向四周发展，对周围流场的扰动也非常明显。因而可以认为是射流火焰碰撞对缸内的扰动影响使得方案1和方案2缸内的流场速度加快，湍动能较高。对宏观燃烧的影响表现为放热更集中，如图11所示，这也有助于提高发动机的经济性。而相比于原机，方案3的燃烧放热持续期更长，文献[23]认为射流火焰与壁面存在耦合效应，表现出的是壁面对射流火焰的冷却，同时会吸附其中的部分自由基使其失活，从而使燃烧速率减缓。

  

图9　方案1～方案3缸内湍动能(-4°)

  

图10　方案1～方案3燃烧过程中射流火焰发展情况

  

图11　方案1～方案3燃烧的缸压及放热率曲线

图12的燃烧效率和排放结果显示，与原机相比加装预燃室系统对燃烧效率有显著提升。方案1燃烧效率最高，但是NOx排放相对原机降低程度较小，方案2有较高的燃烧效率和相对较低的NOx排放。尽管如此，仅从缸内温度场的发展历程无法解释造成方案1和方案2排放差异的原因，需要进一步对二者缸内NOx的生成迁移历程进行分析。

  

图12　方案1～方案3燃烧效率及NOx排放

从图13的缸内NOx生成历程来看：射流火焰不发生碰撞时，在预燃室内生成极少量的NOx，在缸内生成大量NOx；而发生碰撞时则相反。文献[24]的研究表明：对撞的射流火焰会在碰撞区附近形成火焰包裹的区域，由于卷吸入新鲜空气变得相对困难而形成富燃区域。图13的结果也表明在此区域内NOx生成受到抑制。而图14中上止点时刻预燃室内随着射流火焰碰撞角度增大到不发生碰撞，当量比呈现降低的趋势，同时温度随之降低。这是因为预燃室内的甲烷燃烧持续到主燃烧室内的射流火焰对撞以后，射流火焰发生碰撞会阻碍燃料和燃烧中间产物随着射流进入到主燃烧室，因而在预燃室内会残余较多燃料，产生较高的燃烧温度，而在当量比整体较低条件下温度主导着NOx的生成[25]，造成预燃室内生成较多的NOx。

  

图13　方案1～方案3燃烧过程中NOx生成历程

  

图14　　　　方案1～方案3预燃室内当量比和　　　平均温度(上止点时刻)

3.2　通孔与竖直面角度的影响

进一步研究了通孔与竖直面角度对射流火焰发展和排放的影响。从流场(图15)结果可以看出：相对于方案1，方案4由于通孔存在15°的内错角，从预燃室内喷出的射流之间不发生对撞，射流贯穿距离显著增加，同时刻流速也较大；方案5由于内错角过大，射流发展会贴近缸套内壁。前文已经说明射流火焰与壁面的相互作用会使燃烧反应速率降低，同时射流与壁面之间存在摩擦会降低射流速度。但是方案5对缸内流场的整体扰动比前两种方案要大，形成一个环形中速(≈15 m/s)流动区域。仅从流动来看，方案4和方案5形成的缸内流场各有优势：方案4会扩大着火区域，实现更宽范围内的多点着火，而方案5的流场会促进缸内预混火焰的发展。

  

图15　方案1、方案4、方案5射流形成的缸内流场分布

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图16　方案1、方案4、方案5缸内射流火焰发展情况

  

图17　方案1、方案4、方案5燃烧宏观情况

4　结论

(1) 低速双燃料船机加装预燃室系统以后，缸内扰动显著增强，燃烧效率及NOx排放都有显著优化；预燃室的通孔与水平方向和竖直方向的角度对缸内射流火焰发展、缸内流动、燃烧和NOx排放产生显著影响。

大量研究结果表明，针对当量比较低的稀薄燃烧，合理的预燃室容积应占主燃烧室容积的1%～3%，且存在经济性和排放性的折衷取舍关系[12-15]。在船用发动机上应用天然气低压喷射方式已经可以在不使用任何后处理条件下使排放满足目前最严格的排放法规[5]，因而出于对经济性的考虑，本文将预燃室的总容积定为主燃烧室容积的1%。此外，预燃室和主燃室的通孔参数一般与预燃室大小直接相关，对于容积确定的预燃室，通常采用Craya-Curtet数(Ct)和β这两个无量纲参数来确定预燃室通道直径。前者表征主燃烧室流入预燃室气体的混合程度，后者表征通道的相对流通面积与火焰射流的贯穿度，其具体公式在此不做赘述。文献[17]指出Ct在0.2～0.3之间，β在0.4左右可以得到二者较好的综合性能。另外一般来说通孔直径越长，预燃室内部的燃烧更为完全，有害排放物降低，文献[15]的研究表明通道长径比应该大于等于1.5，才能确保预燃室内的燃料充分混合。基于以上预燃室结构参数的设计准则，本文采用的预燃室基本结构参数如表3所示。

（二）圈舍修建 部分农村尚未意识到科学合理的圈舍不仅可以降低牛羊的发病率，而且可以提高饲料的利用率，从而提高生产效率和经济效益，建议对建设修建进行补贴。

(4) 受壁面冷却效应和对活性基的吸附效应影响，火焰射流与壁面接触会降低燃烧速率，使燃烧效率下降，生成大量未燃HC，恶化燃油经济性，在实际应用中应该尽可能避免。

参考文献：

方案1、方案4、方案5的火焰发展历程和宏观燃烧特性如图16和图17所示：方案4因为射流火焰贯穿区域较大，确实有更大的着火范围，因而宏观上表现出了放热集中、燃烧效率较高的同时压升率和最高燃烧压力也较高的现象。受较高的缸内温度影响，NOx排放也略微升高。但是方案5中射流火焰沿着缸壁发展，会导致缸内燃烧较差，存在大量未燃HC。此方案中，虽然缸内较低的燃烧温度使NOx排放降低，但是其燃油经济性非常差，因而是一种相对较差的方案。

企业的生存与发展离不开科技创新，提高科技创新能力的有效途径之一就是加强科研项目管理。企业科研管理工作是推动企业提升创新能力的有力支撑，而科研项目管理又是科研管理工作中非常关键的环节，因此，科研项目管理的重要性不言而喻。近年来，企业加强了科研项目的管理，但是，仍然存在一些问题阻碍企业进行有效的科研项目管理，制约企业可持续发展。

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双镜组：腹腔镜联合胃镜下行胃间质瘤切除术，建立四孔(观察孔，操作孔，2个辅助孔)；首先，在患者麻醉生效后，建立CO2气腹。于脐穿刺10 mm，建立观察孔(下腹腔镜摄像设备)；于剑突下穿刺建立操作孔(12 mm)；左侧肋缘锁骨中线外侧穿刺建立辅助孔(5 mm)；右侧肋缘与锁骨中线交界处穿刺作辅助孔(10 mm)。

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According to the virtual work principle,the generalized force can be expressed as,

主要污染物是指当AQI大于50时空气中最主要的一种污染物，其中二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NO2）、可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）等已成为我国空气中主要的污染物[9]。西安主要污染物的月分布情况如图2所示，反映了近3年来采暖期主要污染物的变化规律。

本文约定电机逆时针旋转方向为正方向,正的定位力矩对应着转子位置的正方向。当转子位于15°时,电机将逆时针旋转至下一个齿槽转矩的零点57°位置,当转子位于105°时,电机依然将顺时针旋转至57°位置的稳定点。因此,实际的稳定点是57°,180°,306°。

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液压缸1：最大长度1 100mm，最小长度700mm，油缸行程为400mm，内径50mm，臂厚10mm

通过已标准化矩阵Z计算相关系数矩阵M，并计算M的特征值ωj(j=1，2，3，…17)，按照ω1≥ω2≥ω3≥…≥ω17排序，列出其特征向量ej.

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(3) 若预燃室火焰射流存在内错角而不发生碰撞，可有效增大射流火焰贯穿区域，形成更大的着火区域，有利于促进燃烧，使燃烧放热更为集中。但由于缸内温度较高，在主燃烧室内生成较多的NOx，总的NOx排放也略微上升。

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教学大纲中强调各项任务必须独立完成，并且要求学生从图片、语音、信件等方面提供访谈和所写报告的真实可靠性，同时强调学术论文写作及引用的规范性以及学校对抄袭、剽窃、考试作弊、将已提交给其他学科的论文报告重新提交给另一学科充当学习成果、篡改学术文件等学术造假行为的严厉惩罚，直接导致该门课程不通过且影响以该课程作为先修课程的后续学习行为。此处的学术诚信教育是事前预防性，其作用比事后处罚更加积极有效。

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《商君书》有云：“任法而国治矣”[4]。法家政策的贯彻执行，使僻处西陲的秦国建立起优于六国的政治制度，完成了对民众的彻底控制。反观其他六国，即使也在变法，却未能如秦国一样完全消除旧的贵族势力，甚至在一些国家中贵族势力的影响力依然强大，变法的不彻底，对社会基层无法完全控制，间接地导致了六国的覆亡，也使秦的统一成为必然。

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流域灌排设施建设明显滞后，长江流域耕地灌溉率仅约50%，约40%的大型灌区、60%的中小型灌区、50%的小型农田水利工程设施不配套，流域农田灌溉水有效利用系数在0.4～0.52之间，流域高效节水灌溉率仅为10%左右，农业用水粗放，灌溉水利用效率低。