（动力机械及工程专业论文）直喷式柴油机喷油器参数对燃烧和排放影响的数值模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 直喷式柴油机的燃烧过程和捧放特性，主要取决于气缸内混合气的形成。燃油的喷 雾特性是影响混合气形成和燃烧过程的重要因素，而喷油器参数对燃油的喷雾特性产生 直接影响。因此研究喷油器参数对燃烧过程和排放特性的影响有着重要的意义。对燃烧 过程的研究除传统的试验方法外，建立在试验基础上的柴油机燃烧过程的数值模拟也是 一项强有力的措施。 本文系统地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、柴油喷雾模型和缸内燃烧模型在理论上进行了具体的分析。 针对一台单缸1 3 5 柴油机，在已有进气涡流和燃烧室形状下，利用三维c f d 软件a v l f 1 r e 8 5 对缸内的气流运动过程、喷雾过程和燃烧过程进行数值模拟，分析喷油器主要 参数( 如喷孔数、喷孔夹角、喷油正时、喷孔布置形式等) 对直喷式柴油机燃烧过程和排 放的影响规律。着重分析了缸内流场的演变规律、喷雾的空间分布情况、缸内燃空当量 比和温度分布特点以及排放物的形成情况。并将计算结果与试验结果进行了对比分析。 验证了计算模型选取的合理性以及数值模拟对排放物的预测能力。 研究结果表明：喷孔数影响燃油的雾化质量：喷孔夹角影响燃油的空间分布；喷油 正时影响滞燃期；双层、交错排列喷孔能够扩大燃油的空间分布范围，避免相邻油束发 生干涉。恰当地选择以上参数可以提高混合气形成质量，改善直喷式柴油机的燃烧过程 降低排放 关键词：直啧式柴油机；喷油器；燃烧；数值模拟；排放 直喷式柴油机喷油嚣参数对燃烧和捧放影响的数值模拟 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o re f f e c t so f f u e li n j e c t o rp a r a m e t e r so n c o m b u s t i o na n de m i s s i o no fd id i e s e le n g i n e a b s t r a o t t h ec o m b u s t i o np r o c e s sa n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c si nd id i e s e le 1 g i n em a i n l yd e p e n d o nt h em i x t u r ef o r m a t i o ni nc y l i n d e r s p r a yc h a r a c t e r i s t i ci sa ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c ha f f e c t s t h em i x t u r ef o r m a t i o na n dc o m b u s t i o np r o c e s s f u r t h e r , p a r a m e t e r so ft h ef u e li n j e c t o r d i r e c t l yi n f l u e n c et h es p r a yc h a r a c t e r i s t i c t h e r e f o r e 。t h es t u d yo fe f f e c t so ff u e li n j e c i o r p a r a m e t e r so nc o m b u s t i o na n d e m i s s i o no fd 1d i e s e le n g i n ei sam e a n i n g f u lw o r k t h et 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 ec 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 i 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 ，d i e s e le n g i n es p r a ym o d e l sa n dc o m b u s t i o nm o d e l sa r e e x p l a i n e di nd e t a i l t h ei n - c y l i n d e rt u r b u l e n c ef l o w ，s p r a ya n dc o m b u s t i o np r o c e s so f1 3 5 d i e s e le n g i n ea r es i m u l a t e db yt h r e e - d i m e n s i o n a lc f d p a c k a g e - a v lf i r e8 5 e f f e c t so ft h e m a i np a r a m e t e r so ff u e li n j e c t o r , s u c ha sn u m b e ro fn o z z l eh o l e s ，n o z z l eh o l ea n g l e ，i n j e c t i o n t i m i n ga n da r r a n g e m e n tf o r mo fn o z z l eh o l e ，a r ea n a l y z e d h o we v o l u t i o np r o c e s s ，s p r a y d i s t r i b u t i o n , f u e l a i rr a t i oe q u i v a l e n c e r a t i o d i s t r i b u t i o n , t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na n d e m i s s i o n sf o r m a t i o na r ea n a l y z e dd e t a i l e d l y t h r o u g hc o m p a r i n gw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， c a l c u l a t i o nm o d e l sa r ep r o v e dt ob er e a s o n a b l ea n ds i m u l a t i o ne f f e c t i v e l yp r e d i c t st h e e m i s s i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t ：n u m b e ro fn o z z l eh o l e sh a sag r e a te f f e c to ns p r a ya t o m i z a t i o n a n df u e l a i rm i x t u r e ；n o z z l eh o l ea n g l ei n f l u e n c e ss p r a yd i s t r i b u t i o n ；i n j e c t i o nt i m i n ge f f e c t s i g n i t i o nd e l a yp e r i o d ；t h en o z z l e ，w h i c hh a st w o r o wa n ds t a g g e r e dn o z z l eh o l e s ，c a ne n l a r g e s c o p eo fs p r a yd i s t r i b u t i o na n da v o i di m p i n g e m e n tb e t w e e nt w os p r a y s m i x t u r ef o r m a t i o n q u a l i t yc 柚b ei m p r o v e di fs e l e c t i n gt h ea b o v ep a r a m e t e r sa p p r o p r i a t e l y a n dt h e r e f o r e c o m b u s t i o np r o c e s sw i l ib ei m p m v o da n de m i s s i o n sw i l lb er e d u c e d k e y w o r d s ：d id i e s e le n g i n e ：f u e l 珂c c t o r ；c o m b u s t i o n ；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 i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为荻得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借闭。本入授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名 ! 訇鱼 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题背景及选题意义 人类社会发展面临两大难题的困扰。一是非再生能源的枯竭；二是环境逐渐恶化， 生态平衡受到破坏。可持续发展作为一种发展目标和模式。已为世界各国所接受。全面 实施可持续发展战略，离不开汽车工业的可持续发展。追求汽车工业的发展与资源环境 的和谐统一，构成了汽车工业可持续发展的基本框架。众所周知，柴油车与汽油车相比 有很多优点首先车用柴油机功率大，动力性能优越，压缩比高于汽油机。从燃烧方式 来讲，柴油机的燃料是通过高压油泵直接喷入燃烧室内压缩着火，不会产生早燃、爆燃 等不正常燃烧：柴油机的可燃混合气是燃油与空气分层混合，易实现分层燃烧和稀薄燃 烧；柴油机的燃烧方式决定了它具有优越的燃油经济性。在热效率上汽油机的热效率一 般为2 0 - 3 0 ，而柴油机的热效率可达3 0 - 4 0 ，以总质量为0 8 1 5 t 的轿车每百 公里油耗比较：汽油车约为5 _ 8 2 l ，非直喷式柴油车约为4 6 8 l ，直喷式柴油车约为 5 - 6 l ，由此可知柴油车比汽油车油耗低3 0 左右i 。柴油机工作可靠性强，耐久性好， 国际上先进的柴油机大修里程一般为5 0 万公里，汽油机一般只有3 0 万公里例。最后从 环保角度来看，同档次的柴油机对环境的污染并不比汽油机大，由于柴油车的燃料是在 燃烧前高压喷入燃烧室，且一般处于过量空气的情况下工作，雾化良好且燃料燃烧充分， h c 和c o 的排放量比汽油车少得多，n o i 的排放量与汽油车相近；柴油车排放方面的 主要问题是微粒物，这是因为柴油的碳原子含量比汽油高，燃料与空气混合不均匀造成 的局部高温缺氧使柴油脱氢裂解产生微粒物，这是柴油机排放控制工作的焦点1 1 1 1 2 1 1 3 1 。 综上所述，柴油机具有大功率、高效、节能、经济实用的特点，因而大力发展柴油 车既符合用户的需求，又满足汽车工业可持续发展的要求。因此，高性能低排放的柴油 车有着广阔的市场发展前景，其发展对保护环境和节约能源有着至关重要的作用。 直喷式柴油机由于其显著的低油耗特性在船舶和卡车上得到了广泛应用，并对轿车 工业产生了越来越大的吸引力。在过去的二十年中增压系统的采用提高了柴油机的动力 性和经济性，增强了与汽油机的竞争性。但柴油机还存在着n o ，和微粒排放水平高、噪 声大的缺点。随着对环保的日益重视以及排放法规的逐渐严格，迫使柴油机研究者必须 改善柴油机的这些性能。 要提高柴油机的动力性、经济性，降低有害捧放物，除了采用增压、中冷、e g r 、 电子控制等机内净化措施以及催化转化器等机外净化手段外，对燃烧过程的研究是必不 直喷式柴油机喷油器参数对燃烧和撇影响的数值模拟 可少的，柴油机的燃烧过程对柴油机的各项性能指标具有决定性的影响。柴油机的燃烧 过程十分复杂，而长期以来，实验是研究燃烧的主要手段，但限于实验条件、测试技术 水平以及实验仪器的精度，这种实验研究也有很大的局限性，而且费用很高。随着计算 机技术的飞速发展及计算流体力学、计算传热学、化学动力学等基础理论研究的深入 柴油机喷雾和燃烧的数值模拟逐渐形成了一个独立的发展分支。它以实验和基本理论的 研究成果为基础，通过计算机把实验研究、理论分析和科学计算有机地融为一体。计算 机模拟具有调整参数方便、运行速度快、成本低的优点，可以在众多的影响因素中找出 关键的控制变量，优化实验与设计方案，降低产品的研制周期及费用。可以预见，随着 计算机模拟方法的不断发展，模拟速度和精度不断提高，柴油机燃烧过程的计算机数值 模拟必将成为柴油机研究和设计的一种有效手段。 本文应用三维c f d 软件a v lf i r e8 5 进行数值模拟计算，并对柴油机混合气形成 和燃烧的过程，以及排放物形成的机理进行了研究，并且通过模拟计算结果与试验结果 相互比较、相互验证的方法，分析了直喷式柴油机喷油器参数对燃烧和排放的影响规律。 应用数值模拟技术和实验研究相结合的手段，优化喷油器参数，充分利用数值计算 对排放物的预测能力和对燃烧过程的模拟，通过改变喷油器的参数，对多种方案进行对 比，最终确定最佳方案，这样不仅缩短了产品开发工作的周期，而且节省了人力、物力 和试验开支。 1 2 直喷式柴油机燃烧过程模拟研究的发展与现状 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( 可视化) 或分析( 数值计算) 真实系统的本质特征。具体地说，可把计算机 模拟过程分解为三个步骤：第一步，从物理到数学，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，抓住其主要因素而忽略其次要因素，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，从数学到数学的过程，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，从数学到物理，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，并判断它是否相对地符合 物理系统的实际情况。 计算机模拟是随着电子计算机的问世而逐渐发展起来的，2 0 世纪加年代首先应用 于航空、航天，几十年间，计算机模拟不断向其他领域、学科扩展并发展很快，现已 普遍应用于科学研究、生产组织、工程设计、经济调控及社会发展等各个方面，它的存 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 在和影响已“无处不在”，可以说，是当今应用面最广的一种实用技术。随着现代科学 技术的进步，计算机模拟技术必将得到进一步的发展，在工程上发挥越来越重要的作用。 1 2 2内燃机燃烧过程数值模拟的发展 自2 0 世纪6 0 年代末期以来，世界范围内能源危机日益严重，环保呼声越来越强烈， 使得开发高效率、低污染的发动机成为当前内燃机研究的中心课题，这就迫使人们在理 论和试验两方面加强对内燃机缸内燃烧过程的研究，以达到节能和低污染的目的。随着 计算机技术的飞速发展及其计算流体力学、计算传热学、化学动力学等基础理论研究的 深入，内燃机燃烧过程的数值模拟已成为燃烧研究的重要手段。 内燃机燃烧过程模拟，是综合运用热力学、流体力学、传质传热学、化学反应动力 学和数值分析等学科的知识，来描述内燃机工作过程中缸内流动工质、传热和流体力学 与热力学行为的一组物理和化学的数学方程式。它从内燃机有关工作过程的物理化学模 型出发，用微分方程对有关工作过程进行数学描述，然后用数值计算方法求解求得各 参数随时问、空间的变化规律，进而可以了解有关参数对内燃机性能的影响燃烧模型 大体上可以分为三类：零维模型、准维模型和多维模型【5 j ( 1 ) 零维模型 零维模型就是假定气缸内工质均匀分布，各种热力学参数和热物性参数处处相等。 即随时处于热力学平衡状态，因此零维模型又叫做热力学模型。这类模型是在燃烧模拟 研究早期发展起来的。它是通过对大量实际燃烧过程的统计分析，找出规律性，用经验 公式或曲线拟合的方法，建立起一种表达燃烧放热过程参数间的经验公式，将复杂的燃 烧过程简化表达成几个特征参数间的关系。零维模型用简单的数学关系掩盖了燃烧中物 理- 化学反应过程的本质，它对缸内过程的描述是宏观的、抽象的，不考虑参数随空间 位置的变化。因此，零维模型主要用于根据已知的示功图计算放热规律和用经验的放热 规律预测示功图两方面，但它无法描述喷雾、油滴蒸发、混合、卷吸及工质运动等重要 物理过程以及非均匀温度场对有害排放产物的影响，因而不能用于排放性能的预测。此 外，零维模型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。 零维模型对于分析、计算和预测内燃机性能起了重要的作用，能够预估燃烧过程中 的主要性能参数，已被广泛用于内燃机的设计和研究零维燃烧放热模型有很多，较常 用的是w e i b c 模型和w a t s o n 模型。 ( 2 ) 准维模型 直喷式柴油机喷油嚣参蜀回掳蝴捧放影响的数值模拟 准维模型诞生于7 0 年代，其发展的直接原因是预测捧放的要求。这类模型是在零 维模型的基础上考虑喷雾及火焰传播等物理过程的长度尺度，把燃烧室按火焰位置或喷 注空间分布形态，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，组成燃烧模型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，并能预测有害排放物浓度。 准维模型虽然未仔细考虑空间分布，但从燃烧、可燃混合气形成、火焰传播现象出发， 列出描述分区内各参数随时间变化的关系式，计算各分区内的温度和浓度，从而在一定 程度上反映缸内参数随空间的变化。 由于对柴油机燃烧过程分析方式的不同，目前己发展了多种不同观点、不同功能、 不同用途的准维燃烧模型，其中美国康明斯( 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”比较有代表性 4 i n 应用较为普遍，也比较成熟。这类模型 一般由确定油束几何形状及燃油喷注模型、燃烧热力学计算模型及排放物生成模型构 成。但由于准维模型对若干子过程的描述是建立在经验的、表象的基础上。其通用性受 到限制。 ( 3 ) 多维模型 2 0 世纪年代以来，随着计算机应用的普及、计算数值方法和计算流体力学等学 科的日益成熟，内燃机缸内的工作过程多维数值模拟得到了较快的发展。多维模型与零 维或准维模型相比在性质上有很大的不同。它是在遵循质量、动量和能量守恒的基础上， 进一步考虑了燃烧室中压力、温度、工质成分和流体速度等的三维结构，通过求解支配 燃烧现象的物理、化学过程的基本微分方程，可以确定工质的流动特性、温度及燃烧产 物浓度等参数的空间分布。多维模型是一个十分复杂的热力学燃烧系统，其中包含有气 流运动，质量、动量和能量的传递与转换，燃油的喷射、雾化与蒸发，混合气的形成、 着火与燃烧，还包括传热、气相物与微粒的捧放以及边界的运动( 活塞和气门) 等等。它 避免了准维模型的缺点，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的。它是一种较为精细的模型，又称为精细模型。多 维模型对于深入了解燃烧过程的细节、优化燃烧过程的组织，尤其是判断局部区域有害 物质的生成都有着积极的意义 在多维模型的发展中，美国的l o sa l a m o s 国家实验室和英国帝国理工学院的研究 工作处于领先地位。在一系列多维模拟的程序中，美国l o sa l a m o s 国家实验室开发的 k i v a 作为一个优秀的软件，已成为美国能源部能量转化和利用技术的一个组成部分。 c w h i r t 等矛1 9 7 2 年首次提出了目前广泛应用于内燃机缸内工作过程数值计算的 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 i c e d a l e 方法；1 9 8 5 年，美国的l o sa l a m o s 研究所的a m s d e n 等人开发了k i v a 程 序；1 9 8 9 年，j l 色a m s d e n 等人在k i v a 的基础上研制了k i v a - l i 程序，该程序无论计 算效率、计算精度、还是物理子模型、使用方便性和通用性都有了很大提高；1 9 9 1 年， 美国l o s a l a m o s 国家实验室在k i v a - i i 的基础上研制出k i v a - 3 程序，该程序使用块结 构，可以把许多复杂的几何形状分成许多简单的块结构来计算，可以计算非常复杂的几 何形状，既节约了内存，又提高了速度；1 9 9 7 年2 月，k i v a - 3 的改进版k i v a - 3 v 完 成。在a l e 数值计算方法发展的同时，1 9 7 2 年，英国帝国理工学院的d b s p a l d i n g 首 创的半隐式控制容积法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 1 i n k e de q u a t i o m ) 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 等人在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 8 2 年，g o s m a n 建立了直接喷射式柴油 机缸内工作过程较为全面的数学模型。该模型考虑了燃烧化学反应。1 9 8 4 年，g o s m a n 开发了直接喷射式柴油机缸内流动过程完全三维数值模拟计算程序。近年来，随着对内 燃机工作过程的大量研究，开发出了一系列功能齐全的商用软件，如英国a d a p c o 公司 的s t 觚c d 软件，里卡多的v e c n s 软件及奥地利a v l 公司的f i r e 和b o o s t 等软 件，为内燃机的研制提供了十分便利的条件国内内燃机工作者在消化和吸收了国外先 进的数学模型、数值方法和计算程序的基础上，开发出许多内燃机工作过程数值模拟程 序如北京理工大学开发的三维内燃机工作过程通用模拟程序砌强3 g l i ；中国科学技术 大学火灾科学院重点实验室开发的计算直喷式柴油机螺旋进气道与缸内空气运动的大 型微机化程序i p i c - c f d ( 1 ) ；同济大学、江苏理工大学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d i l t j 1 2 3 柴油机多维燃烧模拟的现状与发展 柴油机多维燃烧模拟主要由三大部分组成，即缸内空气运动的模拟( 应用单相流体 力学) 、缸内喷雾混合过程的模拟( 应用两相流体力学) 、缸内燃烧过程的模拟( 应用 燃烧化学) 。到目前为止，对柴油机的多维模拟主要分为喷射和燃烧机理这两方面。 柴油机燃油喷雾的数值模拟涉及燃油雾化、气液两相作用、油滴间的聚合、碰撞及 油滴的传热传质等物理过程，为了计算喷雾与气体间质量、动量和能量的交换，必须考 虑油滴的大小、速度和温度分布：当w e b e r 数大于l 时，必须考虑油滴的振荡、变形和 破裂1 酊。目前主要有两种模拟技术应用于燃油喷雾模拟：第一种是对喷注作统计描述的 连续液滴模型( c d m 尸】，第二种是将燃油喷注视为由若干离散的具有代表性的计算“质 直喷式柴油机喷油器参数对燃烧和捧放髟响的效值模拟 点”所组成的离散液滴模型( d d m ) 【1 0 1 其共同特点是：把发生在大小与油滴尺寸相近或 者更小区域内的过程作平均化处理。c d m 模型试图通过喷注概率的欧拉偏微分方程式 来描述所有油滴的运动，因而采用c d m 模型需要对喷注作一系列的简化假设f 如稀薄喷 注且“无滑移”) ，否则会因为问题过于复杂而难于求解。d d m 基于蒙特卡洛方法，它 不考虑全部油滴，而只处理其中若干具有代表性的统计样本。每个样本都代表一定数目 的大小和状态都完全相同的油滴，假设它们运动、破碎、撞壁和蒸发的行为完全相同。 用拉格朗日方式跟踪这些油粒的运动，求解描述其运动轨迹和传热传质过程的一组常微 分方程l l ”。目前以d d m 为基础而发展起来的多维燃烧模型最多，应用最为广泛。 柴油的喷射过程通常可分为两个阶段：初次破碎和二次破碎。初次破碎在靠近喷嘴 且w e b e r 数很高的情况下发生，不仅与液、汽两相的交互作用有关，还与喷嘴内部的流 动现象( 如湍流、穴蚀) 有关。二次破碎在远离喷孔的喷雾下游发生，与喷嘴的类型关系 不大，主要取决于缸内气体的流动作用。经典的破碎模型如t a b ( t a y l o r a n a l o g y b r e a k u p ) 模型、r d ( r c i t za n dd i w a k a r ) 模型和w a v e 模型都没有区分这两次破碎过程。这些模型 的参数通常需要根据喷雾下游二次破碎区域的实验数据来确定。 另外一些模型如e t a b ( e n h a n c e dt a b ) 模型、f i p a ( f r a c t i o n n e m e n ti n d u i tp a r a c c e l e r a t i o n ) 模型或是k h r t ( k e l v i nh e l m h o l t z r a y l e i g ht a y l o r ) 模型等可以分别处理初 次破碎和二次破碎两个过程m l 。所以。这些模型基本上能够独立地分别模拟两个破碎过 程。但是，这些模型中另加的一些参数则由于缺乏初次破碎区域的实验数据而很难确定。 目前应用最为广泛的喷雾两相流数值模拟计算方法是英国帝国理工学院 d b s p a l d i n g 等首创的半隐式控制容积法( s i m p u d 和美国l o sa l a m o s 实验室提出的任 意拉格朗日欧拉法( a u 巳) 【6 j 【坫】。s i m p l e 的含意是求解压力耦合方程的半隐式算法，此 算法对积分区域的离散化一般采用正交网格系统。a l e 法不要求网格的正交性，特别适 合于内燃机工作过程计算。a l e 方法将每一时间步长的计算分为三个阶段。第一阶段是 显式的拉格朗日计算，网格保持不动；第二阶段是隐式的，它通过一个迭代过程求出压 力在本时刻的新值，进而求出速度的新值；第三阶段把网格移动到新的位置，同时计算 对流通量。各方程在时间和空间上均为离散方程。a l e 方法特别适于计算象内燃机这样 具有复杂边界的问题，但其非正交网格所能使用的时间步长受到很大限制，计算量比较 大。 柴油机湍流燃烧模型目前应用的主要有s p a l d i n g 提出的湍流扩散火焰的k e g 模 型、涡破碎模塑- j ( e d d yb r e a k u p ) 、拟序火焰面燃烧模型、概率密度方程( p d f ) 模型、统一 二阶矩模型。湍流扩散火焰模型用k e 方程模化湍流的输运作用，采用一个适当的概率 密度函数p ( o 来描述混合分数f 的脉动性质涡破碎模_ 型( e d d yb r e a k u p ) 假定化学反应速 一6 一 率和化学动力学无关，而只取决于未燃的微气团在湍流作用下破碎成更小微团的速率， 认为破碎速率与湍流脉动动能衰变的速率成正比旧。拟序火焰面燃烧模型，该模型假设 反应区域与湍流尺度相比很薄，所以湍流对当地的火焰结构没有影响，而仅在火焰面上 感应产生拉伸1 1 7 】1 1 9 1 刎。概率密度方程( p d f ) 模型采用概率密度方程【1 8 j 是最近几年发展 起来的求解湍流燃烧的新方法。它是通过求解完全格式的p d f 输运方程，求出所有有 关流动与燃烧的参量，但该方法计算量非常大目前工程中应用比较普遍的是简化的 p d f 模型，假定瞬时化学反应速率为温度和混合分数或者温度和氧浓度的函数【1 7 l 【驯【2 1 l 。 统一二阶矩阵模型考虑了化学反应对关联量耗散的影响对包括反应率系数的脉动和浓 度脉动关联在内的所有关联量都用统一形式的二阶矩阵输运方程加以封闭和求解。此模 型可用于模拟详细反应动力学，且计算量远远小于p d f 方程模型的计算量旧i 碉。 一些发达国家( 如美国、法国等) 开始采用直接的数值模拟( d n s ) 、大涡模拟( l e s ) 等 手段模拟湍流燃烧的过程。在国外已经取得相当研究进展的多维燃烧模型，目前在我国 仅处于刚刚起步阶段。 缸内燃烧过程分析的常用数值模拟工具有：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，广泛应用于发动机定常流、喷雾燃烧、冷却水等领域的分析。a v l 公司的发动机专用三维模拟软件f i r e 依靠其强大试验能力的支持，最近发展相当快。 应用多维数值模拟对柴油机燃烧过程和喷雾进行仿真模拟计算，可以进一步深入理 解整个混合物形成和燃烧的过程，对于研究燃烧过程的影响因素及排放物形成的机理 提高柴油机的动力性和经济性，降低n 0 。和碳烟排放，并使其满足日益严格的排放法规 的要求有着重要的意义 1 3f i r e 软件简介 f i r e 软件是由奥地利a v l 公司开发的用于模拟内燃机流动、喷雾、燃烧过程的 c f d 软件，跟大多数的c f d 软件一样，f i r e 由前处理，求解器和后处理三部分组成。 在c f d 进程中，前处理是相当重要的部分，因为通过它生成的网格类型和质量通常能 决定整个模拟计算的可靠性，入流场离散计算的精度以及计算时间。f i r e 拥有网格和 动网格生成能力，包含了全自动，半自动以及手动网格生成功能，能够对入进气道在内 的复杂结构轻松实现快速优质的网格划分同时，f i r e 包含了丰富的湍流，燃烧和捧 放预测模型，湍流模型有k - e 湍流模型，r s m 模型和a v l - h t m 模型等，燃烧模型有 直喷式柴油机喷油器参数对燃烧和捧放影响的数值模拟 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。捧放模型包含 了7 c l d o v i c hn o x 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。同时f i r e 还有预留给用户自定义模型。 用户可以非常方便的根据不同的求解对象和环境选择各类不同的计算模型。以实现模拟 计算与实际情况的一致性 1 4 本文的主要研究内容 本文的研究是针对一台单缸1 3 5 柴油机，在已有进气涡流和燃烧室形状下，利用三 维c f d 软件a v lf i r e 8 5 对缸内的气流运动过程、喷雾过程和燃烧过程进行数值模拟， 分析喷油器主要参数( 如喷孔数、喷孔夹角、喷油正时、喷孔布置形式等) 对直喷式柴油 机燃烧过程和排放的影响规律，并与试验结果进行了对比分析。主要内容包括： ( 1 ) 进行了1 3 5 柴油机燃烧试验。试验中采集缸内压力曲线，并获得计算分析所需 的初始条件以及用来验证计算分析模型正确与否的试验数据； ( 2 ) 在喷油量一定且喷孔总流通面积基本相等的条件下。对喷孔数分别为4 、5 、6 、 8 、1 0 的直喷式柴油机的喷雾和燃烧过程进行了模拟、分析，井与试验结果进行比较； ( 3 ) 对喷孔数为8 ，孔径为0 2 5 r a m ，喷孔夹角分别为1 4 0 。、1 5 0 。、1 6 0 6 的直喷 式柴油机的喷雾和燃烧过程进行了模拟、分析，并与试验结果进行比较； ( 对喷孔数为8 ，孔径为0 2 5 m m ，喷孔夹角为1 5 0 。，喷油正时分别为1 2 。c a 、 1 5 。c a 、1 8 。c a 的直喷式柴油机的喷雾和燃烧过程进行了模拟、分析，并与试验结果 进行比较； ( 5 ) 设计了一种双层喷孔喷嘴，其喷孔是双层、交错排列的，而且上下两层喷孔的 夹角不相等。对采用双层喷孔的柴油机的喷雾和燃烧过程进行了模拟，并将结果与采用 传统单层喷孔的模拟结果进行了比较，讨论了双层喷孔对直喷式柴油机燃烧过程和排放 的影响。 应用数值模拟技术和试验研究相结合的手段，优化直喷式柴油机喷油嚣参数，充分 利用数值模拟计算对排放物的预测能力和对燃烧过程的模拟，通过改变喷油器参数，对 多种方案进行对比，最终确定最佳方案。这样不仅缩短了研究工作的周期，而且节省了 人力物力及试验开支 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 直喷式柴油机多维数值模拟计算模型 直喷式柴油机多维燃烧模拟主要由三大部分组成，即应用单相流体力学对缸内空气 运动进行模拟、应用两相流体力学对缸内的喷雾混合过程进行模拟、应用燃烧化学对缸 内的燃烧过程进行模拟 2 1 气相湍流流动模型 2 1 ，1 湍流概述 湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中流体的各种物 理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。从物理结构上说，可 以把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方 向分布是随机的。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 只有流场尺度的千分之一的量级，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。因而在充分发展的湍流 区域内，流体涡旋的尺寸可在相当宽的范围内连续地变化。大尺度的涡旋不断地从主流 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。最后由于流体粘性 的作用，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1 1 2 j 。 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。 湍流运动与换热的数值计算方法大致分为三类： ( 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 ) 这种方法是用三维非稳的n a v i e r s t o k e s 方程对湍流进行直接数值计算的方法。要对 高度复杂的湍流运动进行直接的数值计算必须采用很小的时间与空间步长，才能分辨 出湍流中详细的空间结构及变化剧烈的时间特性。因此，湍流的直接模拟对内存空间及 计算速度的要求非常高，目前根本无法用于工程数值计算 ( 2 ) 大涡模拟( 1 a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 根据湍流的涡流学说，湍流的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的。这种方法旨 在用非稳态的n a v i c r - s t o k e s 方程来直接模拟大尺度涡但不直接计算小尺度涡，小涡对 大涡的影响通过近似的亚格子r e y n o l d s 应力模型来考虑大多数亚格子r e y n o l d s 应力 模型都是用涡粘性来描述的。大涡模拟方法对计算机内存及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的个 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。 2 1 2 湍流模型 在内燃机中，应用较多的湍流模型是亚网格尺度模型( s g s 模型) 、霄诺应力模型 ( r s m 模型) 、双方程模型( k - 模型) 4 1 ( 1 ) 亚网格尺度模型( s o s 模型) ，该模型的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满足各向同性，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。 ( 2 ) 雷诺应力模型( r s m 模型) r s m 模型直接求解由模化的雷诺应力为变量的偏微分方程，彻底摒弃了湍流粘性 系数的概念，自动包含各向异性的效应，如旋流、流线曲率和浮力的影响，体现了湍流 输运的本质，具有广阔适用性。但由于计算量太大，目前还不具备实用性。 ( 3 ) 双方程模型( k - c 模型) 双方程模型的基本思想是为了反映流场中对流和扩散作用的影响，必须把决定湍流 粘性系数主要特征的参量作为微分方程的因变量。在双方程模型中，应用最广的是k - e 模型，这里k 是湍流脉动动能，e 是湍流k 的耗散率。标准k - e 模型的使用前提是流 体各向同性，以及流体质点平均运动轨迹线没有大的曲率。而内燃机缸内流场具有高涡 流比、强瞬变各向异性的特点，因而k - 模型应用到内燃机中必须进行强旋流修正和可 压缩修正。本文使用的k - e 模型是由a v l 公司给出的标准高雷诺数k - e 模型，其表达 式如下： 大连理工大学硕士学位论文 以上给出的k e 为高雷诺数k - e 模型，适用于离开壁面一定距离的湍流区域。在与 壁面相邻接的粘性支层中，湍流雷诺数很低，必须考虑分子粘性的影响，k e 方程要做 相应的修改。适用于粘性支层的k - e 模型称为低r e 数模型。在采用高r e 数k oe 模型 来计算流体与固体表面间的换热时，对于壁面附近的区域，可采用壁面函数法【瑚 2 1 3 壁面函数法 采用壁面函数法时，湍流流核中采用高雷诺数k e 模型，而在粘性支层内不布置任 何节点，把第一个与壁面相邻的节点布置在旺盛湍流区域内。 ( 1 ) 假设在所计算问题的壁面附近粘性支层以外的地区，无量纲速度与温度分布服从对 数分布律。则有如下表达式： 儿c 磋- ，- 彭争 ( 2 3 ) ，- y y 1 1 6 3 u - l n ( 毋) ) r 1 1 6 3 且七一0 4 1 ，e - 9 n c r r 耻刎+ y 】 ( 2 4 ) n 彭彭盟军型 ( 2 5 ) y - 2 ，4 【( 毒) 甜珂，】 - + 。2 8 c p ( 。便 号) 】 g s ， p 分子p 数；听湍流p r a n d f l s c h m i d 数；瓦- 壁面温度；圣，壁面热通量 ( 2 ) 第一个内节点与壁面之间区域的当量粘性系数“的值可按下式计算： 一。争芦 ( 2 7 ) ( 3 ) 对于第一个内节点p 上的及，的确定方法：值仍可按k 方程计算，其边界条 件取为，0 ( y 为垂直于鲕的坐标) 知之值可按下式计算 知- 乎甓 ( 2 8 ) 2 2 喷雾模型 喷雾模拟是一种多相流现象，在迸行数值计算时需同时求解气相和液相的守恒方 程。对于液相，是建立在离散液滴模型( d d m ) 的基础上的第一章已经介绍了d d m 的基本思想。它是对油滴组的轨迹、动量、热质转换求解微分方程，每个油滴组包含一 些油滴，同时假设这些油滴有相同的物理性质，它们运动、破碎、碰撞和蒸发的行为完 全相同【埘。 2 2 1 基本方程 ( 1 ) 动量方程 油滴组的轨迹和速度差分方程如下： 警一凡+ 气+ 昂+ 毛 ( 2 9 ) 其中，瓦是牵引力，可由下式得出： f - - d 。u q i o ) d p 是牵引函数，由下式定义： d ，- 专以4 g h i ( 2 1 1 ) c 。是牵引系数，通常是液滴雷诺数r _ 的函数：4 是液滴的横切面面积。c j 大连理工大学硕士学位论文 c d 膳( 1 + 0 1 5 r e , “m 7 ) 瓯 ( 2 1 2 ) 1 0 4 4 r e , 2 1 0 液滴雷诺数由下面方程求得，其中以是流域流体粘度。 r e , 坐型匦 ( 2 1 3