船用低速机换气过程三维仿真与性能分析

船用低速机换气过程三维仿真与性能分析学科、专业：动力工程及工程热物理船用低速机三维仿真建模与性能分析摘 要船用低速机以其经济性好，工作稳定，功率大等优势成为了大型远洋船舶的主选动力源。低速机燃烧做功过程很大程度上受到了换气过程的影响。7G80ME-C为大型船舶主机，输出功率较高，主机的尺寸较大，冲程达到了3.72m，增加了换气过程中气体运动的行程，导致换气过程中增加了更多不稳定因素，复杂的气体运动会影响换气过程的效果，进而影响燃烧过程从而决定了船用低速机的整机性能，基于这一问题开展对换气过程的研究具有重要意义。本文主要基于智能船舶1.0研发专项，应用simulink建立了双区域模型用来研究低速机的工作过程，其中换气过程方面在传统四冲程柴油机双区域换气模型进行了一定改动，为了提高仿真精度，提出了应用CFD软件进行换气过程的三维仿真计算，研究整个换气过程的具体情况与双区域模型互相验证。建立主机的物理模型，应用CFD计算软件完成模型的网格划分和计算。通过改变扫气口的数目、扫气口倾角、扫气口仰角以及扫气口布置位置进行了不同模型的计算，同时改变了主机的设计参数转速进行研究。最后应用Ensight进行三维结果的后处理，得到了温度、压力、气体流动速度、气体成分分布、进排气系统的质量流量等结果。对结果进行分析，研究了船用低速机的换气过程的影响因素。 通过计算分析，发现低速机的转速对于换气过程具有明显影响，在船舶工况改变时刻，当转速增加时，扫气效率会降低，因此需要对应增加扫气箱压力。扫气口结构参数对换气过程也有明显影响，扫气口的仰角增加，会对换气过程气缸底部位置的清扫效果变弱，降低扫气效率。当扫气口的倾角增加时，会导致气体流动速度偏离气缸中心轴线较远，影响中心轴线位置的扫气效果。扫气口数目会影响扫气过程的流通面积，与流通速度共同决定进气效果。本文工作会对船用低速机的缸内流动研究提供一定的理论支撑。关键词：船用低速机 超长冲程 换气过程 CFD 扫气效率 AbstractThe low-speed marine engine has become the main power source for large-scale ocean-going vessels because of its good economy, stable work and high power. The combustion process of the two low-speed machines is largely affected by the ventilation process. 7G80ME-C is a large ship mainframe with high output power, large size of the main engine and stroke of 3.72m, which increases the stroke of airflow during ventilation, which leads to more unstable factors in the process of ventilation. The gas movement will affect the effect of the ventilation process, which in turn affects the combustion process and determines the overall performance of the marine low-speed machine. Based on this problem, it is of great significance to carry out research on the ventilation process. In the low-speed machine with DC scavenging, the scavenging port becomes an important part of the ventilation system. The structure and arrangement of the scavenging port greatly affect the entry of fresh air and the discharge of exhaust gas. In addition, the machine The design parameters also have a large impact on the ventilation process.This paper is mainly for the marine low-speed machine 7G80ME-C. In the special research project of intelligent ship 1.0, SIMULINK is used to establish a two-zone model to study the working process of the low-speed machine. The two-zone ventilation model of the traditional four-stroke diesel engine has been modified. Therefore, verification of the model is required. This paper proposes a three-dimensional simulation of the ventilation process using CFD software to study the specific situation of the entire ventilation process. The physical model of the host is established by using the mapping software CATIA, and the meshing and calculation of the model is completed by using the CFD calculation software CONVERGE. The calculation of different models was carried out by changing the number of scavenging ports, the scavenging angle, the scavenging angle and the scavenging position. At the same time, the design parameter speed of the diesel engine was changed and calculated. Finally, Ensight was used to post-process the three-dimensional results, and the results of temperature, pressure, gas flow velocity, gas composition distribution, mass flow rate of the intake and exhaust system were obtained. The results are analyzed, and the influencing factors of the low-speed machines ventilation process are obtained. The verification basis for the marine low-speed machine working process model based on the two-region theoretical model is provided for the intelligent ship project.Through calculation and analysis, it is found that the speed of the low speed machine has a significant impact on the ventilation process. When the ships working condition changes, when the speed increases, the scavenging efficiency will decrease, so it is necessary to adjust the scavenging box pressure accordingly. The structural parameters of the scavenging port also have a significant influence on the ventilation process. The elevation angle of the scavenging port increases, and the cleaning effect of the bottom position of the cylinder during the ventilation process becomes weak. The increase of the elevation angle causes the exhaust gas of the cylinder shaft to be mixed, reducing the scavenging efficiency. . When the inclination of the scavenging port is increased, the gas flow velocity is far from the central axis of the cylinder, which affects the ventilation efficiency of the central position. The number of scavenging ports will affect the flow area of the scavenging process, and the air flow rate will determine the air intake effect. This work will provide some theoretical support for the research of marine low speed machine.Key words: marine low speed machine, ultra long stroke, ventilation process, CFD scavenging efficiency目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 船用低速机气体运动状态对工作状况影响11.3船用低速机换气过程国内外发展21.3.1 船用低速机发展概况21.3.2 船用低速机换气过程研究现状31.4 课题研究意义71.5 本文工作与难点7第2章 船用低速机工作理论与建模92.1 船用低速机换气过程三维建模理论222.3.1 低速机工作过程建模基本原理232.3.2 湍流模型242.3.3 控制方程242.3.4 化学反应机理242.2 船用低速机换气过程三维建模流程总述92.3 相关软件介绍222.4 低速机工作过程建模252.4.1 物理模型建立252.4.2 三维模型建立262.4.3 边界条件和初始条件的确定262.5 本章小结29第3章 船用低速机7G80试验设计与应用303.1 试验总体方案设计323.2 测试软件编写353.3试验方案应用与测试结果323.4 试验方案准确性对比353.5本章小结35第4章 船用低速机工作过程分析383.2 仿真结果验证323.4 低速机换气过程分析373.4.1 换气过程缸内气体成分变化情况373.4 .2换气过程缸内气体运动情况373.4.3 换气过程缸内气体状态分布情况373.5低速机 燃烧过程分析373.6低速机工作过程影响因素分析373.6.1 转速对工作过程的影响373.6.2循环供油量对工作过程影响因素分析373.6.3压缩比对工作过程影响373.7 本章小结37第5章 船用低速机影响因素分析615.1 转速对低速机换气过程的影响465.1.1 稳定工况转速对低速机换气过程的影响465.1.2 动态工况转速对低速机换气过程的影响465.2 扫气口数目对低速机换气过程的影响465.3 扫气口倾斜角对低速机换气过程的影响465.4 扫气口仰角对低速机换气过程的影响465.5 扫气口布置位置对低速机换气过程的影响465.6 低速机换气过程优化分析465.6 本章小结60结论与展望85硕士期间取得的成果94致谢95附录96第1章 绪论第1章 绪论1.1 引言 自从内燃机被发明，在一百多年时间有了日新月异的发展。1876年，德国人奥托首次提出了四冲程循环（即进气、压缩、燃烧、做功四个过程）的理论，在1897年，MAN公司成功生产了第一台应用工程的柴油机1。1904年首次将柴油机应用到了船舶动力装置中。随后柴油机经过了40多年的发展，技术逐渐成熟。二冲程柴油机作为传统动力机械中的一种，具有功率范围广、热效率高、可靠性强、启动性能好、维修便捷、运行安全以及使用寿命长等优点，在相同转速和尺寸的情况下，发出功率为四冲程柴油机的1.61.8倍2。选择船舶主机，人们最关注的问题是经济型、可靠性以及使用寿命等。二冲程柴油机以其冲程长、转速低、燃油要求低等优点，有效改善了船舶、主机以及螺旋桨的匹配关系，提高了轴系传动效率以及推进效率3，同时降低了燃料的费用，成为大型船舶中的主机首选4。现阶段对二冲程柴油机的研究主要针对两个方面，一是燃油喷射系统改进，二是换气过程以及燃烧过程进行改善，主要对换气系统进行优化设计，提高残余废气的清扫效果，利用分层扫气，改善换气效果，增强湍流强度，提高燃烧效率，改善经济性能和排放性能5。根据换气过程气缸中气流运动路线的不用，将二冲程柴油机换气形式分为两大类，包括直流和弯流两种扫气形式6。弯流扫气的基本工作方式为新鲜空气自下而上运动，然后自上而下运动清扫残余废气。而直流扫气的工作方式为新鲜空气从气缸底部进入，自下而上盘旋运动，实现残余废气的清扫。目前大多数船用主机选用的扫气方式为排气阀扫气口形式，主要结构包括均匀分布在气缸底部的一圈扫气口和气缸盖上安装的排气阀两部分7。扫气口在横向和纵向都有一定倾斜8。扫气进行时，新鲜空气从扫气口进入，沿着气缸中心轴线向上运动清扫废气至气缸盖的排气阀位置排出9。新鲜空气的运动可以分为向上运动和绕气缸中心轴的旋转运动运动。旋转运动可以使得新鲜空气形成一层气垫，减小与参与废气的掺混10。排气阀的运动受到排气凸轮的控制，不会受到活塞运动的影响，所以会出现排气阀在扫气口之后关闭、同时关闭或者比扫气口更早关闭。与弯流扫气相比，直流扫气使得扫气行程减小了一半，缩短了流动路线，避免出现扫气死角和气流短路现象，减弱了残余废气与新鲜空气的掺混，扫气效果较好11。随着二冲程柴油机的不断发展，对换气系统也进行了不断改进。为了适应大型船舶，二冲程柴油机行程越来越大（如超长冲程柴油机7G80ME-C冲程达到了3720mm），使得扫气过程气流运动的距离增加，气流运动不确定性增加，对扫气效果影响增强，所以对换气过程的研究越发重要12。图1.1 燃烧室及排气阀部位如图1.1所示为7G80ME-C气缸模型中燃烧室部分，图中可以看出排气阀在实际工作过程中，其控制结构比较复杂，同时排气阀控制机构与气缸盖之间的连接部分也明显存在空隙。观察活塞的结构，可以看出活塞内部含有冷却液运动的空腔，在柴油机的工作过程模拟中，将这些结构都进行了一定成都的简化。图1.2 扫气口部位图1.2为气缸扫气口部位的剖面图，在气缸的下端位置可以看到扫气口呈阵列分布在气缸圆周上，从剖面图中可以看出实际上气缸壁具有一定厚度分布，但是在应用CFD软件进行计算时将气缸避免进行了简化，忽略了气缸壁内部的冷却液流动通道。1.2 柴油机换气过程的研究为了更加准确有针对性的研究二冲程柴油机的缸内工作过程情况，需要了解其工作过程中与传统四冲程柴油机的区别，首先要了解二冲程柴油机的工作过程原理，主要包括如下过程：（1）活塞运动到下止点附近位置的时候，此时排气阀和扫气口都处于打开状态，扫气箱中的新鲜空气由于压力差的作用下，经过扫气口进入气缸，缸内存在的废气经过排气阀流入排气道排出。（2）活塞经过下止点以后向上运动，经过扫气口上端边缘后扫气口关闭，开始进行压缩过程，在此过程中，缸内气体的压力温度以及运动强度升高。（3）当活塞到达上止点位置的时候，喷油器开始工作，燃油进入气缸中，经过破碎雾化等过程与缸内气体混合，当达到燃烧所需的高温高压条件时，混合气燃烧，瞬间释放巨大能量，压力达到较高水平，推动活塞向下运动做功。（4）活塞做功后期，活塞向下运动，首先经过排气阀打开，燃烧结束后的废气由于气缸与排气道之间的较大压力差而进入排气道，然后活塞继续下行，扫气口打开，扫气箱中的新鲜空气进入气缸中。内燃机工作过程的缸内气体运动情况非常复杂，运动情况包含。对于柴油机的缸内运动数值模拟方面，研究对象相对复杂，主要包燃烧室，扫气口，扫气箱，排气阀，排气道以及气缸燃烧室等部分，组成了一个极为复杂的运动空间，空间中各个部位的边界条件和初始条件的确定也就相对复杂，所以为了保证模型具有高精度，需要进行具体机型的实验测试，以实验结果作为拟合标准来调整模型，但是实际工作过程负责程度极高，所以需要对工作过程进行一定的简化，尤其是在物理模型建立的时候。内燃机的工作过程模拟主要包括零维模型，准维模型和模型。其中零维模型主要根据热力学的理论来进行燃烧过程的分析，对于缸内的工质运动情况，仅作理论上的质量以及流量等方面的分析，主要关注点在工作过程的数值变化，将工作过程缸内的环境定义为均匀状态，并没有考虑工质在缸内的复杂运动情况而导致的不同位置的属性状态的差别。准维模型以零维模型为基础进行了一定改进，将缸内的工作区域进行了区域的划分，计算空间中不同区域的状态有区别，所以在一定程度上可以反映出内燃机工作过程中缸内的状态随着位置的改变而改变的规律。而多维模型综合考虑了流体动力学，热力学以及燃烧学的等原理，利用数值计算的方法，选取一组关于质量，能量，动量以及连续性的等方面的方程进行计算，由缸内的若干个反应过程组合而成，并包含了多个反应子模型，主要包括湍流模型，喷雾模型，破碎模型，燃烧模型，气相模型等，对反应过程的各个因素考虑的更加全面，使得计算结果更加符合实际。（1）国外研究情况英国人D.Clerk首次提出了对内燃机的工作过程模拟的思想21，随着内燃机技术的发展，到20世纪中期，在这期间计算机技术和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)得到了充分发展，技术明显成熟，在内燃机工作过程研究领域，数值模拟逐渐成熟，在现阶段，内燃机的工作过程模拟在科研中应用日趋广泛，基于此的研究取得成果明显增加。1978年，美国Los Alamo 实验室首次提出了多维模拟的思想，发明了KIVA软件，数值模拟有了明显进展。半隐式控制容积法创新性得由英国帝国理工学院的D.B.Spalding提出，除此之外A.D.Gosman带领团队经过研究，发明了内燃机工作RPM，并应用三维模拟数值计算程序完成了对直喷柴油机缸内流动过程研究。80年代，Sher提出了应用二维模型来进行数值模拟，并应用该模型完成了扫气过程的研究，依托于PHONEICS程序，Swenney使用完成了扫气过程的三维数值模拟。同时在应用多维模型进行数值模拟方面，出现了k- 湍流模型、离散型喷雾模型、NO反应模型以及大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称 LES）等一系列范例22，效果比较明显。到了21世纪以来，对于二冲程柴油机的研究有了较大进步。针对二冲程直流扫气柴油机的扫气过程，Kirby Chapman在CIMAC上发表的论文对其进行了具体研究23。（2）国内研究情况在国内方面，缸内流动过程的研究起步较晚，发展相对比较艰难，不过通过科研工作者的多年努力，我国与水平发达的国家之间的差距逐渐缩小。在上世纪八十年代，ALE法计算内燃机缸内流场，直喷式柴油机内涡流、挤流和湍流的数值模拟研究等方面的论文由大连理工大学的谢茂昭发表。大连海事大学的段树林教授应用KIVA- II程序在柴油机纯压缩工况下， 完成了不同形状燃烧室的缸内流动情况计算，提出了缸内的流动情况会受到燃烧室形状的影响这一结论。另外国内多所知名院校也在从事内燃机领域方面的研究。在认真学习研究了国外的数值模拟方法以后，通过取长补短，学习其长处，国内的一些研究机构和高校也陆续研究出了一些数值模拟程序来研究柴油机工作过程24，其中计算直喷式柴油机螺旋进气道与缸内空气运动的IPIC-CFD程序由中国科学技术大学提出，三维内燃机工作过程通用模拟程序RES3D-II由北京理工大学提出25；涡流室式柴油机工作过程的三维模拟程序Engine- II由江苏理工大学和同济大学提出 。在早期阶段进行内燃机工作过程研究时受到了当时科学研究水平的限制，多数模型在一定程度上进行了简化，因此其在实际工程应用中的参考价值不够明确，所以为了提高其工程应用价值，需要我们对其简化方式进行有效改善，使其计算结果更加接近实际。对此应当适当选取边界条件和计算区域，结合更加合理有效的计算方式来进行数值模拟，提高其应用价值。 CFD技术在内燃机研究中的应用，依靠计算机较强的后处理能力，对内燃机工作过程中的工质流动以及燃烧等情况进行模拟，进行准确分析和预测。早期在应用CFD技术进行内燃机研究时，技术相对比较粗糙，但是其研究思想对内燃机的工作过程研究工作打下了基础，随着计算机技术的进步，CFD技术的计算精度不断提高，目前FIRE，FLUENT，CONVERGE等CFD计算软件在内燃机的研究中应用比较广泛。1.3 改善柴油机气流运动的意义在船舶柴油机工作过程中，为了改善机器的燃烧效率、提高其热效率和空气利用率，可以通过改善进气情况、调整压缩比大小以及燃烧过程的气流运动情况实现。改善燃烧做功过程的气体流动情况，可以提高船用低速机的动力性能、经济性能和排放性能，同时还会影响柴油机的工作过程的噪声，排放和工作柔和性13，因此合理组织缸内气体流运动是改善柴油机性能的重要途径，对于柴油机来说，改善气流运动具有以下作用：（1）可以使燃油在燃烧室内的雾化更加均匀，其作用相当于在一定程度上增加了喷油器的喷孔数目14。（2）使得燃油和空气之间以及油与气缸壁之间的传热作用得到改善15，空气运动的改善提高了传热系数，因此减少了油滴雾化所需时间，改善了油气混合情况。（3）使燃油和空气之间、燃油蒸汽和空气之间以及已将燃烧的气体和未燃烧的混合气之间的互相扩散和渗透作用16，减小了混合所需时间。扩大加速了扩散燃烧，后燃现象减小。提高了平均有效压力，减小了油耗，增加了燃烧做功过程的可控性17。（4）因为改善气流运动，滞燃期缩短，所以可以使燃油喷射推迟同时保证其经济性，因此可以有效减小氮氧化物的排放18。（5）由于船舶柴油机组织气流改善了条件，使得缸内空气利用率提高，可以适当减小过量空气系数，使得被没有燃烧的空气带走的热量减少，提高了其热效率，平均有效压力，同时可以提高极限功率19。（6）合理组织气流运动，可以有效改善气流的分布，使其更加均匀，从而使燃烧室内过浓混合区以及高温缺氧的区域都明显减少，可以有效减少高温裂解的未燃柴油，从而降低碳烟的排放。因此，改善换气过程20，合理组织气流运动可以有效的降低碳烟和氮氧化物的生成。1.4课题研究意义与存在问题1.4.1 课题研究意义基于智能船舶1.0研发专项，对船舶实际运行过程的不同状态船舶动力系统提出了更高要求。其中船用低速机作为动力源，动力性能会影响整个推进系统性能26。船用低速机的工作过程影响了输出的功率，因此建立准确的船舶主机模型进行仿真27计算很有必要。与传统的四冲程柴油机相比，船用低速机7G80ME-C冲程达到了3.72m，属于超长冲程的船舶主机，柴油机本身缸内气流运动比较复杂28，而换气过程中气流较长的运动行程导致气流运动受到更明显的不规律影响，运动不确定性更加明显29，从而运动的影响因素更加复杂。换气过程通过影响到柴油机的可燃混合气形成从而影响燃烧做功过程，间接影响了船舶的动力性能和排放性能，因此提高船用低速机的性能可以从换气过程着手，探究换气过程的影响因素，并根据影响规律合理组织气流运动，改善船用低速机的性能30。本文通过建立智能船舶主机7G80ME-C物理模型，应用CFD软件CONVERGE进行三维建模计算，通过分析结果，研究船用低速机的换气过程工作规律31。通过计算不同转速和不同换气系统结构的模型，研究多个因素对于换气过程的影响，为改善船用低速机换气过程提供理论支撑。同时分析了船用低速机的燃烧做功过程，以排放性能为评价标准，分析了不同因素对于船用低速机燃烧排放的影响32。1.4.2 目前研究存在问题现阶段对于柴油机的工作过程研究趋于成熟，但是主要研究集中在了传统四冲程柴油机方面，在换气过程和燃烧做功等过程方面都进行了大量的零维和三维计算研究，理论相对成熟。对于二冲程柴油的研究较少，且大部分集中在零维模型和准维模型的研究，缺乏利用三维模型对二冲程柴油机的具体工作过程的研究工作，柴油机的气流运动情况会对燃烧做功造成明显影响，仅仅依靠经验公式通过零维模型进行研究会忽略由于扫气口，活塞形状以及排气阀形状等缸内实际几何情况对气流运动造成的影响，当忽略较多物理因素的时候，会使仿真计算结果出现较大误差。为了改善这一现象，提出了应用CFD计算软件CONVERGE进行二冲程柴油机工作过程研究，通过建立更加接近机器的实际尺寸形状的模型来提高仿真的准确，为二冲程柴油机的设计调试提供理论支撑。1.5 本文工作与难点（1）本文主要工作船用低速机的工作过程与四冲程柴油机有明显区别33，主要作用是将新鲜的空气充入缸内并排出燃烧结束后的废气7。其中船用低速机的大尺寸决定了其在换气机构上会有明显不同，扫气口在气缸壁布置，形成对进气的约束，其结构34、尺寸、数目以及布置位置都会引起换气过程的气流运动发生改变，其中扫气口的布置位置和柴油机的转速共同决定了扫气口的开启关闭时刻，因此同样会影响换气过程。从而影响整个换气过程的效率。智能船舶VLOC，功率输出极大35，因此机器尺寸较大，尤其是在冲程达到了3.72m，这对以直流扫气方式完成换气过程的机器来说，气体从进入气缸到运动到上止点，中间各个时刻的运动状态都增加了不确定因素，在智能船舶项目中应用MATLAB提出了双区域模型来模拟7G80的换气过程36，为了进行验证说明，可以采用三维流体计算37软件CONVERGE来模拟得到整个工作过程缸内运动状态，并进行深入研究。本文的主要工作是以智能船舶主机7G80ME-C为实验机型，结合流体力学原理，利用一系列的守恒方程和模型，应用三维流体计算软件CONVERGE完成换气过程从排气阀打开到关闭的整个过程，通过计算，得到换气过程不同时刻的缸内新鲜空气和废气的含量以及气体运动的速度分布等结果，改变换气系统的结构参数以及柴油机的设计参数研究不同情况下换气效果38。具体工作如下：（1）首先获取7G80ME-C的基本设计参数，如扫气口、气缸、排气阀、气道的尺寸39，应用绘图软件CATIA建立7G80ME-C的物理模型，包括原始机器以及设计参数改变后的模型。（2）将建立好的物理模型导入CONVERGE中，根据机器工作过程不同时刻各个部件的配合作用，划分网格，设定初始条件和边界条件40。（3）自主设计实验测试方案，到主机厂进行7G80E-C的运行测试，得到机器的运行状态结果41。（4）设定初始计算时刻为燃烧结束后，活塞下行，排气阀即将打开时刻，完成360CA的整个循环计算。通过改变扫气口的结构和数目进行计算，分析结果得到扫气口结构参数对换气过程的影响，同时改变转速，得到柴油机在不同转速下换气过程的改变。（2）本文的工作难点主要难点在于分析不同影响因素对换气过程的影响规律，但是由于7G80ME-C属于超长冲程柴油机，在气流运动的整个过程，较长的运动行程对该过程造成了明显的不确定性，导致换气过程随时都可能出现运动被影响的现象，因此需要对整个工作过程进行分析，在进行研究时刻选取的时候，不同因素对于不同时刻的影响具有不确定性，所以会出现在参数改变后整体运动情况改变明显，局部时刻局部位置差别较小的现象，选取时刻过多会影响工作效率42，选取过少会使得结论缺乏可靠性，需要不断计算，分析，寻找各个因素对主机工作过程影响的时刻和微弱差别，并以此为依据进行影响效果的分析，做到合理的分析。 127第3章 船用低速机工作过程分析第2章 船用低速机工作过程理论与建模船用低速机的一个工作循环由换气过程和燃烧过程共同组成。其中换气过程是燃烧做功的准备阶段，只有完成了换气过程形成可燃混合气才能进行燃烧做功，而燃烧做功后的废气排出又需要换气过程来实现。所以作为船用低速机的基本工作过程43，换气过程与燃烧过程互相影响，共同决定了船用低速机的工作状况。本文着重对对换气过程进行了分析与性能研究44。应用CFD软件进行船用低速机的三维仿真分析45，主要目的在于完成发动机缸内流体的计算问题。随着计算机技术的发展，发动机仿真理论不断提高，已经可以建立与实际机器运转情况接近的模型。在流体计算中，需要遵循质量守恒定律、能量守恒定律以及动量守恒定律46。而在计算燃烧的时候，还要涉及到组分守恒方程以及湍流方程等等。因此在进行流体计算的过程中，首先要选取适当的物理原理，针对这些原理匹配合适的流动模型，从中总结出用于计算的数学方程47，完成对内燃机工作过程中的不同阶段的准确模拟。图2. 1 CFD仿真建模工作步骤如图2.1所示为应用CFD软件进行船用低速机的工作过程三维仿真模拟的具体方法，其中包括了大量的控制方程以及条件设置。本章主要介绍了三维仿真建模所依据的控制方程原理和具体工作过程的理论依据48。2.1 基本控制方程仿真过程依据了多项基本守恒定律，主要包括下面内容：（1）质量守恒定律：又可以被称为连续性方程，在所有流体计算中都需要满足这一定律。作为一种形变复杂的物质，流体不同于其他实质性物体那样容易被定义，所以在研究流动的时候，需要采取建立微元空间的方法，即在单位时间内微元部分增加的质量等于流入该空间的静质量49。表达式为ux+vy+wzdxdydz=t(dxdydz)（2-1）另一种表达形式t+ux+vy+wz=0（2-2）公式2-1和2-2两个表达式即为质量守恒方程，表达式中u、v、w分别表示在x、y、z轴方向上流体的分量，表示流体的密度，t表示时间。（2）动量守恒定律；作为所有流动系统都要遵循的基本定律，其实际上是将牛顿第二定律应用到流动模型，表示对于同种流体而言，作用在微元上的所有外力之和与整个系统的动量相对于时间的变化率相同42。ut+u2y+uvz+uwz=px+xV+2ux+yvx+uy+zuz+wx+fx（2-3）vt+uvx+v2y+vwz=-py+xvx+uy+yV+2vy+zwy+vz+fy（2-4）wt+uvx+vwy+w2z=-py+xuz+wx+ywy+vz+zV+2wz+ fx（2-5）在公式中，f表示作用在微元上的单位质量的体积力，为运动粘度，代表第二粘度系数，通常取值为=-2/3(3)能量守恒定律：能量守恒方程中也应用了建立微元的方法，根据热力学第一定律，可以将这一定律表述为：微元体的经热量加上体力与面力对微元体所做的功的功决定了微元体内的能量的增加50。守恒方程为te+V22+e+V22V=q+xKTx+yKTy+zKTz-upx-vpy-wpy+uxxx+uyxy+uzxz+vzxz+vxxy+vzyz（2-6）方程中q表示单位质量体积热的增长率，K为热传导率，T为当地温度，e为分子单位质量随机运动的内能2.2 工作过程基本模型2.2.1 湍流模型湍流作为自然界中普遍存在的流动形式，是一种流速很高情况下的不规则运动形式，又被称为乱流、扰流或者紊流51。湍流在物理结构上是由是由尺寸不同的涡流通过叠加后形成的流动，主要包括大尺度涡和小尺度涡。主要特点为：具有较高的雷诺数，在2300以上52。二是流动随机性强，压力与速度等物理量在时间上和空间上都具有随机的脉动。柴油机缸内气体流动属于湍流运动，对缸内工质的混合燃烧起到了重要影响，并且可以决定各种物理化学反应的发展和空间分布，所以对湍流运动进行准确的模拟非常重要。湍流模拟方法的分类：（1）直接数值模拟方法（Direct Numerical Simulation）:（2）非直接数值模拟方法将湍流的主要数值模拟方法进行分类53，如图2.2所示。图2. 2 湍流模拟方法1.直接数值模拟法（DNS）直接数值模拟方法直接应用瞬态的Navier-Stokes方程进行湍流计算，主要的优点为不需要对湍流流动进行简化，计算结果相对更加准确，但是这种方法对计算机的计算能力要求极高。所以目前还没有应用于实际计算中，但是在算法上的巨大优势使得DNS算法在未来必将应用于实际计算54。2.大涡模拟(LES)目前由于受到计算机计算能力范围的限制，使得计算只能在一定范围的尺寸的网格应用，对于小涡尺寸大小的网格还无法计算，所以只能通过Navier-Stokes方程将大于网格尺度的湍流运动进行计算。对于小尺度的涡对大尺度运动的影响是通过建立模型来进行模拟，也就形成了现在的大涡模拟方法。对LES进行总结，概括为：用瞬时的Navier-Stokes方程模拟湍流运动中大尺度涡，小尺度涡对大尺度涡的影响通过近似模型考虑55。3.雷诺平均法(Renault Averrage Numerical Simulation,建成RANS)Navier-Stokes方程为非线性方程，所以应用这一解析方法难以将三维时间下的全部细节准确解出，因此采用求解时均化的Navier-Stokes方程，将瞬态脉动量在时均化方程中体现出来，这就是RANS的思想，其核心就是求解出时均化的雷诺方程，应用范围在目前也是最广泛的。4.统计平均法统计平均法基于湍流相关函数理论，主要应用相关的函数以及谱分析方法研究湍流，主要研究范围为小尺度涡的结构，在工程研究上极少应用。目前在内燃机的研究工作中，应用最广泛的湍流模型为雷诺平均法中的雷诺应力模型和涡粘模型，本文主要使用k-和Spalart-Alamaras模型k-模型标准k-模型在双方程模型中应用最广泛，是一个通过试验总结出来的半经验公式，其中k为湍动能，在其方程基础上又引入了湍流能耗散率。于1972年由Launder和Spalding提出56，其定义为=ui,xkui,xk（2-7）将运动粘度t表示为k和的函数，表达式为t=Ck2（2-8）标准的k-模型的表达式为kt+ujkxj=xjeffkkxj+G-（2-9）t+ujxj=xjeffxj+kC1G-C2（2-10）其中k=uiui/2 eff表示有效粘性系数，eff=+tG=-uiujSij=tuixj+ujxiuixj=2tSijSij（2-11）其中Sij表示平均流的应变张量其中一些参数通常选用标准值为k=1.0，=1.3，C1=1.44，C2=0.92C=0.00845RNG k-模型：RNG k-模型由Yakhot和Orzga于1986年提出，主要是应用了重整化理论提出的一个代数模型，考虑了平均流动中流体的旋流情况，并且在k-模型的基础上提出的雷诺数较低的粘性流动的表达式57，与标准的k-模型很相似kt+kuixi=xjkeffkxj+G+（2-12）t+uixj=xjeffxj+C1*kGk-C22k（2-13）表达式中，eff=+t，t=Ck2，C=0.0845，k=1.39，C1=1.42，C2=1.68C1*=C1-1-/01+3 =2Eij.Eij1/2k，Eij=12uixj+ujxi0=4.377 =0.0122.2.2 传质模型柴油机工作过程中，缸内涉及到多种组分物质，对各种物质的质量分数应用以下表示58。Ym=MmMto=mto（2-14）其中：Mm表示组分m的质量，Mto表示总质量，m表示组分m的质量，to表示总密度。tyk+xiUi-Uiyk=xiykykxi+Syk k=1.Kspec（2-15）yk=Dk,m+tSct（2-16）Sy,k=rkMk（2-17）其中，yk表示物质k的质量分数Kspec表示化学物质总数Sct表示湍流施密特数Dk,m表示物质k的扩散系数rk表示物质k的反应速率Mk表示物质k的摩尔质量2.2.3 喷雾模型在柴油机工作过程中，换气过程结束后即为燃油喷射和燃烧做功过程59，其中燃油喷射过程行程了可燃混合气，为燃烧做功提供准备条件。燃油喷射过程包括了柴油的雾化、碰撞、破碎等多个阶段，现在来分别进行介绍。油滴破碎模型：喷油器将柴油喷入气缸中，首先经历破碎过程，在本模型中，油滴破碎模型选取了KH-RT模型，破碎模型包括了两个阶段，其中第一个过程为靠近喷油器的喷孔位置，燃油呈柱状喷出，然后经过破碎行程油滴，此过程选取了KH模型，前过程形成的油雾中，在远离喷孔的位置，油滴发生进一步破碎，这一过程应用了RT模型60。KH-RT模型假定燃油的第一次分裂雾化过程受到了液滴与气体的速度差造成的K-H波不稳定性增长来控制，高速运动的油滴受到了空气阻力的影响使其承受更高的动压和变形，同时在液滴的背面会出现不稳定波，会对液滴的二次雾化起到主要作用。在破碎模型中，最大表面波增长速率和对应的波长控制了油滴的破碎情况。在破碎期间，分离出的新油滴的半径与不稳定表面波长成正比。R=C1AKH（2-18）其中C1为经验常数将原油滴的半径变化表示为drdt=-(r-Ra)KH （2-19） 其中破碎时间KH=3.7C2rKHKH，C2为模型的可调参数KH和KH的计算方程分别为KH=0.34+0.38We1.51+Oh1+1.4T0.6lr3（2-20）KH=9.02r(1+0.45Oh0.5)1+0.4T0.71+0.865We1.670.6（2-21）其中We=gur2r为气体韦伯数，Oh=WeiRei表示昂赛格数，T=OhWe为泰勒数，ur表示液滴相对于气体的速度，表示液体表面张力。喷雾场主要受到了液核区和气液混合区，其中液核区通常只用KH不稳定破碎理论描述此区域的液滴破碎，液核区的破碎长度表示为：Lb=C3l/gd0（2-22）其中C3的大小与喷嘴的结构有关，为可调参数，d0为喷孔的直径。当RT的不稳定波的振幅要比变形油滴的厚度大时，将会发生分裂现象，破碎受到了RT和RT的控制，其表达式为RT=C42/KRT（2-23）RT=233-gtl-g1/2l-g（2-24）KRT=gil-g3（2-25）其中，KRT表示波数，gt表示油滴运动方向的加速度，C4表示模型的可调参数碰撞模型在模型中，油滴破碎模型选取了NTC模型。在NTC模型中，每一个单元被划分成了Np个液泡，在其中的每个液泡里含有q个油滴具有碰撞截面i j。在对应的间隔时间内，随机选取样本，将其碰撞率与缩放因子相乘，来满足实际的碰撞情况。在单位空间中发生的碰撞次数可能值为Mcoll=（qV）maxt2Vi-1Npqij=1NpqjVi,ji,jqVmax（2-26）i,j=ri+rj2（2-27）在本模型中，碰壁模型选取了ORourke-Amsden模型，但是在柴油机燃油喷射的实际过程中，碰壁现象还会受到气缸的壁面的结构、温度、粗糙情况以及液滴的速度、直径、入社角度、粘度还有张力等因素影响2.2.4 燃烧模型内燃