（动力机械及工程专业论文）基于avlfire的柴油机进气过程三维瞬态数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 内燃机缸内空气运动对混合气的形成和燃烧过程有着决定性影响，因而也影响 着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气的排放。组织良好的缸内空气运 动是实现高性能低污染柴油机的关键。因此深入了解螺旋进气道及缸内流场具有非 常重要的意义。本文对某增压柴油机的进气过程进行了三维瞬态数值模拟，来获取 气道内部流场的微观信息。具体内容如下： 应用逆向工程技术和三维绘图软件p r o e 建立了包括进气道、气缸、燃烧室在 内的柴油机三维实体模型，利用软件中f a m e e n g i n e p l u s 模块建立动网格模型，施 加单值性条件后进行瞬态模拟。通过计算分析得到了缸内平均参数如气体质量、缸 内压力和湍动能等随曲轴转角变化的曲线，以及缸内气体速度场和湍动能场的分 布。分析结果表明，进气过程中，缸内气体由紊乱流动变为旋涡流动；气门下方及 其周围是缸内流场最复杂的区域；缸内平均压力呈现先减小后增大的趋势，而湍动 能值则是先增大后减小的趋势。 阐述了气道稳流试验装置及方法，介绍了进气道性能评价方法，将稳态模拟结 果与试验数据进行对比，验证了计算模型的准确性。通过对高压差下进气道流通能 力研究，研究表明螺旋进气道流量系数随压差的升高而减小。将不同气门升程下瞬 态模拟结果与稳态模拟结果进行了对比，分析表明瞬态模拟具有实时性，缸内速度 场和湍动能场更符合缸内流场实际情况，具有较大的优越性。 对不同结构和运转因素下进气过程进行三维瞬态数值模拟，模拟结果表明不同 发动机转速下缸内压力以及速度变化趋势基本相同，但转速升高，进气道及缸内气 体流动速度加快，湍动能值变大。通过对标定转速下不同进气迟闭角的进气过程进 行模拟计算，得到部分缸内平均参数随曲轴转角的变化曲线，以及进气过程终了时 刻缸内流场的三维轨迹图。研究表明，进气迟闭角为5 6 9 。c a 时进气过程终了时 缸内气体质量最大，缸内气流分布均匀，标定转速进气迟闭角5 6 9 。c a 更为适合。 关键字：柴油机，螺旋进气道，进气过程，瞬态模拟 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea i rf l o wi n s i d et h ec y l i n d e ro fi c eh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ep r o c e s so ft h e f u e la i rm i x i n ga n dc o m b u s t i o n a n di td i r e c t l ya f f e c t st h ep o w e rp e r f o r m a n c e ，f u e l c o n s u m p t i o n , c o m b u s t i o n n o i s ea n de m i s s i o n s t h er e a s o n a b l ef l o wa i r p l a y s a n i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h eh i g he f f i c i e n c ya n dl o wp o l l u t i o nd i e s e le n g i n e s ot h e r e s e a r c ho ft h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so fh e l i c a li n t a k ep o r t sa n di n - c y l i n d e ri sv e r y i m p o r t a n ta n ds i g n i f i c a n t i nt h i sp a p e r , t h em i c r oi n f o r m a t i o no ft h ef l o wf i e l do ft h e i n t a k ep r o c e s si nat u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n ew a so b t a i n e db yt h r e ed i m e n s i o n a l t r a n s i e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： t h et h r e ed i m e n s i o n a lm o d e li n c l u d i n gi n t a k ep o r t ，c y l i n d e ra n dc o m b u s t i o n c h a m b e rw a se s t a b l i s h e db yu s i n gr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n d3 - dd r a w i n gs o f t w a r ep m e ， w h e r et h ei n f l u e n c eo fe x h a u s tp o r tw a sn e g l e c t e d t h e nt h e3 - dd y n a m i cm e s hm o d e l w a sb u i l tb yf a m ee n g i n ep l u so fa v l - f i r e t h ei n t a k ep r o c e s sw a ss i m u l a t e d t h e c h a n g eo l i v e so fa v e r a g ep a r a m e t e r ss u c h a sm a s s ，m e a nf l u i dp r e s s u r ea n dm e a n t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yo fi n t a k ea i rv i ae n g i n ec r a n ka n g l ew e r ec a l c u l a t e d t h e v e l o c i t yf i e l da n dt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yf i e l dd i s t r i b u t i o nw e r ed e s c r i b e d t h er e s u l t s s h o w e dt l l a tt h ef l o wm o v e m e n tb e c a m ev o r t e xa i r f l o wf r o mt u r b u l e n ta i r f l o w t h em o s t c o m p l e xf l o wf i l e da p p e a r e dn e a rt h ei n t a k ev a l v e t h em e a n f l u i dp r e s s u r ed e c r e a s e d w i t ht h ec r a n ka n g l ea tf i r s tt h e ni n c r e a s e d ，t h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yi n c r e a s e da tf i r s t t h e nd e c e a s e d t h es t e a d yf l o wt e s tr i ga n dt h et e s tm e t h o dw a sd e s c r i b e d t h ee v a l u a t i o nm e t h o d o ft h ep e r f o r m a n c eo ft h ei n t a k ep o r tw a sd i s c u s s e d t h eo u t p u td a t ao fs t e a d ys i m u l a t i o n w a sc o m p a r e dw i t ht h es t e a d yt e s tr e s u l t s i tw a sp r o v e dt h a tt h ec a l c u l a 廿o nm o d e lw a s f e a s i b l e t h ef l o wc a p a c i t yo ft h ei n t a k ep o r tw a sp e r f o r m e da th i g hd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e t h ef l o wc o e f f i c i e n to fi n t a k ep o r td e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep r e s s u r ed i f f e r e n c e t h ec o n t r a s tb e t w e e nt h et r a n s i e n ts i m u l a t i o na n dt h es t e a d yo n ep r o v e dt h a tt h et r a n s i e n t s i m u l a t i o nw a sm u c hs u p e r i o rt ot h es t e a d yo n e t h et r a n s i e n ts i m u l a t i o nm e t h o dh a d i r 基于a v l - f i r e 的柴油机进气过程三维瞬态数值模拟 s t r o n gr e a l - t i m e t h ev e l o c i t yf i e l da n dt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yf i e l dd i s t r i b u t i o na c c o r d w i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no fi n c y l i n d e rf l o wf i e l d t h e3 - dt r a n s i e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi n t a k ep r o c e s sa td i f f e r e n ts t r u c t u r ea n d e n g i n es p e e dw a sc a r r i e do u t t h ed a t as h o w e dt h a tt h et r e n do fp r e s s u r ea n ds p e e do f i n c y l i n d e ra i rw a sa l m o s ts a m ea td i f f e r e n te n g i n es p e e d a th i g hs p e e dt h ea i rv e l o c i t y a n dt h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yw e r eb i g g e ra n dt h ea i rm o t i o nw a sm o r ec o m p l e x t h ei n t a k ep r o c e s sa td i f f e r e n ti n t a k el a ga n g l e sw a sc a l c u l a t e d t h ec h a n g ec u r v e s o fa v e r a g ep a r a m e t e r so fi n t a k ea i rv i ae n g i n ec r a n ka n g l ea n dt h e3 一ds t r e a m l i n e so f i n c y l i n d e rf l o wf i e l da tt h ee n do fi n l e tw e r eo b t a i n e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nt h e i n t a k el a ga n g l ew a s5 6 9 。c at h eq u a n t i t yo ff r e s ha i ri nc y l i n d e rw a sb i g e s ta n dt h ea i r m o v e m e n td i s t r i b u t e dm o r eu n i f o r m l y t h es u i t e di n t a k el a ga n g l ew a s5 6 9 。c aa tr a t e d s p e e d k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，h e l i c a li n t a k ep o r t ，i n t a k ep r o c e s s ，t r a n s i e n ts i m u l a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 近年来，柴油机由于具有经济性动力性良好、工作可靠性高等特点被广泛使用， 尤其是重型机械以及军用坦克等的动力装置。另外电控直喷、共轨、涡轮增压、中 冷等先进柴油机技术的应用，使现代柴油机克服了振动大噪声大等不足，综合性能 得到提高。 柴油机给人们的生活带来了便利，但同时也带来能源危机与环境问题，我国 2 0 1 1 年石油进口量2 5 亿吨，进口量超越美国，成为对海外石油依赖度最高的国家。 除了工业污染，污染环境的另一个相当重要的原因就是机动车尾气排放，其对全球 气候及人类健康都造成了严重的损害，时至今日，节能和环保已经成为内燃机行业 两项重大议题。为了解决这些问题，各国相继制定了愈来愈严格的排放法规和燃油 消耗法规。面对日益严格的排放法规，直喷式柴油机只有在保持低油耗的同时，不 断提高柴油机的性能，进一步降低排放，才能扩大市场占有率【1 】【2 】。 在柴油机的发展过程中，人们一直把改进燃烧的质量作为提高柴油机的动力性 和经济性的主要途径。直喷柴油机的潜力除了降低油耗、优化增压系统以及应用合 适的排气后处理系统外，更关键的则在于优化进气系统、供油系统和燃烧室结构三 者之间的匹配【3 】。 在柴油机中，进气过程中进入气缸的新鲜充量和空气的速度分布及其涡流和湍 流状况等明显影响着燃烧过程，从而影响其经济性、动力性和排放指标1 4 】。而进气 道的结构直接影响内燃机缸内新鲜充量的多少以及吸入空气的涡流强度，关系到混 合气的形成状况【5 l ，从而直接关系到内燃机的燃烧完善程度、排气成分以及废气可 用能量等等。中小型高速直喷式柴油机常利用螺旋进气道来产生适当的进气涡流以 促进燃料与空气的混合，改善其燃烧过程，螺旋进气道是所有发动机气道中外形最 为复杂的一类，这给设计性能优良的迸气道带来了很大的困难f 6 1 。 采用三维瞬态数值模拟技术是探究发动机气道以及缸内空气流动的有效手段。 三维瞬态数值模拟是近年随着计算机计算速度的提升以及计算机图形处理技术的 基于a v l - f i r e 的柴油机进气过程三维瞬态数值模拟 发展而逐渐发展完善的川。采用这种模拟方法可以了解气道内流动的详细情况，探 求进气道的几何形状、结构对气体流动的影响规律【8 1 ，进而对要设计的进气道进行 性能预测，从理论上提出改进方向。 1 2 柴油机缸内气体流动研究方法与现状 柴油机缸内气体流动过程极其复杂，具有三维不定常并伴有喷雾等多相过程的 特点，同时其流动还要在高温、高压下发生复杂的化学反应，所以很难在发动机上 直接测量气道及缸内的流动状态。随着研究的深入和排放标准的越来越严格，为了 分析发动机气道以及缸内气体流动的详细情况，许多研究方法应运而生。2 0 世纪 9 0 年代，计算机技术的飞速发展给空气流动的数值模拟提供了广阔的前景。总的来 说，对发动机缸内空气运动的研究方法分为实验研究与数值模拟研究两大类。 1 2 1 柴油机缸内气体流动的实验研究 1 2 1 1 热线风速仪法( h o tw k ea n o m o m e t e r ) 热线风速仪为接触性仪器，它将特定的电加热金属丝放入被测流场中，测量单 点瞬时速度的变化历程。热线风速仪建立在热平衡原理基础之上，其敏感元件是一 长度远大于直径的细金属丝( 探针) ，或敷于玻璃材料支架上的一层金属薄膜元件， 将此探针或者金属薄膜元件置于流体介质内，用电加热，使其温度高于流体介质温 度。当其温度高于流体介质温度时，由于敏感元件与流体介质之间存在温度差，就 产生了热交换，利用热交换率的大小，就可以求出被测对象的速度、温度甚至浓度 的平均值和脉动值等参数值【9 】【堋。 热线风速仪用于流速的测量已有几十年的历史，是内燃机缸内流场测量的重要 手段，为内燃机的发展起了很大的作用。其主要优点有：设备简单，使用方便，价 格便宜；探头及定位系统小巧，移动迅速，采样点布置灵活；信噪比高，灵敏度高， 频响快；热线探针可以做得很小，空间分辨率较高。其主要缺点有：由于探针进入 流场，故对流场有一定影响；信号受气体物理参数影响，使用前后均需要重新标定， 甚至需要进行修正，使用过程较为麻烦；热线一般使用直径为岬的金属丝，脆弱、 易断，且只能测量出垂直于热线丝方向的气流速度分量，不能辨认方向【1 1 l 。 2 江苏大学硕士学位论文 江苏大学的梅德清等在稳流气道试验台上，利用热线风速仪测量4 气门柴油机 缸内流场，研究了柴油机缸内进气涡流的形成过程，揭示了进气过程气体流动的特 点和规律，并从湍流的角度分析了缸内气流的发展和衍变。研究结果表明，气缸盖 出口流场气流变化较强烈，湍流强度高，难以形成明显的刚性涡流；沿着气缸向下， 由于湍流的作用使缸内流场不断衰减并均匀化，在缸内形成稳定的涡流【1 2 1 。 1 2 1 2 激光测速法 激光测速技术使内燃机缸内测量登上一个新台阶，它不仅为我们提供了许多前 人难以了解的流动信息，也为缸内流动数值模拟提供边界条件和验证手段。通过运 用各种流动可视化技术，可以更直接地反映内燃机缸内的气流运动，以了解复杂的 流动现象，并探讨其物理机制和运动规律。激光测速法常用的有激光多普勒测速法， 相位多普勒技术以及粒子图像测速技术。 激光多普勒测速法( l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t r y ) 是近年来快速发展的一种流速 检测方法，它基于激光多普勒效应来测量流体速度的变化。由于悬浮在流体中小粒 子的运动，散射光频率产生偏移，频率偏移量与流动速度呈现线形关系，这样测出 频率的偏移量就可计算出流体的移动速度。随着电子计算机技术和激光技术的飞速 发展，激光多普勒测速技术已发展得相当完善，它的主要优点有：输出信号与被测 气流状态( 压力，温度，成分) 无关，测量结果无须校正；气流方向很容易用仪器 方便地判断，能测逆向流速；对被测气流的湍流度没有限制；对流场没有任何干扰； 能在工作着的内燃机上进行测试；测量精度高，一般可达到2 5 ，且动态响 应快【1 0 l 。但l d v 也存在不足之处，主要表现在：由于l d v 只指示速度的大小，所 以当流动方向改变时，需要频繁移动系统；为了实时测定变动流，播入的散射用粒 子必须均匀、适量，这在发动机中控制比较困难，必须在气缸上装一个或两个观察 窗，整套装置的价格比较昂贵等【1 1 l 。多普勒测速技术所存在的某些缺点使得其只能 获得单点测试结果，不能精确测量缸内瞬时空间全流场分布。大连理工大学许俊峰 等在一台经过改装的1 0 5 单缸4 气门柴油机上由电机倒拖，使用激光多普勒测速仪 测量了缸内上部在进气和压缩过程的速度信号，分别使用小波分析法和集总平均法 对进气和压缩过程中缸内流场的平均速度和湍流强度进行了计算比较。小波分析结 果中，对不同小波函数及小波分解层分析结果进行了讨论。结果表明，在进气过程 中，各尺度下得湍流强度值均较大，在压缩过程中，湍流强度值减小，使用集总平 3 基于a v l - f i r e 的柴油机进气过程三维瞬态数值模拟 均法得到的湍流强度值大于小波分析法得到的结果，而且各不同尺度湍流强度变化 曲线一致，说明各频段之间能量变化一致【1 3 】。 相位多普勒技术( p h a s e d o p p l e r a n e m o m e t r y ) 是2 0 世纪8 0 年代以后由激光多 普勒风速仪发展而来的一项可以同时测量流场中粒子的速度和粒径信息的新技术。 一定条件下，球形粒子的直径同相位差成正比。因此在原有的激光多普勒测速系统 上再加一个或两个光检测器和一套相位检测系统，就可以从粒子多普勒散射光中的 相位信息中得到流场中单个粒子的速度和粒径信剧1 4 1 。其主要优点是：可对液体流 动或气体流动中的球形粒子的尺寸、速度和浓度进行实时测量；可以对以超音速、 几乎静止不动或环流湍流中作反向流动的粒子的特性进行测量。其缺点是价格昂 贵，调整技术复杂。上海交通大学乔信起等应用激光相位多普勒技术测量了含甲缩 醛柴油喷雾的速度场和粒径场，在直喷式柴油机上研究了该含氧混合燃油的燃烧排 放特性。结果表明，添加甲缩醛可改善柴油的雾化，增加喷雾轴线上的粒子速度， 但减小喷雾锥角【1 5 l 。 粒子图像测速技术( p a r t i d ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 是2 0 世纪9 0 年代末发展起来 的流动显示技术，其主要特点是超出了单点测速( 删a 、i d a ) 技术的局限性，能 够用于定量测取大区域内的瞬态流速分布，可提供流场丰富的空间结构，目前已成 为内燃机流场研究中的重要技术。现代二维p i v 技术可同时测得3 5 0 0 到1 4 4 0 0 个 点的瞬时速度向量，精度约为0 1 至1 。p i v 速度场的测量技术逐步发展为一个 流动切面的瞬时三维速度场及其时间历程测量( 如s p ) 和一个流动空间的瞬时 三维速度场测量( h p i v ) ，即p i v 技术将向数字p i v 和3 d p i v 方向发展，并更加 实用化【1 6 1 。 1 2 1 3 稳流气道试验台 气道稳流试验是在稳压流动的条件下测量缸内进气涡流强度、进气道阻力特性 的试验，目前工业上最常用的综合评价进气道流动特性的实验装置是气道稳流试验 装置。通常，稳流气道试验台包括气道芯盒模具( 或气缸盖) 、气门、模拟气缸套、 涡流测量装置、u 型管压差计、流量测量装置、稳压筒、真空发生装置、压力调节 装置和相应的二次仪表等。离心式真空泵抽气使稳压箱和气道进气口之间产生压 差，进气道出口气流穿过模拟缸套中的涡流计，涡流计通过扭矩反作用力，测得气 缸中空气流的角动量矩。目前测量用涡流计主要有两种型式，即叶轮涡流计和动量 4 江苏大学硕士学位论文 涡流计。 叶轮涡流计是把叶轮的转速近似地看作气流的转速来转换成角动量矩。这种方 法假设气流作刚体涡流，从而忽略了轴向速度分布和切向速度分布的影响。因此，该 测量方法误差较大，且易受进气道导向、气门布置、气门尺寸和数量、气门升程和 测量平面与气缸盖的距离等多重因素的影响，叶轮叶片的形状和数目也会影响所测 涡流大小【彻。虽然这种方法早已被用于气道稳流试验台上测量进气涡流大小，但在 不同试验台上对同一气道的测试结果相差很大，它只能用于同一试验台上对不同的 气道进行相对、定性的比较【1 7 1 。 g t i p p e l m a n n 提出了用动量式涡流计测定模拟气缸涡流强度的新方法。涡流动 量计测得的是缸内涡流作用力矩，也就是气缸内气流的动量矩流科埘。缸内空气的 动量矩流率与该截面处的切向速度和轴向速度的分布有关，动量式涡流计的测量值 即为测量截面处的空气动量矩流率，因此这种测量工具更能确切地衡量气道产生涡 流的能力。上海交通大学吴志军在稳流模拟试验台上利用这两种涡流计测量了缸内 涡流，分析了涡流计型式对缸内涡流转速测量的影响。结果表明，动量式涡流计测 量值没有大幅度波动，且始终高于叶轮涡流计的测量值；叶轮涡流计测量值随测量 位置的变化波动较大【1 9 1 。 1 2 2 柴油机缸内气体流动的多维数值模拟 在气道性能测试和设计过程中，稳流气道试验台一直充当着主要角色，但随着 计算机技术的迅速发展，采用数值模拟技术来实现气道性能的模拟测试已经成为现 实。此项技术是通过计算机的数值计算和图像显示技术，计算出进气道和缸内各点 的流场物理量值，进而详细地描述流场的特性，减少了试验的工作量，并且大大降 低了气道开发成本。数值模拟技术不仅可以给出气道流动特性参数的参考值，预测 流动性能，而且可以给出内部流场的详细信息，获得一些试验难以测量甚至无法测 量的结果，从而给试验研究提供一定的补充【捌。通过对螺旋进气道进行数值模拟， 可以发现气道性能随结构参数变化的规律，从而找出影响气道性能的主要参数，从 理论上指导试验工作，减少试验的盲目性，最终的目的就是能够实现气道结构优化 设计，找出最佳的结构形状。虽然数值模拟提高了气道研制效率和水平，使气道形 状设计更加科学合理，但是，试验仍然是发动机气道开发过程中必不可少的环节， 5 基于a v l - f i r e 的柴油机进气过程三维瞬态数值模拟 模拟计算也需要试验研究结果来进行验证【2 1 1 。建立在计算流体动力学c f d ( c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i e s ) 基础上的多维数值模拟与试验的有机结合，相互补充， 正成为发动机进气道研究的重要手段之一。 1 2 1 1国外数值模拟研究现状 国外学者在气体流动的计算机数值模拟研究方面做了大量的工作并且取得了 很大的进展。1 9 8 7 年g o s m a n 和w a l k i n s 等人对内燃机中的空气流动做了三维模拟 计算，采用k e 模型计算了轴对称模型气门，研究表明，用标准的k - e 模型得出的 结果在中小气门升程时可得到较为满意的预测，在大气门升程时，预测效果不理想。 并且该方法所测不同气门升程时的湍流特性存在明显不同【2 2 】。 2 0 世纪9 0 年代初，s h i g e k is u g i u r a 等人对进气道气门缸内系统进行了三维流 动模拟计算，研究了进气系统几何形状对质量流量和计算模型的影响。结果表明， 质量流量随进气道曲率半径的增大而增大；计算模型不考虑气门时，质量流量的计 算值比实测值偏高4 5 1 1 ；若计算模型考虑气门，质量流量的计算值与实测值 吻合较好，说明气门对进气过程模拟计算影响较大，实际工程问题不能忽略气门的 影响，否则计算结果缺乏工程应用价值吲刚。 1 9 9 4 年b a h r a i n 等人采用自行开发的c f d 程序在螺旋状进气道上进行了进气道 气门气缸内耦合流动结构多维模拟。同年，p i e r r eg o d f i e 和m a r kz e l l a t 在内燃机 直气道和螺旋气道上进行了稳态流动模拟，流量系数和缸内速度场与试验结果表现 出较好的一致性，分析了基于计算流量系数的内燃机性能预测的机理【2 5 1 。 1 9 9 5 年k a n gy h u h 等人采用修改后的k i v a - i i 软件模拟计算了发动机进气道 气门气缸内的稳态流动，研究表明，用稳态数值模拟所计算涡流比来预测内燃机实 际工况的涡流比是可行的，虽然发动机稳定流动和实际工况的流场结构可能有所不 同，但计算得出的涡流比是可比较的【2 6 】。 1 9 9 6 年，m i t 的w o l f b a u e r 和j b h e y w o o d 采用s t a r - c d 预测一台单缸2 气门 汽油机的瞬态流场，计算模型包括进气管、进气道、气缸、排气管，并与试验结果 进行比较，其研究目的是了解整个进气流动过程包括倒流现象阳。 2 0 0 1 年，a u g u s t c m o r a e s ，j e f f r e y c b u e l 等人提出基于有限元法解决缸内非稳流 的新数值模拟方案；2 0 0 5 年u g u r k e s g i n l 应用a v l 的b o o s t 和f i r e 软件对内燃机 进排气系统进行模拟，并对其进排气系统进行改进网；2 0 0 8 年美国威斯康辛大学 6 江苏大学硕士学位论文 r d r e i t z 等人利用k i v a 程序从缸内气流运动的角度出发，结合遗传算法对某重型 柴油机燃烧室进行了优化【2 9 1 ；韩国机械工程研究所的j n k i m 等人利用s t a r c d 软件研究了进气涡流对柴油机油气混合以及燃烧的影响 3 0 1 3 1 1 。 1 2 2 2 国内数值模拟研究现状 国内对内燃机进气道和缸内气体流动方面的数值模拟研究起步较晚，主要是2 0 世纪8 0 年代后期开始的。但近年来，随着f l u e n t 、f i r e 等c f d 商业软件在内燃机 气道缸内气体流动方面的普遍应用【3 2 】，国内学者在数值模拟方面不断探索，得到 了很多有价值的结论。 1 9 9 9 年华中理工大学杨玟等人对稳流试验中进气道气门气缸流场进行了三维 稳态数值模拟，分析了气道形状、气门偏置等因素对流场分布和涡流比的影响。研 究表明：螺旋进气道斜坡段所产生的气流的角动量是缸内涡流形成的主要原因【鲫。 2 0 0 2 年中科院工程热物理研究所王海刚等人采用瞬态咬合法模拟气门和活塞 的运动，采用分块划分网格技术形成计算域的整体网格，微分方程的计算求解基于 k i v a - 3 程序，计算针对四冲程柴油机的进气过程进行模拟计算刚。 2 0 0 3 年华中科技大学王春发等人给出了复杂的螺旋气道结构网格生成的一种 拓扑分块方案及实现过程，用求解椭圆型方程的方法生成各块内空间网格，再用 h i l g e n s t o c k 方法修正源项，最后利用分块粘接技术生成螺旋进气道三维分块结构化 贴体网格。计算结果表明该网格拓扑分块方案以及生成方法可以对螺旋进气道流场 的流动进行较好的模拟【3 5 1 。 2 0 0 5 年重庆大学张志荣等人深入分析了在发动机c f d 瞬态分析中的4 类动态 网格划分技术：弹性平滑方法、动态层方法、局部重划方法和眦方法。在此基 础上，研究分析了发动机c f d 瞬态分析中动态网格划分技术的改进措施，提出了 基于有限容积法的组合式动态网格技术更为适合发动机c f d 瞬态分析中动态网格 划分。并以屋顶式双气门发动机为例进行了二维动态网格划分，并且运用基于有限 容积法的组合式发动机动态网格技术方法实现了切向进气道发动机进气过程的三 维瞬态数值模拟，得到了与试验观察相一致的结梨硐。 2 0 0 8 年湖南大学杨靖等人利用计算流体力学软件对长短结合的双切向进气道 进气过程进行三维瞬态数值模拟，获得了迸气过程中气缸内部流体的速度场和湍动 能场的变化规律，揭示了其涡流从双涡流结构向单涡流结构的形成过程。在此基础 7 基于a v l - f i r e 的柴油机进气过程三维瞬态数值模拟 上，对此气道和z h l l 0 5 w 气道进行了稳流试验并对比，结果表明所设计的双切向 进气道可在气缸形成较强的涡流，具有较好的流通特性【韧【鲫。 2 0 1 0 年聊城大学胡云萍等人采用动网格技术，对某柴油机进气和压缩过程中进 气道气门气缸内的流场进行了瞬态数值模拟。计算结果表明：进气初期缸内气流 运动是杂乱的，继而逐渐衍变成多个小涡流，到进气冲程中后期，大尺度涡流形成 并逐步得到发展。在压缩冲程初期，压缩涡流与进气涡流同时并存，到压缩冲程后 期，出现挤压涡流，气流呈螺旋状从气缸进入燃烧室，同时缸内的滚流逐渐加刮3 9 1 。 随着湍流理论的日益成熟和计算机技术的迅猛发展，数值模拟方法在内燃机气 体流动研究中的应用日益完善，数值模拟已经成为一种有效的科学手段，必将在发 动机的研究中将发挥越来越大的作用。然而，数值模拟的精度再好，它毕竟不可能 真正代替实验，模拟和现实之间还是存在着差别，因此，数值模拟技术的应用必须 小心谨慎，在解决实际问题中应以理论分析为基础，数值模拟为主要手段，实验方 法作为评判依据。 1 3 本文所做的主要工作 随着近年来多维数值模拟技术的发展，设计者们已经能够通过数值计算模拟缸 内气流的瞬态运动状况，本课题正是基于数值模拟技术，对某柴油机进气道气门 缸内气流运动进行瞬态模拟，让人们对发动机缸内气流的运动加深理解，对缸内涡 流运动的形成过程有更为清晰的认识。论文主要开展工作如下： ( 1 ) 运用三维造型软件p r o e 实现了螺旋进气道气门气缸的三维实体模 型，通过f i r e 软件的前处理软件f a m ee n g i n ep l u s 来生成动网格模型，该计算模型 不仅可以用于模拟缸内气流运动过程，也可以对发动机整个工作过程进行模拟。 ( 2 ) 对进气过程进行三维瞬态数值模拟，寻求缸内气体质量、平均压力、湍 动能等参数的变化规律。通过计算得出在不同曲轴转角下的气体流场轨迹图、速度 场以及湍动能场，为发动机进气过程的研究提供详细的参考数据。 ( 3 ) 简单介绍了稳流试验装置及进气道性能评价参数，同时对稳态模拟与试 验结果进行对比，验证三维模拟的准确性。对增压工况时进气道流动特性也进行了 研究，分析进气道流量系数的变化随压差的变化情况。对不同气门升程下瞬态模拟 8 江苏大学硕士学位论文 结果与稳态模拟结果进行对比，分析瞬态模拟与稳态模拟的区别。 ( 4 ) 对结构和运转因素下的发动机进气过程进行瞬态模拟。分析了转速对进 气过程的压力和缸内流场的影响，同时分析了不同进气迟闭角对进气过程的影响， 得出合适的进气迟闭角。 9 基于a v l - f i r e 的柴油机进气过程三维瞬态数值模拟 第二章c f d 技术基础理论 2 1 计算流体力学概述 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c v i ) ) 是建立在经典流体力学与数 值计算方法基础之上的一门新型学科。计算流体力学出现于2 0 世纪6 0 年代，经过 几十年的发展，已经成为流体科学领域与理论流体力学和实验流体力学鼎足而立的 重要学科。c f d 通过计算机数值模拟和图像显示技术，对含有流体流动和热传导等 物理现象的系统进行分析，并结合三维c a d 软件对产品进行结构设计。c f d 既有 理论性的特点又具有实践性的特点，不受物理模型或者实验模型的限制，能灵活模 拟各种真实条件以及实验中很难达到的理想条件，可以缩短产品开发周期、降低实 验次数、减少研发投入经费掣4 0 l 。 c f d 可看作是在流动基本方程控制下对流体流动的数值模拟。通过c f d 数值 模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压 力、温度、浓度等) 的分布【4 1 】。内燃机的工作过程主要包括了气体湍流运动、燃油 喷雾、热传递以及燃烧化学反应，这些过程可通过流动基本方程和物理模型( 如湍 流模型) 进行数学描述，并归结为一些耦合的封闭的微分方程组。再对研究对象设 定合理的初始条件和边界条件，采用恰当的数值求解方法，便可以得到满足工程需 要的数值解。 2 2c f d 计算流程 在进行c f d 计算时，用户可以借助某些商用软件来完成所需任务，也可以自 行编写计算用程序。这两种方法的基本工作思路是相同的。 不管是流动问题，传热问题，还是污染物扩散问题；不管是稳态问题或瞬态问 题，其求解过程都可用图2 1 表示。 1 0 江苏大学硕士学位论文 一 一 图2 1c f d 求解过程 f i g 2 1t h ec a l c u l a t i o np r o c e s so fc f d 2 3 流体力学的控制方程 控制方程( g o v e r n i n ge q u a t i o n s ) 是基本守恒方程的数学描述。 2 3 1 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律司以表述为：单位时i 司内流体 微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定律， 可以得出质量守恒方程( m a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 1 4 2 1 ： 害- i - 塑+ 塑- t 型：0 (21)gax a y g z 、7 引入矢量符号d i v ) ：誓+ 要+ 誓，式( 2 1 ) 写成： m 哕l r l + 机( ) = o ( 2 2 ) 在式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 中，p 是密度，t 是时间，邸为速度矢量。 上述两式为瞬态三维可压缩流体的质量守恒方程。假设流体不可压时，密度p 为常数，式( 2 1 ) 变为： 罢+ 多+ 警= 。， 假设流动处于稳态时，则密度p 不随时间变化，式( 2 1 ) 变为： 掣+ 掣+ 掣：o 苏 砂 瑟 一” ( 2 4 ) 质量守恒方程( 2 1 ) 或( 2 2 ) 常被称为连续性方程( c o n 咖u i 锣e q u a t i 。n ) 。 2 3 2 动量守恒方程 和。 微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之 知+ - - 毒( p u j 卜砉鲁屺一五 式中：p 为压力； 和五分别为重力和其他阻力； r o 为粘性应力张量； r * * = 2 1 t s * * - ；尝一万丽 式中：为动力粘性系数； “。为湍流脉动速度； 为二阶单位张量，当f - 时，吩= 1 ；当，时，：0 ； s o 为流体变形率张量： ( 2 5 ) ( 2 6 ) 江苏大学硕士学位论文 驴糖+ 割 式( 2 5 ) 是动量守恒方程，简称动量方程( m o m e n t u me q u a t i o n s ) ，也称作运 动方程，还称作n a v i e r - s t o k e s 方程。 2 3 3 能量守恒方程 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律可表述 为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所 做的功。该定律实际上是热力学第一定律。 a ( _ = p _ t 一) + c u r ( 肛r ) ：d i v ( kg r a d t ) + s r ( 2 8 ) o t c 4 该式可写成展开形式： a ( p t ) + a ( f u t ) + a ( v t ) + 幽 ：丢c 毒争一号c 毒。争y + 昙c 寺争坞 g 功 其中c ，为比热容，t 是温度，k 是流体传热系数，s r 为流体的内热源和因为粘 性作用流体的机械能转换成热能的部分，有时简称s ，为粘性耗散项。 常将式( 2 8 ) 或( 2 9 ) 简称为能量方程( e n e r g ye q u a t i o n ) 。 综合各个基本方程( 2 2 ) 、( 2 5 ) 、( 2 8 ) ，发现有u v w p t 和p 等六个未知量， 因此需要补充联系p 与p 的状态方程，方程组才能形成封闭： p - - p ( p ，t ) p = p r t 其中r 是摩尔气体常数。 2 3 4 组分质量守恒方程 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 在某个特定的系统中，有可能存在质的交换，或存在多重化学组分，每一种化 基于a v l - f i r e 的柴油机进气过程三维瞬态数值模拟 学组分都必须遵守组分质量守恒定律。对某一确定的系统来讲，组分质量守恒定律 可表述为：系统内某一种化学组分的质量对时间的变化率，等于通过系统界面净扩 散流量与通过化学反应产生的该组分的生产率之和。 根据组分质量守恒定律，可写出某一组分的组分质量守恒方程( s p e c i e sm 獬 c o n s e r a v a t i o ne q u a t i o n s ) 【4 3 】【卅： 掣+ d v ( m c 。) ：d i v ( d ，g r a d ( p c , ) ) + s 。( 2 1 2 ) o t 式中，c s 是组分s 的体积浓度，p c 。是组分s 的质量浓度，d ，是组分s 的扩散 系数，s 。是系统内部的单位时间内单位体积通过化学反应所产生的该组分的质量， 即生产率。上式左侧第一项为时间变化率，第二项为对流项，右侧第一项为扩散项， 第二项为反应项。 2 4 湍流运动模型 湍流是自然界广泛存在的流动现象，在多数工程问题中流体的流动往往处于湍 流状态。正是由于湍流特性在工程中占有重要的地位，湍流研究一直被研究者高度 重视。湍流流动的核心特征是湍流运动在物理层面上近乎无穷多的尺度以及数学层 面上强烈的非线性，使得研究者不论是通过理论分析和实验研究抑或是计算机模拟 来全面了解湍流都是非常困难。相比之下，计算机模拟要更具有可操作性，但需要 我们继续探求高精度的计算方法和使用可靠的网格生成技术，在研究湍流机理的同 时，建立相应的模式，从而进行适当的模拟。 雷诺试验表明，当雷诺数( r e ) 小于某一临界值时，流动是平滑的，流体质点 互不混掺，有条不稳地作有序的成层流动，这种流动状态称为层流。当雷诺数大于 临界值时，流动成无序的混乱状态，这种局部速度：压力等物理量在时间和空间中 发生不规则脉动的流体流动，称为湍流【4 5 1 1 4 0 l 。 一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的连续性方程和n s 方程对于湍流 的瞬时流动都仍然适用。在连续性方程和n s 方程基础之上，人们不断引入新的算 法，逐步发展成了多个湍流模型，主要分类如图2 2 所示： 1 4 江苏大学硕士学位论文 2