（动力机械及工程专业论文）火花点火天然气发动机燃烧过程的多维数值模拟研究.pdf

中文摘要 数值模拟计算和试验研究是当今内燃机研究发展的两大支柱。尤其近些年， 随着计算机运算速度的提高和数值模拟软件的成熟，数值模拟计算以低成本高效 率的开发环境吸引了越来越多的研究者。并且，数值模拟计算能够提供的数据也 较传统的试验研究更加全面，比如能够提供复杂的缸内流场和温度的变化过程。 本文系统的论述了缸内燃烧过程的三维数值模拟计算模型和数值计算方法， 对缸内气体的气相湍流流动模型、燃烧模型和排放模型在理论上进行了具体的分 析。应用a v l 公司开发的三维数值模拟f i r e 软件，对火花点火天然气发动机的 气流运动过程、燃烧过程和排放物生成过程进行了数值模拟仿真计算，详细的展 示了缸内流场、缸内温度场以及排放物浓度分布情况。 应用f i r e 软件，本文主要从以下四个方面对一台由柴油机改装的t 6 11 4 z l 型火花点火天然气发动机的燃烧过程进行详尽的模拟计算与分析：压缩比：设 计了两种压缩比，对比分析不同的压缩比对燃烧过程的影响，找出适合此天然气 发动机的压缩比范围。燃烧室形状：在保证压缩比不变的情况下，开发设计了 几种不同形状的燃烧室，对比分析了这几种燃烧室的湍流动能强度分布及火焰传 播情况。点火提前角：对于选定的燃烧室形状，采用不同的点火提前角进行模 拟分析，通过燃烧过程的对比选择适宜的点火提前角。混合气浓度：设计了多 种过量空气系数，分析不同程度的稀混合气对排放及经济性方面的影响。通过对 各参数进行的模拟仿真计算，得出的最佳匹配参数，在此基础上对排放物生成进 行定性的预测，并模拟研究了此发动机在设计过程中可能出现的热负荷问题。 计算得出，盆型燃烧室在火焰传播速度和火焰分布上能达到较好的平衡，有 利于该天然气发动机实现稀燃。发动机台架试验表明，模拟计算提出的发动机设 计和调试参数与试验结果相吻合，本文的模拟计算对发动机的试验开发工作提供 了依据，减少了试验工作量。 本文的最后对缸内燃烧过程进一步的深入研究进行了展望。 关键词： 天然气发动机燃烧过程数值模拟排放 a b s t r a c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta r et w os u p p o r t so fi n t e r n a l - c o m b u s t i o n e n g i n er e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t e s p e c i a l l yi n r e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h e e n h a n c e m e n to fc o m p u t e r ss p e e da n dt h em a t u r i t yo fs i m u l m i o ns o f t w a r e s ，t h e n u m e r i c a ls i m u l m i o nh a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sb yt h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n td u et ol o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c y t h en u m e r i c a ls i m u l m i o nc a na l s o p r o v i d em o r ec o m p r e h e n s i v ed a t at h e ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，f o re x a m p l e ，i tc a n s i m u l a t ei n - c y l i n d e rf l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r et e n d e n c y a n ds oo n t h e3 dn u m e r i c a ls i m u l m i o nm o d e la n dc a l c u l a t i o na l g o r i t h mo fi n - c y l i n d e r 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 di nt h i sp a p e r t h et u r b u l e n c em o d e l s ，c o m b u s t i o n m o d e l sa n de m i s s i o nm o d e l sa r ee x p l a i n e di nd e t a i l t h e3 dn u m e r i c a lp a c k a g ef i r e d e v e l o p e db ya v li su s e di n t h i sp a p e r n u m e r i c a li n v e s t i g a t i o ni n c l u d e st h e i n - c y l i n d e rt u r b u l e n c ef l o w , t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n de m i s s i o n s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h i sp a p e ri sf o c u s e do nf o u ra s p e c t so fat 6114 z l s ic n ge n g i n e ，w h i c hi st r a n s f o r m e db yad id i e s e le n g i n e ( 耽o m p r e s s i o nr a t i o t w ov a l u e so fc o m p r e s s i o nr a t i oa r ed i s i g n e d , a n dc o m p a r i s o ni sm a d eo nt h e c o m b u s t i o np r o c e s sw i t ht h e s e f i n a l l y , t h em o s ts u i t a b l ec o m p r e s s i o nr a t i oi sf o u n d ( 墓) c o m b u s t i o nc h a m b e rg e o m e t r i cs h a p e s e v e r a ls h a p e so fc o m b u s t i o nc h a m b e r sa le d e s i g n e dw i t ht h es a m ec o m p r e s s i o nr a t i o c o m p a r i s o ni sm a d eo nt h ev e l o c i t yf i e l d a n dt h ef l a m e - p r o p a g a t i o na m o n gd i f f e r e n tc o m b u s t i o nc h a m b e r s t 趸) s p a r ka d v a n c e a n g l e c h a n g et h es p a r ka d v a n c ea n g l ea n da n a l y s i st h ec o m b u s t i o np r o c e s s ，f i n do u t t h eb e s tv a l u eo ft h es p a r ka d v a n c ea n g l ef i n a l l y ( 至) c o e f f i c i e n to fe x c e s sa i r s e v e r a l c o e f f i c i e n t so fe x c e s sa i ra r ed e s i g n e d ，a n dc o m p a r i s o ni sm a d ei nc o m b u s t i o np r o c e s s a n df u e le c o n o m y t h eo p t i m u mp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，t h e n ，t h es t u d ya n dq u a l i t a t i v ef o r e c a s to ft h ee m i s s i o np r o d u c t i o na n dh e a t l o a da r em a d ew i t ht h e s ep a r a m e t e r s a c c o r d i n gt o t h er e s u l tf r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，b o w l - t y p ec o m b u s t i o n c h a m b e rh a sag o o de q u i l i b r i u mi nt h ed i f f u s i o na n dt h ed i s t r i b u t i o no f t h ef l a m e ，t h u s i tc o u l da c h i e v el e a nc o m b u s t i o ni nc n ge n g i n em o r ec o n v e n i e n t l y e x p e r i m e n t r e s u l t sf r o mt h et e s tb e n c hs h o w e dag o o dc o n s i s t e n c yw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n t h ee n g i n ed e s i g na n do p e r a t i o nv a r i a b l e sw h i c h p r o p o s e db ys i m u l a t i o n a sar e s u l t ， t h es i m u l a t i o ni nt h ed i s s e r t a t i o nc a np r o v i d eag o o da r g u m e n tf o rt h ed e v e l o p m e n to f c n g e n g i n e ，a n ds a v em u c hw o r ki nt e s tb e n c h a tl a s t ，t h ep r o s p e c ti sg i v e no nt h e3 de n g i n ec o m b u s t i o ns i m u l a t i o np r o c e s s k e yw o r d s ：c n ge n g i n e ，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 ，e m i s s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成渠，除了文孛特别加以标注和致谢之处癸，论文中不包含其弛入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书面使用过的材料。与我一同工作的周志对本研究所徽的饪何贡献均您在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：治周年签字日期：劾7 年月芗。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗基鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密蜃适用本授权说明) 学位论文作者签名： 池圆争 签字日期：砂哆年，月；。日 导师签名： 移意 l 签字日期：2 7 年1 月刁汐日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 随着我国国民经济的快速发展，汽车保有量与日俱增，对汽车的排放控制也 成为了一个十分紧迫的问题。同时，汽油和柴油的日渐短缺也对寻求替代燃料和 改变燃料结构提出了新的要求。基于这两个原因，压缩天然气( 以下简称c n g ) 越来越多的作为车用燃料开始投入实际应用，这一个方面是由于可以减少汽车的 废气污染，另一个方面还由于c n g 更加便宜，降低了燃料成本。为此，国家和 一些地方政府相继出台了更为严格的排放法规。例如，对大型公交车辆的尾气排 放加以限制，欧i i i 排放法规目前已成为强制的实施标准。天然气发动机由于在净 化车辆尾气方面具有显著功效，而且资源相对丰富，因此被公认为未来城市公交 车辆动力的良好选择。 天然气是一种清洁燃料，其主要成分为甲烷( 含量8 6 以上) 。与燃用柴油相 比，甲烷的燃烧几乎不产生碳烟；与燃用汽油相比，c o 、h c 等燃烧产物均有大 幅度的下降，而且无铅化物生成。研究表明，天然气汽车的排放性能比液化气汽 车更优越。天然气还具有成本较低、经济性好的优势，与汽油、柴油相比，单纯 燃用c n g 的燃料成本可降低4 0 以上。在对传统的汽油机和柴油机进行适当的 改装后，汽车就可以燃用天然气，从而可大幅度改善汽车的排放性能。以天然 气作为代用燃料将减少国家对进口石油的依赖程度。因此天然气是汽车传统燃料 的理想替代品。 然而并不是简单的在发动机上改用天然气就能得到好的性能和低的排放，必 须在对天然气的特性、燃烧特征进行研究的同时，对发动机的结构、点火系统以 及燃气供给系统、常规调试参数进行优化，才能获得良好性能。但目前在这些相 关方面，车用c n g 发动机远未达到对汽油机和柴油机的研究水平，因此天然气 发动机的性能指标还不够高，如天然气发动机普遍存在平均有效压力低、热效率 不高及局部热负荷高等问题。如何在保持其优点的前提下，通过对燃料性质、发 动机工作过程的分析来探讨提高c n g 发动机性能的方法是本文的研究目的。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 发动机数值模拟计算的发展与现状 1 2 1 计算机模拟概述 计算机模拟是在计算机上通过系统模型去模拟一个实际存在或正在设计中 的真实系统，以再现或分析真实系统的本质特性。计算机模拟过程可以分解为三 个步骤：第一步，从物理到数学的步骤，即将具体的物理系统根据其内部物理变 化规律及外部影响因素加以简化或抽象，将物理系统的运动形态表达为数学方程 的形式，建立起相应的数学模型。由此导出的数学方程，一般情况下是一个微分 方程组。第二步，从数学到数学的步骤，运用数学的方法求解所建立的微分方程 组，计算出表征系统中过程变化的诸参数。第三步，是一个从数学到物理的步骤， 即将求得的计算结果赋予物理意义，从机理上加以讨论和解释，并判断它是否符 合于物理系统的真实情况。计算机模拟是随着计算机技术的发展而逐渐发展起来 的，在各个学科领域中都有快速的发展，在工程上发挥着越来越重要的作用【2 】。 1 2 2 内燃机燃烧过程数值模拟的发剧驯 对发动机工作过程进行研究的主要手段包括试验方法和数值模拟方法。试验 方法作为一种传统的研究方法，是发动机理论研究的前提和基础，对发动机的发 展起着巨大的推进作用，但却存在着周期长和成本高的缺点，需要耗费大量的人 力物力和时间。在发动机工作过程特别是燃烧过程的分析中只能获得有限的信 息。随着计算机技术的飞速发展及流体力学、传热学、有限元分析等理论的进步， 人们开始寻求使用计算机对发动机工作过程进行模拟计算的方法，经过几年的研 究如今已能较真实的建立与发动机工作原理和试验结果相吻合的计算模型。它可 以更好的预测发动机的性能，在短时间内进行大量的变参数研究，获得丰富且实 用的计算数据，弥补了试验方法的不足，为开发新发动机和提高旧发动机性能提 供指导。 1 2 2 1 流动模型 ( 1 ) 零维模型和一维模型 发动机管道内流动现象非常复杂，在进行内燃机流动过程模拟时需要进行适 当的简化。目前常用的模拟计算方法有容积法、小波扰动和特征线法。 容积法是描述管道系统中气体状态随时间变化的一种最简单的方法。对单缸 自然进气内燃机的进气管和排气管，可简化为一个与管道容积大小相等的“容 器”。用“容器”的充满和排空来模拟内燃机的实际进气过程，忽略了管内的压 天津大学硕士学位论文第一章绪论 力波动的传播，将实际的不稳定流动作为准稳定流动处理，认为状态参数只随时 间变化。小扰动法是假定一维非定常流动过程中状态变化量大大地小于其平均值 的条件下，将一维非定常流动拟线性偏微分方程线性化，并用达朗贝尔法或傅里 叶法求其通解的方法。特征线法是一种对一维非定常流求严密解的方法。将管内 视为一维非定常流动，考虑压力波的影响，即管内状态参数不仅随时间变化，而 且沿管的长度方向也变化。 定容法对中、低速柴油机或排气管相对较短的情况下，特别是为了求得整机 综合热力参数或与涡轮增压器配合计算等，可以忽略管内压力波的传播，而用常 微分方程对管内热力过程进行描述。这样就避免使用复杂的运算，从而使计算大 大简化，运算时间亦可大大缩短。这是一种目前仍普遍使用的方法。小扰动法适 宜波幅较小的管内流动。对于研究内燃机进气管、速度不太大的排气管内的一维 非定常流动，以及燃油系统高压油管内压力波动等，采用小扰动法可取得较好效 果。比起特征线法，计算简便得多，能在一定的精度范围内反映管内流动的实际 情况。在数值计算的早期阶段，小扰动法在分析管内非定常流动中曾起过相当重 要的作用。特征线法是用一维非定常流的偏微分方程组来描述管内气体流动过 程，并用特征线法求一维非定常流严密解，适用于中、高速大功率柴油机、排气 管相对较长和管内压力波动较大的情况，但此方法较复杂，导致计算费用较高。 ( 2 ) z 维流动模型 目前有许多湍流模型应用于内燃机三维流动模拟，如零方程模型中的混合长 度模型、亚网格尺度模型，单方程模型中的k 方程模型，以及双方程模型中的 k s 模型。k 占双方程模型属于涡粘性一耗散模型，这种模型对湍流的模拟基于 b o u s s i n e s p 假设，隐含湍流是各相同性的，这并不符合物理事实，对于具有高涡 流比、强瞬变的各向异性的流场，采用k 占双方程模型将会产生较大的计算误差。 为了解决这个问题，出现了直接建立雷诺应力输送方程，并对其中的脉动关联项 加以模型化后再进行求解的雷诺应力模型。雷诺应力模型已在一些科研和工程实 际中得以应用，但其计算成本太高，为既能保留直接求解雷诺应力模型的特点， 又不使计算成本太高，出现了代数应力模型( a s m ) ，代数应力模型将微分方程简 化为代数方程进行求解，保留雷诺应力各向异性的特征。在8 0 年代末至9 0 年代 初，发展了将湍流流动区域分为受边界及初始条件影响较大的大尺度涡团和受影 响较小的小尺度涡团的湍流大涡模拟( l e s ) ，以及它的特殊情况直接数值模拟 ( d n s ) 。这种模拟方法主要缺点是要求比较精细的网格，计算量大，不过随着超 级计算机的应用，还是为内燃机内流动的精确模拟展示了美好的前景。表1 1 为 常用于内燃机流动模拟中的湍流模型。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 常用于内燃机流动模拟中的湍流模型 混合长度理论 零方程模拟亚网格尺度代数湍流模型 卡门相似理论 湍流粘性 单方程模拟k 方程模型 湍输送系数 标准k e 模型 流模型模型 双方程模拟修正k e 模型 模 r n gk 模型 型 多方程模拟 雷诺应代数雷诺应力模型 力模型微分雷诺应力模型 湍流直 人涡模拟( l e s ) 接模拟 湍流全场模拟 双流体模型 1 2 2 2 燃烧模型 内燃机燃烧模型就是利用数学模型来模拟内燃机的进气、喷雾、点火、燃烧、 排气等一系列工作过程。建立内燃机的设计和运行参数与其动力性能、机械效率、 燃油经济性和排放的关系。现在通用的内燃机燃烧模型的分类方法是 f v b r a c c o 于1 9 7 4 年提出的，他提出的燃烧模型可分为以下三类： ( 1 ) 零维模型也称为热力学模型 ( 2 ) 准维模型或称卷吸模型 ( 3 ) 多维模型或称精细模型 其中零维模型和准维模型的实质都是建立在对内燃机工作循环中气缸内工 质的热力学分析的基础上。进气过程中进入气缸的气流用准定常单维流动方程来 处理。当管道中的动力现象不可忽略时，用单维非定常气流方程加以计算，并用 特征线性法求解。未燃混合气的成分假定为空气、燃料蒸气和残余废气( 或e g r 废气) 混合气各组成的比热用温度的多项式来模拟。在燃烧期间，气缸内有已燃 气体区、未燃气体区和边界层。对于火花点火发动机，就是以火焰面为分界，火 焰面以内为已燃气体区，火焰面以外为未燃气体区，反应区就在火焰面上，火焰 面的厚度很薄，在建立模型时可以忽略不计。燃烧过程模拟的一个重要的工作就 是必须确定质量燃烧率，质量燃烧就是气缸内混合气的燃烧量百分比随曲轴转角 变化的规律。在零维模型中，质量燃烧率是通过经验公式来确定的，其中最典型 的是余弦公式： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 工( 9 ) ：三l1 一c o s ( o - o o ) i 2 l 皖 j 式中：p 曲轴转角； 开始点火时曲轴转角： 点火持续角度。 这也是零维模型的主要缺点之一，由于先指定质量燃烧率，这样与实际工作 过程不免会有偏差，影响了零维模型的模拟精度，为了克服这一缺点，就导致了 准维燃烧模型的发展。 准维燃烧模型就是在热力学模型的基础上考虑喷雾湍流火焰传播，从湍流的 参数入手，建立起发动机的设计参数、运行参数和燃烧过程的关系。其中湍流参 数包括湍流强度，湍流火焰传播速度，湍流尺度和微尺度等。应用湍流理论可以 更加精确地对发动机实际燃烧过程进行模拟，建立质量燃烧率函数，预测缸内不 同区域的温度和压力，并且能预测有害气体的排放浓度。准维燃烧模型实际上作 为一种改进的热力学模型，具有很强的实用性和合理的计算成本，但由于准维模 型对若干子过程的描述是建立在经验、表现的基础上，其通用性受到限制。 由美国康明斯公司的林慰梓等人提出的以气相喷注为基础的“气相喷注模 型”和由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”是两种常用于模拟柴油机燃烧过程的准维燃烧模型。 对于汽油机准维燃烧模型来说，一种方法是把燃烧过程模拟成一个面积为彳， 的火焰前锋面，以湍流燃烧速度向未燃混合气传播。另一种方法是由n c b l i z a r d 等提出的，并由r j t a b a c z y n s k i 等加以发展的模拟方法。他们根据湍流卷入 机理，先将未燃的混合气卷入火焰前锋，接着是一个特征长度尺度的层流烧尽过 程，以此模拟火焰传播过程。 多维模型避免了准维模型的缺点，它对过程的描述不再是从现象出发，而是 建立在流体力学、热力学、燃烧化学等普遍定律的基础上。多维模型通过求解质 量守恒方程、动量守恒方程、连续性方程及状态方程等基本偏微分方程，得出与 燃烧过程相关的较详尽的信息，如气相场速度、温度、压力及组分浓度的瞬态空 间分布。 燃烧过程的三维模拟较进排气流动模拟还处于初级开发阶段。缸内燃烧过程 包含湍流流动、化学反应及层流扩散。目前对火焰的结构及其传播机理的研究还 不够充分，还不能提出切实有效的燃烧模型。但也出现了很多应用于内燃机领域 的各种燃烧模型和方案。这里只介绍火花点火式发动机的燃烧模型。 火花塞点火式发动机的点火模型只受质量和能量守恒方程的控制。点火模型 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 可分为：不考虑时间变化，只考虑最小点火能量或最小点火核半径的现象模型； 包含时间微分项，从零维、一维、二维以及三维模拟的解析模型。燃烧过程各循 环间差别由点火核成长期内湍流对火焰面积、热损失等的影响决定。 火花点火发动机的预混合湍流火焰结构主要有两种：可忽略火焰自身厚度的 薄面火焰结构和需要考虑化学反应速度的分布式火焰结构。后者主要因低负荷运 转时残留废气及再循环废气的增加导致的层流火焰速度降低引起的。 涡团破碎模型( e d d yb r e a ku pm o d e l ) 可应用于薄面火焰结构上，因其计算简 单被广泛应用于三维计算中。可在所有发动机运行工况范围内应用的燃烧模型有 a s s u m e dp d f 模型( 设定的概率密度函数模型，该模型利用概率密度函数来表征湍 流参数) 和火焰区域模型等。目前，在火花点火发动机的三维数值模拟中，应用 前景最好的是基于层流火焰的c f m ( c o h e r e n tf l a m em o d e l ) 相关火焰模型。 1 2 2 3 排放物模型 发动机工作过程数值模拟的一个重要内容就是对燃烧产物的预测。虽然排放 物模拟也是燃烧模拟的有机组成部分，但在燃烧模型中都尽量避开化学动力学机 理。而这些正是排放物生成研究的重点及难点。目前，除对n o x 生成机理的研 究外，对h c 、c o 、碳烟等的生成机理还没有取得突破性的进展。因而对排放物 的模拟和预测主要还是基于经验性的现象模型。由于目前的试验无法对排放的各 组分及各阶段生成产物分开进行考虑，所以模拟计算仍然是研究排放生成机理的 有利工具。 7 0 年代初出现的扩展z e l d o v i c h 模型在揭示n o 的生成机理和预测n o 生成 量方面应用非常广泛，发展至现阶段已经可以用来对发动机的n o 排放进行定量 分析。h c 的生成主要由裂解、润滑油以及淬火等原因产生，正确建立这些物理 模型是h c 排放模型的难点。c o 的生成与燃烧反应有直接的关系。利用单步总 反应( o n es t e pg l o b a lr e a c t i o n ) 模型可以在一定程度上模拟c o 排放，但因c o 的生 成受到各种流动、化学动力学、热传导以及相变等因素的影响，此种零维模型的 计算仍达不到实际要求。8 0 年代末9 0 年代初出现了微粒生成模型和催化反应模 型。目前有两类微粒生成模型：一类是广安等人给出的由a i r h e n i u s 反应式从整 体上反映碳烟生成过程的表现模型；另一类是d e n t i ，m e t h a 等人从碳烟的生成 和氧化机理出发给出的微观模型。这无疑对预测排放物的研究是一个巨大的鼓 舞，但不可否认的是这些模型离反映真实的物理化学过程还有一定的差距。 1 2 3 计算方法 物理模型建立完毕后，就要通过各种计算方法将其偏微分方程离散求解。主 天津大学硕士学位论文第一章绪论 要有有限差分法、有限体积法、有限元法等。其中有限差分法又分为s i m p l e 法 和任意拉格朗日欧拉法。目前在内燃机缸内模拟计算中用的更多的是任意拉格朗 日欧拉法。这些计算方法都是在上世纪7 0 年代提出的，但直至今日在这方面的 研究也没有什么突破性的进展，大多只是在离散方程的数值解法上的改进。最初 k i v a 在时间方向上采用显式格式，而后k i v a 1 1 以及之后的k i v a 3 和k i v a 3 v 都采用了隐式算法。尽管出现了像t v d 、迎风差分、m u s c l t v d ，以及隐式解 法中的s t e g e r - w a r m i n g 的因式分解法、p u i l i a m c h a u s s e e 的对角化法、 j a m e s o n y o o n 的l u s g s 等各种解法，也使计算精度提高了一些，但总的来说计 算精度问题仍是至今没有真正解决的问题。根据一位日本学者的计算比较，在使 用最优化网格情况下，能满足缸内流动误差在3 以内的只有f i r e 、s t a r - c d 和 f i d a p 。而大部分商用软件误差都在5 以上，甚至有的达到3 1 3 1 4 1 。 1 2 4 网格生成 在发动机模拟计算中，网格是影响计算精度的最重要因素之一。气道和燃烧 室具有三维特征，且活塞和气门具有动态特征。以往的软件对于三维网格的建立 过程相当繁琐，网格的生成没有一定的标准，容易造成负网格产生计算错误，使 之占去了全部模拟计算的大部分时间。随着模拟技术的发展，近年来出现了很多 优秀的商用三维模拟软件，能够自动或半自动生成网格，使得设计周期大大缩短。 这些工具一般都先利用c a d 软件生成三维表面，再生成结构化或非结构化网格。 依据自动生成能力、自适应能力、计算精度以及计算时间长短将自动网格生成技 术分为6 个级别。表1 2 为用于三维计算中的几种网格类型及其级别。 表1 2 用于三维计算中的几种网格类型及其级别 级别网格类型相关软件 l 直角六面体网格 p r e m 2 四面体、三棱柱网格、四棱锥 c f x 5 、i c e m c f d 、s c r y u t e t r a 3 六面体结构化b f c 网格f a m e 、p r o s n e r 4 六面体非结构化网格 p r o s t a r 、f i r e 、p r o s n e r 5 三维象素网格 p o w e r f l o w 6混合网格p r o - a m 、f a m e 、s a m m 、i c e 1 2 5 模拟工具 近几年由于计算机速度的提高及计算流体力学等基础学科的发展，使得多维 模型在发动机燃烧过程模拟计算中的应用越来越得到重视和研究，已涌现了多种 天津大学硕士学位论文第一章绪论 适合发动机三维模拟计算的商用计算工具，如f l u e n t 、f i r e 、k i v a 、s t a r c d 、 s c r y u 、p o w e rf l o w 、f i d a p 等。 k i v a 软件是发动机缸内燃烧过程的分析专用软件，广泛应用于内燃机多维 燃烧模拟的研究。k i v a 系列的源程序给人们进行燃烧过程的数值模拟研究提供 了一个现成的框架和基础，人们可以将自己的需要和新建模型加入到该程序进行 研究。 s t a r c d 使用非结构化网格和有限体积法来求解n s 方程组。s t a r c d 对 定常和非定常流动分别采用优化的s i m p l e 格式和p i s o 格式来进行计算。 s t a r c d 模拟湍流流动使用的湍流模型有标准k 占模型、r n g 湍流模型和k 的两层变形模型，在近壁面区域使用n o r r i s 和r e y n o l d s 方程低雷诺数模拟。 s t a r - c d 有集成的前后处理器使得问题的定义、求解和结果输出均可以图形化 显示，但由于其界面设计的不够友好，使得这种软件不容易被使用。 a v l 公司依靠其强大的试验能力的支持，开发的发动机专用三维模拟计算软 件f i r e 最近得到广泛应用。f i r e 软件采用有限差分法中的有限容积法对运输过 程的微分方程在时间和空间上进行离散。采用的解耦方法为半隐式法，也称 s i m p l e ( s e m i i m p l i c i tm 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 ) 法。模拟湍流流动使 用的湍流模型有标准k e 模型、r n g 湍流模型和a v lh t m 模型等。可以处理 入口边界、出口边界、对称边界、壁面边界及压力边界，其中壁面边界可以是固 定边界或移动边界，边界条件可以采用温度值、热流量值或与外界之间热辐射或 对流的热换热系数来定义。前处理应用三维实体软件生成的s t l 文件，具有集 成的前后处理器，故使得问题的定义、求解和结果输出均可以图形化显示，并且 其界面设计的比较友好，使用非常方便。计算网格可以自动、半自动或手动生成。 由于采用非结构化网格，f i r e 使得单元形状表现的非常丰富，单元可以进行任 意的变形，并且允许采用滑动内部边界条件，允许单元的任意插入和删除。所采 用的局部网格优化技术可以用来提高解的精度。因此，f i r e 可用于发动机进气 系统、燃烧系统、冷却系统、喷油系统及排气系统的分析及优化设计，可以进行 包括多相流，热和质量传输，化学反应流、可压与不可压等大量工程实际问题的 模拟计算。 1 3 本文的主要内容 本文主要工作是对一台t 6 11 4 z l q 3 b 型天然气发动机的燃烧过程在试验的 基础上进行了详尽的模拟计算与分析。本文首先论述了缸内燃烧过程的三位数值 模拟计算模型和数值计算方法，对缸内气体的气相湍流流动模型和燃烧模型进行 天津大学硕士学位论文第一章绪论 了具体的理论分析。在多维模拟的理论基础上，应用a v l 公司开发的三维数值 模拟f i r e 软件自身所带的模块，选择适当的计算模型，对天然气点火发动机的 气流运动过程和燃烧过程进行了模拟计算，详细地展示了缸内流场、缸内温度场 以及排放物浓度和分布情况。并且通过模拟计算结果与理论、试验结果相互比较、 互相验证的方法，从压缩比、燃烧室形状、点火时刻及混合气浓度四个方面对发 动机的燃烧过程进行了对比分析，并对柴油机改装天然气发动机过程中出现的火 花塞和排气门的热负荷问题进行了研究。发动机的主要技术指标参数见表1 3 所 示。 表1 3 主要技术指标参数 发动机型式直列、四冲程、水冷、盆性燃烧室、火花点火式、增压 中冷、氧化型后处理器 汽缸数6 缸 汽缸直径m m1 1 4 活塞行程 m m1 3 5 排量 l8 2 7 压缩比l l ：1 燃烧方式稀薄燃烧 天津大学硕士学位论文第二章火花点火发动机的c f d 计算模型和数值计算方法 第二章火花点火发动机的c f d 计算模型和数值计算方法 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 辅助发动机设计实质就是基于计算机技 术、利用c f d 理论来解决具体发动机内的流动计算问题。c f d 模拟计算的研究 内容大致可以分为三个方面：物理问题建模( 湍流流动模型、化学反应机理模型、 几何模型) 、模型问题的数学处理( 数值计算方法、初始条件及边界条件的选择) 和总体效果分析( 计算值与实测值比较、预测计算及变参数计算等) 。本章主要围 绕前两个方面的内容进行分析，总体效果分析将在后面章节详细介绍。 2 1 气相湍流流动模型 2 1 1 湍流概述 自然界中的实际流动绝大部分是三维的湍流流动，如河流，血液流动等。湍 流是流体粘性运动最复杂的形式，湍流流动的核心特征是其在物理上近乎于无穷 多的尺度和数学上强烈的非线性，这使得人们无论是通过理论分析、试验研究还 是计算机模拟来彻底认识湍流都非常困难。回顾计算流体力学的发展，特别是活 跃的8 0 年代，不仅提出和发展了一大批高精度、高分辨率的计算格式，从主控 方程看相当成功地解决了e u l e r 方程的数值模拟，可以说e u l e r 方程数值模拟方 法的精度己接近于它有效使用范围的极限；同时还发展了一大批有效的网格生成 技术及相应的软件，具体实现了工程计算所需要的复杂外形的计算网格：且随着 计算机的发展，无论从计算时间还是从计算费用考虑，e u l e r 方程都已能适用于 各种实践所需。在此基础上，8 0 年代还进行了求解可压缩雷诺平均方程及其三 维定态粘流流动的模拟。9 0 年代又开始一个非定常粘流流场模拟的新局面，这 里所说的粘流流场具有高雷诺数、非定常、不稳定、剧烈分离流动的特点，显然 需要继续探求更高精度的计算方法和更实用可靠的网格生成技术。但更为重要的 关键性的决策是研究湍流机理、建立相应的模式以及进行适当的模拟。 在内燃机的整个工作循环中，其缸内气体充量始终在进行着复杂而又强烈的 瞬变的湍流运动，这种湍流运动是内燃机工作过程和燃烧过程中各种物理化学过 程的一个共同的基础，它决定了各种量在缸内的输运及其空间的分布。因此要正 确的模拟和分析内燃机的燃烧，离不开对湍流运动的正确描述和模拟。 天津大学硕士学位论文第二章火花点火发动机的c f d 计算模型和数值计算方法 2 1 2 湍流的数值模拟方法 关于湍流运动换热的数值计算，目前已经采用的数值计算方法大致可以分为 三类： ( 1 ) 直接模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 湍流的直接模拟是指对n s 方程不用时均化，进行直接求解。在理论上n s 方程本来就是封闭的，并不需要建立有关模型。在直接模拟中，构造尺寸接近 k o l m o g o r o v 尺度的网格，直接求解原始的非定常n s 方程，初始扰动可以通过 随机扰动实现。计算过程自动出现流动线性稳定、层流向湍流过渡的非线性过程 和湍流充分发展后的变化。这要求网格尺寸足够小，储存的数据特别多，最后需 要进行某种统计处理才能使用。但是由于现有计算机的发展水平，即使在少数拥 有世界上最大的超级计算机的科学大国，目前还只能计算中等雷诺数并且几何较 为简单的湍流流动。直接数值模拟所用的数字方法主要是谱方法和伪普法，其优 点是精度高，有精确的空间微分，无数值粘性，缺点是只适用于简单的几何形状。 在几何形状复杂的发动机气缸构造下，湍流脉动运动包含很多不同的涡运动，划 分计算网格的尺度应小到足以分辨最小涡运动。过多的网格节点使得计算量非常 庞大，目前计算机水平还不能满足要求。 ( 2 ) 大涡模拟( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 作为一种预测湍流的新型数值工具，大涡模拟正显示出强大的生命力，它的 基本思想是：将包括脉动运动在内的湍流瞬时运动通过某种滤波方法分解成大尺 度运动和小尺度运动，大尺度量通过直接求解非定常的三维n a v i e r - s t o k e s 方程 获得，小尺度运动对大尺度运动的影响将在运动方程中表现为类似于雷诺应力一 样的应力项，称之为亚格子雷诺应力，它们将通过建立湍流模型来模拟。大涡模 拟方法对计算机资源及计算速度的要求虽然仍比较高，但远低于直接模拟方法对 计算机资源的要求，在工作站上，甚至在性能较好的p c 机上都可以进行一定的 研究工作，因而近年来的研究与应用日趋广泛。 ( 3 ) 应用r e y o n l d s 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 ) 的模拟方法 在这类方法里，将非稳态控制方程对时间作平均，在所得出的关于时均物理 量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等未知量，于是所得方程个数就小于 未知量个数。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较低阶的计算中可以确定的量的函数。这是目前工程 湍流计算中所采用的基本方法。 在r e y n o l d s 时均方程法中，又有r e y n o l d s 应力方程法及湍流粘性系数法两 大类。本文将采用在工程流动与数值计算中应用最广的湍流粘性系数法。 天津大学硕士学位论文 第二章火花点火发动机的c f d 计算模型和数值计算方法 内燃机中应用较多的湍流模型为：亚网格尺度模型( s g s 模型) 、雷诺应力模 型( r s m 模型) 和双方程模型( k s 模型) 。 亚网格尺度模型 源于大涡模拟，其基本思想是把对应于不同尺度湍流涡团的量，分为可解尺 度和亚网格尺度量。由于小尺度结构在统计上能较好的满足各项同性，对其模拟 的结果必然更接近于物理事实，这是s g s 模型的主要优点。其主要缺点是需要 精细网格，因而计算工作量很大。 雷诺应力模型 雷诺应力模型中增加了雷诺应力微分方程，考虑了更多的湍流细节，所以雷 诺应力模型能更真实地模拟实际的湍流流动，反应其内在本质。这一模型的优点 在于可准确地考虑各向异性效应，虽然其通用性不像人们所期望地那么高，但在 不少情况下其预报效果确实比其他模型好。但该模型过于复杂，一个完整的雷诺 应力模型包括一个连续方程、3 个动量方程、雷诺应力的6 个方程、k ；8 程和占方 程，总共1 2 个未知量，1 2 个微分方程，计算量非常大，尤其对复杂的三维流动， 从工程角度，其计算量超出了目前计算机的能力。所以还不具备足够的实用性。 双方程模型 双方程模型是目前湍流模型研究中的热门，也是目前应用最广泛的一种湍流 模型，这与其内在的物理本质有必然联系。应用比较广泛的双方程模型有j o n e s 与l a u n d e r 提出的标准k 占( s - k - e p s ) 模型，经过修正的各种低雷诺数k s 模型，以 及由k 一占模型发展而来的模型k s 和q 1 0 模型。另外还有很多关于k 占模型的非 线性代数应力模型。i 刍j o n e s 与l a u n d e r 提出的标准k 占模型以来，该模型就以其 简单，计算精度较高而广泛应用于各种湍流研究中。标准k s 模型在推演过程中， 采用了以下几项基本处理：用湍动能k 反映特征速度；用湍动能耗散率s 反 映特征长度尺度；引进了v ：c 。k 2 占的关系式；利用b o u s s i n e s q 假定进行简 化。正因为如此，可以认为k 占有以下优点：通过求解偏微分方程考虑湍流物 理量的输运过程，即通过求解偏微分方程来确定脉动特征速度与平均速度梯度的 关系，而不是直接将两者联系起来；特征长度不是由经验确定，而是以耗散尺 度作为特征长度，并由求解相应的偏微分得到，因而k s 模型在一定程度上考虑 了流动场中各点的湍动能传递和流动的历史作用。计算结果表明，它能较好地用 于某些复杂流动，例如环流、渠道流、边壁射流和自由湍射流，甚至某些复杂的 三维流。然而，标准k 占模型也有一定的局限性，