（动力机械及工程专业论文）低温环境下柴油机燃烧过程的数值模拟研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 柴油机在低温环境下工作时动力性能较差，尤其是在纬度较高的 地区，冬季外界环境温度大幅下降，输出功率下降明显。因此，研究 低温环境下柴油机的燃烧过程，探询环境温度对柴油机运行性能的影 响，具有重要的现实意义。对燃烧过程的研究除了传统的实验方法外， 利用计算机软件进行相关数值模拟也是一项常用手段。 本文系统地论述了缸内燃烧过程的三维数值模拟方法，分析了缸 内气相湍流模型、喷雾模型、燃烧模型的建模机理，并利用奥地利 a v l 公司开发的三维模拟软件f i r e ，模拟了不同温度参数( 进气温 度、燃油温度和壁面温度) 下的柴油机燃烧过程，获得了缸内温度场、 燃油浓度场以及放热规律等燃烧特性。研究表明g ( 1 ) 进气温度对燃烧过程的影响最为显著。当进气温度下降时， 燃油蒸发速率下降，喷雾贯穿距离减小，油束碰壁现象减弱；此外， 进气温度下降使缸内燃烧推迟，缸内温度与压力随之降低，燃烧指示 功减少；n o x 和s o o t 的排放值随进气温度的下降而减少。 ( 2 ) 燃油温度与进气温度对燃烧过程影响的差异主要表现在对 油束贯穿距离的影响上，随着燃油温度下降，油束贯穿距离增加，燃 油碰壁现象加重。 ( 3 ) 壁面温度下降使缸内工质向壁面的传热量增加，从而导致 燃烧推迟，缸内最高温度与压力下降。 因此，当外界环境温度降低时，缸内压力和压力下降，发动机燃 江苏大学硕士学位论文 烧指示功减少，扭矩降低，输出功率下降，动力性能变差，若需维持 原有的输出功率，须增加循环喷油量，环境温度越低，增加的喷油量 越多。 关键词：低温环境，燃烧过程，数值模拟，动力性能 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fd i e s e l e n g i n eb e c o m e sp o o r a tl o w t e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t e s p e c i a l l yi nh i g hl a t i t u d ea r e a s ，t h ew i n t e r t e m p e r a t u r eh e r ei sp a r t i c u l a r l yl o w , w h i c hc a u s e st h ed e c r e a s eo fp o w e r o u t p u t i ti ss i g n i f i c a n t l ym e a n i n g f u lt oi n v e s t i g a t et h ed i e s e lc o m b u s t i o n p r o c e s su n d e rl o wt e m p e r a t u r ea n dr e s e a r c ht h e i n f l u e n c eo fa m b i e n t t e m p e r a t u r e o nt h e d i e s e l e n g i n ep e r f o r m a n c e b e s i d e st r a d i t i o n a l m e t h o d o l o g y , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yc o m p u t e rs o f t w a r e i sa l s o c o m m o n l yu s e d t os t u d yc o m b u s t i o n p r o c e s s i nt h i s p a p e r , t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e l i n go fe n g i n e c o m b u s t i o np r o c e s si si n t r o d u c e d t h em e c h a n i s mo ft u r b u l e n c em o d e l ， a t o m i z a t i o nm o d e la n dc o m b u s t i o nm o d e la r ee x p l a i n e di nd e t a i l b y a d o p t i n g3 - d i m e n s i o n a lc f d s o f t w a r ef i r e ( d e v e l o p e db ya v l c o ，l t d ， a u s t r i a ) ，t h ec o m b u s t i o np r o c e s sw i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ep a r a m e t e r s ， s u c ha s ，i n t a k ea i r t e m p e r a t u r e ，f u e lt e m p e r a t u r e a n dc y l i n d e rw a l l t e m p e r a t u r e i ss i m u l a t e d t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，i n c l u d i n g t e m p e r a t u r ea n df u e ld i s t r i b u t i o nw i t h i nc y l i n d e ra sw e l la sh e a tr e l e a s e r a t ei so b t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t e ： ( 1 ) t h ei n t a k ea i rt e m p e r a t u r eh a st h eg r e a t e s te f f e c to nt h e c o m b u s t i o n i ft h ei n t a k ea i rt e m p e r a t u r ed e c r e a s e s ，t h ef u e le v a p o r a t i n g r a t es l o w sd o w n ，t h ef u e lp e n e t r a t i o nd i s t a n c eb e c o m e ss h o r t e r , t h ef u e l je ti m p i n g e m e n tw e a k e n s i na d d i t i o n ，t h ei g n i t i o nt i m ei sd e l a y e d ；t h e i n - c y l i n d e rp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ed e c r e a s e s ；t h ee m i s s i o no fn o x a n d s o o ta r eo b v i o u s l yr e d u c e d 1 1 1 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) t h ei n f l u e n c eo ff u e lt e m p e r a t u r ea n di n t a k ea i rt e m p e r a t u r eo n c o m b u s t i o np r o c e s si si n d i c a t e db yf u e lj e tp e n e t r a t i o nd i s t a n c e t h e l o w e rt h ef u e lt e m p e r a t u r e ，t h el o n g e rt h ef u e lj e tp e n e t r a t i o nd i s t a n c e ，t h e m o r ef r e q u e n t l yt h ef u e li m p i n g e m e n th a p p e n s ( 3 ) t h ed e c r e a s i n go fc y l i n d e rw a l lt e m p e r a t u r ee n l a r g e st h eh e a t t r a n s f e rf r o mc h a r g et oc y l i n d e rw a l l ，w h i c hd e l a y sc o m b u s t i o nt i m i n g ，a s ar e s u l t t h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ew i t h i nc y l i n d e rd e c r e a s e s a sar e s u l t ，t h ed e c r e a s eo fa m b i e n tt e m p e r a t u r ec a u s e st h ed e c r e a s e o fi n c y l i n d e rp r e s s u r ea n di n - c y l i n d e rt e m p e r a t u r e ，t h ei n d i c a t e dw o r k a n dp o w e ro u t p u to ft h ee n g i n ed e c l i n e ，a n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e b e c o m e sw o r s e ，t om a i n t a i ni t so r i g i n a lp o w e r o u t p u t ，t h ef u e ls u p p l yw i l l b ec o r r e c t e d ，t h el o w e rt h ea m b i e n t t e m p e r a t u r e ，t h em o r et h ef u e ls u p p l y b en e e d e d 。 k e yw o r d s ：l o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t ，c o m b u s t i o np r o c e s s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囱。 学位论文作者签名：品廊 2 0 0 9 年6 月乡目 一赶巧 2 0 0 9 年b 月罗日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 昌崎 日期：弘d 7 年z 月岁e t 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 自1 8 6 0 年莱诺依尔( j j e l e n i o r ) 发明了第一台大气压力式内燃机以来， 内燃机逐渐成为交通运输业的主要动力源，柴油机凭借其较高的动力性和经济 性，越来越受到世界各国的青睐f 1 卅。在欧美地区，几乎全部的重型车及9 0 的 轻型车均采用柴油机作为动力，欧洲柴油轿车产量己占轿车总产量的3 2 ，法国、 西班牙等国甚至超过了5 0 ：在国内，柴油机己被广泛应用于交通运输、工程机 械、农用机械、船舶等领域，轿车柴油机的使用量也在逐年增加。 全球汽车柴油化趋势加强的同时【5 l ，石油资源储量却日趋减少。b p 世界能 源统计2 0 0 8 的数据显示，世界一次能源的消费在2 0 0 7 年增长了2 4 ，连续第 五年高于过去十年的平均水平。2 0 0 7 年全球石油探明储量在1 2 4 万亿桶左右， 以目前的开采速度还能维持4 1 年左右。石油储量下降导致燃油价格逐渐上涨。 图1 1 为1 9 7 0 年以来国际市场原油价格变化趋势。由图1 1 可见，7 0 年代的石 暴 羹0 0 1 9 7 01 9 7 51 9 8 01 9 e 5 1 9 9 0 1 9 9 52 0 0 0 2 0 0 5 2 0 1 0 年份 图1 11 9 7 0 年以来国际市场原油价格变化趋势 f i g 1 1 t e n d e n c yo fi n t e r n a t i o n a lo i lp r i c ef r o m1 9 7 0 油危机导致油价持续上涨，之后直到2 0 0 3 年一直维持在4 0 美元桶左右。2 0 0 4 年后又呈现上升趋势，2 0 0 7 年原油现货平均价上涨为7 2 3 9 美元桶，比上年上 江苏大学硕士学位论文 涨了1 1 ，2 0 0 8 年更是突破了1 4 0 美元桶，上涨速度惊人。虽然2 0 0 9 年油价有 所回落，但基本维持在6 0 美元桶左右，且仍有上涨趋势。 因此，提高柴油机燃油经济性具有重要而现实的意义。 1 2 柴油机低温运行性能 改善柴油机的低温性能是目前柴油机研究的热点，国内外学者针对改善柴油 机的低温起动性能进行了大量研究工作，并取得了一系列研究成果，但针对低温 环境下柴油机运行过程的性能研究较少。柴油机工作过程与外界环境温度密切相 关，当环境温度下降，柴油机运行性能将受到影响。相关数据表明，在冬季低温 环境的影响下，车用柴油机燃油消耗率上升较大，且上升幅度随温度下降幅度的 增加而增加，p e r k i n s 公司就曾对柴油机进行燃油进口温度的实验研究，结果表 明，发动机燃油进口温度为4 0 4 5 时油耗较低，低于这一温度时，燃油消耗增 力t l t 6 。 外界温度降低，直接导致进气温度的下降，从而使压缩终了时刻缸内气体的 温度较低，此时喷入气缸的燃油雾化较慢，形成可燃混合气的时间延长，滞燃期 相应延长，燃烧质量下降；外界温度下降，油箱内的燃油温度降低，燃油经喷油 器喷入气缸时的温度较低，不利于燃油的雾化；外界温度下降还导致柴油机冷却 液温度过低，使柴油机热损失增大，热效率降低。 1 3 柴油机缸内燃烧过程研究的发展与现状 1 3 1 燃烧过程的研究方法 燃烧过程是柴油机工作循环的核心，包括气流运动、传热、传质和化学反应 等复杂的物理化学过程，直接影响着柴油机的动力性、经济性、噪声及排放性能 垡；f 7 墙】 可0 长期以来，由于燃烧过程的复杂性，主要通过实验手段进行内燃机燃烧过程 的研究。如利用缸内视频系统直观的观察燃烧过程，利用激光多普勒流速仪测量 内燃机缸内速度场、紊流场，用。娘s 光谱能鉴别燃气成分和测量温度、浓度 等【引。8 0 年代后，随着激光光片测量方法的应用，研究人员已经能够测出油束 2 江苏大学硕士学位论文 中液体和燃烧蒸汽的分布、空燃比的时空分布、自燃点、反应区以及碳粒的分布 等。在此基础上，d e c 等人于1 9 9 7 年首次提出了新概念燃烧模型【l o l ，从而对直 喷柴油机燃烧进程有了新的认识f l l 】。但是，这些实验手段仍不能全面反映在复杂 缸内条件下的火焰分布、火焰发展与排放之间的关系。 2 0 世纪6 0 年代末，运用计算机来模拟燃烧过程的研究方法逐渐发展起来， 并随着燃烧过程数学模型的完善和计算机技术、计算流体力学( c f d ) 的飞速发展 而越来越受到国内外学者的重视，成为内燃机性能研究的常用手段。运用数值模 拟的方法进行燃烧过程的研究，不仅能节约大量的研究经费，缩短研究周期，加 快产品研发的速度，而且能显示缸内任意时刻的温度场、速度场、压力场及排放 物分布等【协1 3 1 ，对于改善柴油机性能有重要的指导作用。 1 3 2 燃烧过程数值模拟的发展 作为内燃机工作过程模拟研究的首创者，英国人d c l e r k 于1 8 8 2 年用气体 标准循环分析方法比较了各种内燃机的热效率。但在此后的8 0 年中，这方面的 研究没有取得重大的突破，直到2 0 世纪6 0 年代出现了基于电子计算机的内燃机 循环模拟后，燃烧过程数值模拟的研究才有了迅猛发展，前后大致经历了放热率 计算、零维模型、准维模型和多维模型四个阶段： ( 1 ) 放热率计算，根据实测的缸内压力数据( 示功图) 以及能量守恒方程 和经验传热公式，推算燃油燃烧的放热过程，用以分析内燃机的燃烧【1 4 1 。这种 方法简便直观，对诊断燃烧有一定的作用，迄今在性能研究中仍受到重视。 ( 2 ) 零维模型，又称单区模型。通过对大量实际燃烧放热过程进行统计分 析，用经验公式或曲线拟合的方法，建立表达燃烧放热过程的参数问的经验关系 式，将燃烧过程简化成几个特征参数之间的关系。他们共同的特点是把缸内工作 过程的每一瞬态看成是均匀的，忽略燃烧物理一化学反应的复杂中间过程，把燃 烧看成是按一定规律向系统加入热量的过程【1 5 】。 零维模型用简单的数学关系掩盖了燃烧中物理一化学反应过程的本质，无法 从机理上把握其规律性，也不能预测排放物的生成，而且计算的准确性又依赖于 经验系数的选取，计算结果与内燃机型式及运行条件有很强的依赖关系【1 4 1 。 ( 3 ) 准维模型，是在零维模型的基础上考虑了喷雾及火焰传播等物理过程 3 江苏大学硕士学位论文 的长度尺度，即将燃烧室按火焰位置或喷注分布形态分成若干个区域，分别考虑 喷雾扩散、油滴蒸发、混合与卷吸、燃烧火焰传播及已燃区燃烧产物变化等过程， 预测缸内不同区域的燃烧温度，并针对不同机型侧重不同的子过程，使放热率更 接近实际。目前，美国康明斯( c u m m i n s ) 公司林慰梓等人提出的以气相喷注为基 础的“气相喷注燃烧模型”和日本广岛大学广安博之等人提出的以油滴蒸发为基 础的“油滴蒸发燃烧模型 应用较为普遍【14 j 1 1 酗1 7 1 。 零维模型和准维模型都是在热力学理论的基础上，以时问为自变量来描述燃 烧过程。二者的主要区别在于：零维模型将整个燃烧室视为均匀场，忽略有关参 数随燃烧室空间位置的变化；准维模型则对燃烧室空间做分区处理，可以较为精 确地预测缸内燃烧过程的主要性能参数及发动机的排放性能。但由于准维模型采 用不同的子模型来描述不同的子过程，从而使其通用性受到限制。 ( 4 ) 多维模型，多维模型包含了缸内过程物理域二维或三维的空间分布， 通过空气动力学、化学反应动力学、热交换、质量交换和动量传递等基本规律来 描述内燃机燃烧过程，包括气流运动、燃油喷射雾化与蒸发、混合气的形成、着 火与燃烧以及废气与微粒的排放等，其计算结果能反应缸内燃烧过程中的气流速 度、温度和成分在燃烧空间分布的详细信息，是一种较为精细的模型，具有较强 的通用性。 1 3 3 多维模拟技术的发展 2 0 世纪7 0 年代后，在数值计算方法和计算流体力学日趋成熟的基础上，多维 数值模拟技术得到了较快的发展。美国l o sa l a m o s 国家实验室的c w h i r t 等于 1 9 7 2 年首次提出了i c e d - a l e 方法，此方法可以避免音速稳定性的限制，而且能 够模拟弯曲或移动的边界表面，特别适合于求解内燃机这类几何形状不规则且工 作容积不断变化的流动问题。之后开发出了c o n c h a s 程序，提供了循环的拉格 朗日一欧拉公式，允许形成伴随活塞运动的计算网格，适用于对任意形状的单元 的气流计算。随后，c o n c h a s s p r a y 代替了c o n c h a s 程序，它包括了喷射 动力学模型，可用统计学的方法描述微粒尺寸的光谱分析及蒸发的影响。 c o n c h a s s p r a y 之后，逐渐发展形成了k i v a 软件。k i v a 可用相同的方法处 理二维和三维问题，扩充了喷射模型，可处理燃油喷射和碳化问题。英国帝国理 4 江苏大学硕士学位论文 工学院的d b s p a l d i n g 在1 9 7 2 年首创的半隐式控制容积法s i m p l e ( s c m i i m p l i c i t m e t h o df o rp r e s s u r e l i n k e de q u a t i o n s ) ，在算法上奠定了求解缸内化学流控制方 程组的基础。a d g o s m a n 等于1 9 7 3 年开发了一种用于内燃机缸内工作过程的计 算程序，简称r p m ( r e c i p r o c a t i n gp i s t o nm o t i o n ) 程序，用来计算封闭轴对称气缸 中无燃烧的层流流动。1 9 7 7 年，a e g o s m a n 和r j r j o h n s 采用r p m 方法对理想化 的直喷式柴油机燃烧室进行了进气涡流与活塞凹坑形状对缸内流动特性影响的 计算。在此基础上，1 9 8 2 年，g o s m a n 建立了较为全面的直接喷射式柴油机缸内 工作过程的数学模型，并在1 9 8 4 年开发了直喷式柴油机缸内流动过程完全三维数 值模拟计算程序f 1 8 1 。 我国，内燃机工作者在消化和吸收了国外先进数学模型、数值方法基础上， 也开发出了一些内燃机工作过程数值模拟程序。如北京理工大学开发的内燃机工 作过程三维通用模拟程序r e s 3 c i i ：同济大学、江苏理工大学( 现江苏大学) 联合开发的涡流室式柴油机工作过程的三维模拟程序e n g i n e i i ；吉林工业大学 开发的微机版内燃机缸内多维气流运动模拟程序s u n 1 等。 但初期的数值模拟技术由于受到计算机技术的限制，应用并不普及。2 0 世 纪9 0 年代后，个人电脑p c 机迅速发展，其执行速度己远远超过昔同的小型机甚 至中型机，同时存储容量和图形功能也大大增强，而且价格相对低廉，这些为内 燃机c f d 软件在p c 机上的应用创造了条件。一些著名的内燃机c f d 软件逐渐都 有了p c 版本。目i j i ，较为常用的有：s c r y u 、p o w e r f l o w 、s t a r c d 、f i r e 、 k i v a 、f l u e n t 等。不同的软件在不同应用领域有各自的优势，例如s c r y u 、 p o w e r f l o w 在剥离再附着、喷流、涡流等方面的计算精度比较高，适合于空气 动力学方面的研究，而s t a r c d 因它的计算和分析时间比较短，所需内存容量不 大，且可以自动生成非结构化网格，被广泛应用于发动机定常流、喷雾燃烧、热 传导等领域的分析。 1 3 4f l r e 简介 f i r e 是由奥地利a v l 公司丌发的用于模拟缸内气体流动、燃油喷射、燃烧 过程的c f d 软，由前处理、求解器和后处理三部分组成。通过前处理可生成相 关网格模型，其质量决定了整个模拟计算的准确性【1 9 1 。f i r e 拥有动网格生成能 5 江苏大学硕士学位论文 力，能够对包括进气道在内的复杂结构实现快速优质的网格划分：f i r e 还包含 了湍流、燃烧和排放预测模型，其中湍流模型包括k s 湍流模型、r s m 模型和 a v l - h t m 模型等；燃烧模型包括e b u 模型、小火焰模型、p d f 模型、拟序模 型和特征时间尺度模型等；排放模型包括z e l d o v i c hn o 预测模型、 k e n n e d y h i r o y a s u m a g n u s s e n 碳烟模型、k e n n e d y h i r o y a s u m a g n u s s e n - r a d 碳烟 模型以及高级碳烟模型。为方便用户根据不同的求解对象和环境选择特定的计算 模型，f i r e 还预留了用户自定义模型。 1 4 本文的研究内容及研究方法 本文以y z 4 1 0 2 柴油机为研究对象，利用a v l 公司的三维模拟软件f i r e ， 对柴油机在不同环境温度情况下的燃烧过程进行多维数值模拟，并通过对模拟结 果的分析，探询低温环境对柴油机燃烧过程的影响，为改善柴油机的低温燃油经 济性提供理论指导。 主要研究内容如下： ( 1 ) 针对所选机型，建立燃烧过程的数值模型。建立准确的数值模型主要 包括三个步骤，即分析所选柴油机的结构和性能参数，选择合适的子模型，提高 模拟精度；根据实测参数以及相应的经验公式，准确计算出选定工况下的各种初 始和边界条件；对选定工况下的柴油机燃烧过程进行模拟，并利用实验数据( 台 架试验测得) 对建立的模型进行验证。 ( 2 ) 利用己建燃烧模型模拟计算不同温度参数下的柴油机燃烧过程，分析 低温环境对柴油机性能的影响。通过模拟不同进气温度、燃油温度、和气缸壁面 温度下的缸内燃烧过程，以及分析缸内燃油分布、温度和压力变化以及放热规律 等燃烧特性，探究低温环境对柴油机燃烧的影响规律及柴油机冬季燃油消耗过高 的原因。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章柴油机燃烧过程多维模拟的数学模型 柴油机燃烧过程的多维数值模拟主要包括三部分，即应用单相流体力学对缸 内空气运动的模拟、应用两相流体力学对缸内喷雾混合过程的模拟、应用燃烧化 学对缸内燃烧过程的模拟。 2 1 湍流模拟 2 1 1 湍流模型的分类 直喷式柴油机缸内气流运动为湍流流动，进气过程中形成的涡流在压缩行程 中受到压缩，与挤流相互作用，从而形成了燃烧室内的湍流流场1 2 0 - 2 1 1 。 湍流流动是一种由不同尺度的涡旋叠合而成的高度复杂的三维非稳态不规 则运动。其中，涡旋的大小及旋转轴的方向分布是随机的，流体的物理参数( 如 速度、压力、温度等) 随时间与空间的变化而随机变化，大尺度的涡旋主要由流 动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟，是引起低频脉动的原因； 小尺度的涡旋主要是由粘性力所决定，其尺寸可能只有流场尺度千分之一的量 级，是引起高频脉动的主要原因。大尺度的涡旋破裂后形成小尺度的涡旋，较小 尺度的涡旋破裂后形成更小尺度的涡旋，因而在充分发展的紊流区域内，流体涡 旋的尺寸可在相当宽的范围内连续变化。大尺度的涡旋不断地从主流中获得能 量，通过涡旋间的相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡旋传递。最后在流体粘性的 作用下，小尺度的涡旋不断消失，机械能就转化为流体的热能。同时，由于边界 的作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动【2 2 1 。 图2 1 给出了目前应用的各种湍流模型的分类。 ( 1 ) 完全模拟，即用非定长三维n s ( n a v i e rs t o k e s ) 方程对湍流进行直接 数值计算。对高度复杂的湍流运动进行直接数值计算，须采用较短的时间与空间 步长，从而才能分辨出湍流中详细的空间结构和变化剧烈程度的时间特性。因此， 这种湍流模拟方法对内存空间及计算速度的要求较高，目前还难以被推广普及。 ( 2 ) 大涡模拟，这种方法将涡分为大尺度涡和小尺度涡，利用非定长的 n s 方程来直接模拟大尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的亚格子r e y n o l d s 应力模型来表示。大涡模拟方法对计算机内存及速度的要求依然较高，但远低于 7 江苏大学硕士学位论文 完全模拟方法对计算机资源的要求，在工作站上甚至在p c 机上均可进行数值计 算，因而近年来大涡模拟方法的应用日趋广泛。 ( 3 ) 应用雷诺时均方程( r e y n o l d s a v e r a g i n ge q u a t i o n s ) 模拟，在这类方法中， 将非稳态控制方程对时间作平均，从而获得关于时均物理量的流动与传热问题控 制方程，由于所得方程中包含的未知量个数大于方程个数，要使方程组封闭，必 须作出假设，即建立模型。这种模型把未知的更高阶的时间平均值表示成了较低 阶的计算中可以确定的量函数。运用雷诺时均方程模拟湍流运动是目前湍流计算 中普遍运用的方法。 完全模拟 大涡模拟 雷诺时均方程 粘性系数模型 雷诺应力模型 零方程模型 一方程模型 两方程模型 多方程模型 图2 1 湍流模型的分类 f i g 2 1c l a s s i f i c a t i o no ft u r b u l e n c em o d e l 2 1 2 流动与传热基本方程 由于所有流动与传热过程都遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律 f 2 3 j ，因而它们的控制方程可以表示为以下通用形式： 声等= p _ - g 矽+ 矽，考= 硫+ 鲁 ( 2 1 ) 式中，瓦d 为实质导数；声为流体密度；方为单位质量的通用变量；无为控制边 界单位哼i 日j 的质量源项；元为控制边界单位时间的局部扩散源项。 动量守恒方程为：芗= 疗。 尸譬= 声警+ 匆，筹堍+ 鲁堍一等+ 毒 l 0 i 0 , + 等一j 2 瓦0 u k 磊 8 江苏大学硕士学位论文 能量守恒方程：方：百：万+ 竺 。 一 p 尝= 文警+ 。，筹 _ 魂+ 詈+ 毒皖疗小毒( a 善 c 2 浓度方程：方= e 多- 优b - i - 0 和，爵彦+ 罢+ 单割 眩4 ， 2 1 3 雷诺时均方程 用雷诺时均方程中的湍流量( 速度、压力、密度、温度等) 可以分解为平均 值和脉动值刚，即： 芗= 西+ ( 2 5 ) 式中，矽代表瞬时值：为平均值；矽为脉动值。 当 = + ，痧= l p + f o 则( 1 ) c 歹= c 芗= c ( 其中，c 为常数) ( 2 ) 矽痧= 矽+ 痧= 西+ 甲 c 3 ，警= 警= 罢，两= 肛= 慨 ( 4 ) 如= 万巧。网= m 甲+ 面+ 万+ 历= o w + 历 用雷诺时均值代替式( 2 1 ) 中的瞬时变量方，并假定歹= o ，i = o ，a 一, j o ， 可得： p - 舯b - i - = p 詈+ ，詈= 以+ 毒心一画) ( 2 6 ) p 2 p 百+ ，瓦2 4 m + 瓦u 一p 加，j ( 2 6 ) 用相应的变量代替式( 2 6 ) 中的，矽和f ，可得到相应的雷诺时均守恒方 程， ( 1 ) 雷诺时均动量守恒方程： 9 江苏大学硕士学位论文 p 鲁= p 警+ ，等+ 毒k p u i u j ) 眩7 ， ( 2 ) 雷诺时均守能量恒方程： p 筹= 警+ u ，筹 - 魄+ 等+ 毒( 无毒 c 2 剐 ( 3 ) 雷诺时均浓度守恒方程 尸尝= 1 6 0 0 k ) 时，方程的j 下向反应率和逆向反应率趋于平衡1 3 8 】，当t 旺3 8 ， 式中，e 。为活化能；r 为气体常数；p 为压力；t 为温度；f ( f ，纯) 为表面生成 成率；厂为混合气质量分数；吮为s o o t 质量分数。 s o o t 的氧化速率实际上决定了s o o t 排放水平，根据化学反应动力学和湍流混 合控制率理论，s d 取n a g l e s t r i c k l a n d c o n s t a b l e 公式和m a g n u s s e n h j e r t a g e r 公 式中反应较慢的值： s d 2 = 书( 织，p d 2 ，t ) ( 2 3 9 ) s d 2 = 廿( 纯，p 0 2 ，f ) ( 2 4 0 ) 其中，以为s o o t 质量分数；p 队为氧气局部压力；t 为温度：f 为积分湍流时间 尺度。 2 4 本章小结 对柴油机燃烧模拟过程中所使用的基本模型进行了简要的阐述。由于柴油机 缸内燃烧过程是一个复杂的综合过程，很难运用单个的数学模型完成模拟，因此 1 7 江苏大学硕士学位论文 在模拟过程中将燃烧分为气体运动、喷雾混合和燃料燃烧三个独立的模块，分别 用相应的子模型对其进行模拟，并对各子模型的建模机理做了简要的论述。 1 8 江苏大学硕士学位论文 第三章柴油机燃烧过程模型的建立及其验证 3 1 研究对象 表3 1 所示为y z 4 1 0 2 柴油机的参数。 表3 1y z 4 1