（动力机械及工程专业论文）车用柴油机燃烧过程及碳烟和NOltxgt排放的数值模拟.pdf

中文摘要 在能源危机和环境保护的双重压力下，人们对柴油机的性能和排放的要求也 越来越高，而柴油机燃烧过程的好坏对其性能及排放有着至关重要的影响。数值 模拟方法具有成本低、周期短、信息量大和便于优化等特点。广泛地应用于柴油 机的燃烧过程的研究。鉴于此，论文通过三维数值模拟的方法对某增压中冷柴油 机燃烧过程进行了数值分析，并对其碳烟和n o x 排放进行了初步的研究。 本文采用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 ) 数值分析软件一s t a r c d ，建 立了计算模型，并与全气缸取样实验进行对比。在此基础上，对缸内工质的流动 状态、温度分布以及碳烟和n o x 排放物的生成过程进行了模拟计算，分析了影 响有害排放物形成的主要因素。此外，研究了改变涡流比、喷油提前角、喷孔直 径、喷雾夹角、共轨压力和进气初始压力等燃烧边界条件对柴油机燃烧过程以及 碳烟和n o x 排放的影响。 研究结果表明：模拟的示功图与实验示功图，模拟的碳烟生成曲线和实验获 得的碳烟生成曲线，均吻合较好，验证了所建数值分析模型的正确性。碳烟生成 曲线峰值出现在1 7 0 a t d c 附近，随着燃烧的继续，生成的碳烟大部分被氧化； 2 5 0 a t d c 以前，生成了几乎所有的n o x ，随后出现了n o x “冻结”的现象，n o x 生成量基本保持恒定。此外，增大涡流比和减小喷孔直径有利于提高缸内气流运 动速度、扩大高温区域，降低碳烟排放，但使n o x 排放升高。改变喷雾夹角和 喷油嘴位置对缸内压力和温度影响不大，但是影响到喷雾油束的落点位置。落点 过高，则油束喷入气缸余隙较多，燃烧质量较差，形成较多碳烟；落点过低则油 束喷到燃烧室深坑底面上，导致油滴沉在温度较低的燃烧室底面上，碳烟排放恶 化。增大喷油提前角和共轨压力，改善了燃油混合质量，提高了最高爆发压力和 缸内平均温度，使n o x 排放升高，碳烟排放降低。初始压力的升高，较大程度 提高了缸内压力，降低了碳烟排放。 关键词：柴油机数值模拟燃烧过程碳烟排放n o x 排放燃烧边界 a b s t r a c t i n c r e a s i n gw o r l d w i d ec o n c e r no v e re n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t r i g g e r st h ed e m a n df o rt h eg r e a ti m p r o v e m e n to np e r f o r m a n c ea n de m i s s i o nl e v e l ， w h i c ha r ee n o r m o u s l yi n f l u e n c e db yt h ec o m b u s t i o np r o c e s so ft h ed i e s e le n g i n e s d u et oi t sl o wc o s t , s h o r tp e r i o d ，a b u n d a n ti n f o r m a t i o na n dc o n v e n i e n to p t i m i z a t i o n t h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nw i d e l ya d o p t e dt oi n v e s t i g a t et h e c o m b u s t i o np r o c e s so ft h ed i e s e le n g i n e i nt h i st h e s i s , t h ec o m b u s t i o np r o c e s so fa t u r b o c h a r g e di n t e r - c o o l e dd i e s e le n g i n ew a ss i m u l a t e d ，m e a n w h i l es o o ta n dn o x e m i s s i o n sw e r ep r e l i m i n a r ya n a l y z e d an u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e di ns t a r - c d ，ac f ds o f t w a r e c o m p a r i s o nw a s m a d eb e t w e e nt h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n dt h ed a t ao b t a i n e df r o m t h et o t a lc y l i n d e rs a m p l i n ge x p e r i m e n t b a s e do nt h em o d e l ，t h ef l o wp a r e mo ft h e i n - c y l i n d e rc h a r g e ，t h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ea n dt h ef o r m a t i o no f s o o ta n dn o x w e r es t u d i e d ，a n df u r t h e ra n a l y s i sw e r ec a r r i e do u to nt h em a j o rf a c t o r si n f l u e n c i n g t h ef o r m a t i o no ft h ep o l l u t a n t s i na d d i t i o n ，t h ee f f e c t so nt h ec o m b u s t i o np r o c e s sa n d t h ee m i s s i o n s ，i n c l u d i n gs w i r lr a t i o ，s t a r to fi n j e c t i o n ，d i a m e t e ro fi n j e c t o rn o z z l ea n d p r e s s u r eo fc o m m o nr a i l ，w e r ei n v e s t i g a t e d t h ei n c y l i n d e rp r e s s u r ea n dt h ef r o m a t i o no fs o o te m s s i o n sf r o ms i m u l a t i o n a g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h e r e f o r e ，i t h a sb e e np r o v e dt h a tt h ew o r k i n g m o d e li sr e a s o n a b l e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e a j ( a m o u n to fs o o to c c u r s a r o u n d17 c aa t d c ，a n dt h e nm o s ts o o ti so x i d i z e da st h ec o m b u s t i o nc o n t i n u e s a n d a l m o s tn o xf o r m sb e f o r e2 5 c aa t d c ，f o l l o w e db ya f r o z e n t h a tt h ea m o u n to f n o xr e m a i n sc o n s t a n t i ti sd i s c o v e r e dt h a tl a g e rs w i r lr a t i oa n ds m a l l e ri n j e c t o r n o z z l et e n d st op r o m o t et h em o v e m e n to ft h ei n c y l i n d e rc h a r g e ，e x t e n dt h e h i g h - t e m p e r a t u r er e g i o na n dr e d u c es o o te m i s s i o n s w h i l ea tt h es a m et i m en o x e m i s s i o n sw e r ei n c r e a s e d a l t e r i n gt h es p r a ya n g l ea n dt h ep o s i t i o no fi n j e c t o rh a s l i t t l ee f f e c to nt h ei n c y l i n d e rp r e s s u r e ，b u td o m i n a t et h ep o s i t i o no ft h es p r a yj e t i f t h ep o s i t i o ni st o oh i g l l ，m o s tf u e lw i l lb es p r a y e dt ot h es q u i s h ，l e a d i n gt op o o r c o m b u s t i o na n dm o r es o o t ，w h i l ei nt h eo p p o s i t e ，t h es p r a yr e a c h e st h eb o t t o mo ft h e c o m b u s t i o nc h a m b e r , r e s u l t i n gi ns o o ti n c r e a s e db e c a u s ef u e ld r o p l e t sa d h e r e dt ot h e c h a m b e r a d v a n c i n gt h ei n j e c t i o no ri n c r e a s i n gt h ec o m m o nr a i lp r e s s u r ec a u s e m i x i n gi m p r o v e d ，p e a kp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r er a i s e d a n dt h u sn o x i n c r e a s e da n d s o o tr e d u c e da r eo b s e r v e d h i g h e ri n t a k ep r e s s u r er e m a r k a b l yr a i s e st h ei n c y l i n d e r p r e s s u r e ，a n dc o n s e q u e n t l yr e d u c e ss o o te m i s s i o n s k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o m b u s t i o np r o c e s s ，s o o t e m i s s i o n s ，n o xe m i s s i o n s ，b o u n d a r yc o n d i t i o n s 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 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或旺 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：冬瓯媚 签字同期： 秒穸年7 月，8 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂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i 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：砖妁 导师签名： 冢袈朽 签字同期：砷年 ，月g 同 签字同期：瑚7 年月f 男r 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 内燃机诞生一百多年来，通过长期不断的技术改进和提高，在动力性、经济 性、可靠性等主要使用性能上，已经达到了很高的水平。目前，内燃机被广泛应 用于车辆、工程机械、电站、铁路、轮船、飞机以及其他各个领域，它的可靠、 高效、稳定是其他原动力所无法比拟的。近几年，国内外许多学者对内燃机的发 展前景展开了论证，指出在今后相当长的时间内，至少2 1 世纪前半叶，石油( 柴 油，汽油) 作为主要交通能源的地位不会改变，内燃机仍将是最清洁、最经济、 最主要的原动机，未来将保持快速增长的势头。然而，随着社会车辆的急剧增多， 随之带来的能源和环境问题也越来越受到重视。 目前，内燃机主要用石油作为燃料，而我国的石油储量并不丰富，人均剩余 可采储量只有世界石油平均的1 1 0 。从1 9 9 3 年开始，石油进口大于出口，之后 逆差逐渐加大，到2 0 0 0 年我国进口原油约7 0 0 0 万吨，其中内燃机消耗的石油占 石油消耗总量的6 1 。并且随着我国国民经济的高速发展，汽车工业也得到了 快速的发展。由图卜1 可以看出，我国汽车保有量一直保持持续增长的趋势，尤 其在2 0 0 0 年以后，汽车保有量几乎呈指数增长。2 0 0 5 年，汽车保有量已经达到 3 1 6 0 万辆，比2 0 0 0 年的1 6 0 8 万辆，增长9 6 5 2 ，几乎翻了一番。随着汽车保 有量的高速增加，内燃机石油消耗量还将迅速增加，石油这一不可再生能源的供 需矛盾必将日趋严型1 1 。 1 9 7 01 9 7 51 9 0 01 9 8 51 9 9 01 9 9 52 0 0 02 0 0 5 时间年 图1 11 9 7 0 - - 2 0 0 5 年我国汽车保有量 姗 撇 撕 栅 伽 锄 。 姐k蝴譬账* 第一章绪沦 汽车在给人们的工作生活带来方便的同时，也给人们造成了严重的威胁 环境污染。有调查表明：北京大气中7 4 的h c 、6 3 的c o 和3 7 的n o x 来自 汽车尾气排放，广州大气中超过8 0 的c o 和4 0 的n o x 来自于汽车尾气排放 口1 ，内燃机已成为我国大气环境污染的主要来源之一心1 。 柴油车因其节油效果显著、环保性能好，受到许多国家的高度重视。据统计， 欧盟主要国家柴油轿车的销售量已超过轿车总销黄的4 4 ，在西班牙、意大利、 奥地利、比利时及卢森堡等国更是高达5 0 以上，而这一比例在1 9 9 1 年仅为 1 6 。德国生产的1 4 l - 2 0 l 排量的小轿车中，柴油轿车的比例占6 1 ，法国 更是高达8 8 。2 0 0 4 年欧盟新增车辆中，柴油车占新增乘用车( 主要是轿车) 比 例近5 0 。其中，法国柴油车占新增乘用车比例达7 2 ，意大利为6 6 ，德国 为4 3 ，英国为3 3 。2 0 0 6 年，欧洲每2 辆新车中将有1 辆是柴油车。从世界 范围来看，汽车柴油化已经成为一种不可逆转的趋势。 但是，在柴油机排气中含有大量微粒，其质量浓度是汽油机的3 0 一8 0 倍1 4 1 。 这些微粒主要是由黑色含碳物质组成，粒径小，能长期悬浮于大气中而不沉降， 加上其表面常覆盖着一层有害的多环芳香烃等物质，易被人体吸收而沉积在肺泡 内，对人体健康造成了极大危害。 因此，世界范围的能源危机和控制污染的强烈呼声迫使人们在理论和实验两 方面大大加强对内燃机燃烧的研究，以期达到节能和净化的目的。要在越来越高 的燃油经济性和严格的排放法规的限制下，设计出性能优越、富有市场竞争力的 发动机，成为世界各国发动机专家和设计师们所面临的一个严峻的挑战。主要依 赖于实验手段和工作经验的传统设计方法已经远远不能胜任这一要求，于是人们 纷纷转而求助于强有力的工具计算机模拟技术。计算机模拟技术成为理解内 燃机复杂物理、化学过程的不可或缺的工具，并在内燃机燃烧系统的研究、设计 和优化过程中呈现出越来越重要的作用。 1 1 1 本文的背景及研究意义 内燃机缸内工作过程的数值模拟与发动机燃烧模型的研究进展是一致的。对 内燃机工作过程的数值模拟，要综合运用热力学、流体力学、传热传质学、化学 反应动力学和数值计算等学科的知识，它们为内燃机燃烧研究提供数学模拟基 础，反过来对内燃机燃烧过程的研究又能促进上述学科的发展。 内燃机缸内工作过程的数值模拟，能够分析和预测缸内气体流动过程的湍流 变化、燃油粒子的空间分布、可燃气体的浓度分布、缸内温度分布、缸内压力分 布以及各种燃烧产物的浓度分布，从而可以进一步研究内燃机的性能和排放等， 达到降低排放、改善内燃机动力性与经济性的目的。这种模拟计算不受试验环境 第一章绪论 和试验条件的限制，比通过试验手段获得数据来的迅速简单。 内燃机的燃烧过程在各种热机和燃烧装置中最为复杂，因而也最具有代表 性。内燃机的工作过程是强烈瞬变的，其工质有强烈的压缩性；气缸内可能同时 存在多种大尺度运动和微小涡团的湍流运动，在柴油机和某些汽油机中还存在燃 油喷射产生的两相流；其燃烧室也可能具有不同的复杂几何形状。此外，其气阀 的周期性开闭和活塞的往复运动还对求解的问题构成了瞬态的运动边界条件。这 一系列的特点使得内燃机燃烧过程的数值模拟除了必须以计算燃烧学的通用理 论和方法为基础之外，还必须相应地建立和发展其独特的模型、方法和技巧。从 而，用这些数值方法在计算机上对内燃机中的湍流流动、喷雾混合、传热传质和 燃烧排放过程进行模拟。应该看到，内燃机燃烧过程的数值模拟目前尚是一门未 成熟而正在蓬勃发展的学科。目前，各发达国家和包括中国在内的发展中国家都 已经形成了从事内燃机燃烧模拟的专业队伍，并在不断地取得新的成果。所以， 开展内燃机燃烧过程数值模拟这一课题的研究，是十分必要的，也是非常有意义 的。 1 2 内燃机缸内工作过程数值模拟的发展和分类 2 0 世纪6 0 年代出现了首批电子计算机的内燃机循环模拟研究工作，其目标 是预测发动机的动力性和燃油经济性。自那时以来，内燃机工作过程和燃烧过程 数学模型的研究突飞猛进地向前发展，以致在短短的4 0 年时间内内燃机燃烧模 型的研究已经先后经历了零维模型、准维模型和多维模型三个阶段。 1 2 1 零维模型 早在数值计算手段远不如今天这样发达的2 0 世纪5 0 一6 0 年代，人们已经开 始对发动机的燃烧进行宏观模拟，即不涉及燃烧过程的细节和真实机理，只求能 对其宏观的整体效果做出有一定精度的模拟和预测。在这种意义上产生了不依赖 于流动模型和喷雾模型而独立存在的内燃机燃烧模型，即所谓零维模型或热力学 模型，其基本思想是由实际发动机测得的示功图p = 厂( 驴) ，通过热力学第一定律， 计算出更直接地反应燃烧过程特征的燃烧规律；其目的是对柴油机燃烧过程的一 些宏观性能参数做预测分析，如示功图随发动机运行工况及燃烧初始参数变化的 规律；其参数在整个气缸内均匀而不随空间变化，而且是以热力学的质量平衡和 能量平衡关系作为全部计算的基础。 时至今日，零维模型已被广泛用于内燃机设计和研究中，公开报道的零维模 型也是多种多样的，较常用的是w i e b e 模型和w a t s o n 模型i5 1 。 第一章绪论 但是，零维模型把缸内工质假定为均匀分布，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， 不能用于有害废气浓度预测，不能分析喷雾、蒸发、混合及火焰传播对燃烧过程 的影响。 1 2 2 准维模型 零维模型把整个气缸处理为均匀场，这一假设未免过于粗糙，特别是均匀的 温度场无法预测人们日益重视的各种排放。为此，我们人为地把燃烧室空间划分 为若干个区域。在每个区域内，方程仍然保持以时问为唯一自变量的常微分方程 形式，而在不同区域之间可以通过膨胀、压缩做功以及质量、动量和能量的交换 进而相互影响。这类模型称为准维模型( q u a s i d i m e n t i o n a lm o d e l ) ，或按其分区的 数目称为双区或多区模型。 柴油机燃烧过程的显著特征是气缸内工质分布的不均匀性，其燃烧主要受控 于燃料和空气混合，即喷雾区内的物理化学过程。喷雾中燃料和空气的混合物决 定了缸内的温度和化学成分场，从而在不同的区域产生了各种燃烧产物。柴油机 的准维燃烧模型即基于这一特点，将整个燃烧过程抽象为喷雾、燃烧、传热和化 学反应等子过程，分别建立子模型，再由燃烧室内总质量、能力守恒及容积等约 束条件确定各子模型的关系，来描述整个燃烧过程，计算排放产物的形成。 由于抽象的方式和描述各子过程的侧重点的不同，目前已发展了多种不同观 点、不同功能、不同用途的柴油机准维燃烧模型，其中有代表性的柴油机准维模 型有：美国康明斯( c u m m i n s ) 公司的l y n 和c h i u 6 】等人提出的以气相喷注为基础 的“气相射流燃烧模型”，该模型认为燃料的雾化与蒸发率远远大于燃料与空气 的混合速率，当接近压缩终点时，燃烧室内的状态已超过了燃油的临界状态，因 此，燃料一旦射入燃烧室后立即成为气态，故可用一股气相射流来模拟实为两相 混合物的喷雾；日本广岛大学广安博之【7 】等人提出的以油滴蒸发为基础的“油滴 蒸发燃烧模型”，该模型忽略液体射流的雾化分裂过程，假定燃料直接以油滴形 式射入燃烧室，并认为油滴的蒸发速率对燃烧过程起控制作用。 准维模型发展至今，尽管很大一部分模拟计算程度已实用化，但仍有不完善 之处，继续完善准维模型将遇到下列问题： 1 ) 柴油机的喷注究竟应该简化成气相射流还是喷雾蒸发模型 对这个问题，学者们的看法不尽一致。大阪大学高城敏美认为：液滴在喷嘴 出口处就蒸发完毕，液滴仅存于火焰上游部，距出口l c m 以内不存在火焰。而 燃烧蒸汽则能运动到喷注下游，流动过程中与空气混合。着火发生在喷注周边靠 近喷嘴处，并迅速扩展，在广泛的区域内不存在液滴的紊流扩散燃烧。佐藤顺一 第一章绪论 等人对高温高压气体中的喷雾动向进行研究后发现，当喷雾时缸内压力较低，最 初看到的是一边燃烧一边飞行着的液滴了。思维里多夫等人研究发现后续喷出的 燃油比先喷出的速度快，赶上前面的油滴后即消失在喷注前锋处，整个油柱前锋 是混合区，尾部既不蒸发也不加热。 2 ) 喷注碰壁后的动态 在中小型柴油机中，喷柱碰壁现象不可避免。喷注的反溅对混合有极重要的 影响，但如何描述碰壁现象，如何表征缸内充量运动对喷柱碰壁的影响就成为柴 油机准维模型发展的关键问题之一。因此中外很多学者都在研究喷柱撞壁现象， 用各种测量手段测量碰壁后速度和浓度的时空分布。 1 2 3 多维模型 多维模型与零维或准维模型相比有很大的不同。这类模型是基于守恒定律， 从化学反应动力学、热交换、动量传递和质量交换等方面建立描述内燃机燃烧过 程的偏微分方程组，再结合适当的边界条件，用数值方法求解。计算结果能够提 供有关燃烧过程中温度、压力、成分及排放物等在任一时间步长任一空间位置分 布情况，是一种较为精细的模型。 最初的多维数值模拟可追溯到上世纪7 0 年代初期，w a t k i n s 在其博士论文中 计算了一个二维轴对称、无燃烧、无喷射的缸内气体流动的粒子【8 j ：b o n i 等人结 合h i n 等人【9 l 发展的a l e ( a r b i t r a r yl a g r a n g i a n e u l e f i a n ：任意拉格朗日欧拉法) 方法，并加入燃烧和湍流子模型，用二维模型分析模拟了发动机的压缩过程和作 功过型1 0 1 。这些早期模拟工作现在看起来有些粗糙，但它们为柴油机工作过程数 值模拟研究的发展奠定了基础。 1 9 8 4 年，随着g o s m a n 【l l j 发表了求解缸内三维湍流场的论文后，内燃机多维 数值模拟进入一个新的发展阶段，目前比较有代表性的内燃机多维数值模拟计算 程序有英国帝国理工学院的p h o e n i c s 、s t a r c d 、奥地利a v l 研究所的f i r e 以及美国l o s a l a m o s 国家实验室的k i v a 等。这些三维维数值模拟软件的问世， 为柴油机的研发提供了十分便利的条件。 国内对发动机多维数值模拟起步较晚。1 9 8 5 年，大连理工大学率先完成了缸 内轴对称二维层流流动的计算模拟工作。随后，又完成了喷雾模拟、二维燃烧数 学模拟等缸内过程的模拟工作 1 2 , 1 3 】。而三维数值模拟基本上都是在九十年代才开 始的【1 4 ，l5 1 。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，开发出了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r e s 3 d i i 【1 6 】：中国科学技术大学火 灾科学国家重点实验室开发的计算直喷式柴油机螺旋气道与缸内空气运动的大 第一章绪论 型微机化程序i p i c c f d ( i ) e r a ；同济大学、江苏理工大学开发的涡流式柴油机 工作过程的三维数值程序e n g i n e i i 【l3 j ：吉林工业大学开发的微机版内燃机内多 维气流运动模拟程序s u n ii l 州等。 但是发展多维模型也面临着问题。首先的问题就是计算机容量和速度。其次， 如何获得更多更准确的数据来评价多维模型也是一个难题，还有赖于测试技术的 发展。 1 3 本文的工作 柴油机缸内的气流运动和燃烧过程对整机性能有着重大的影响，是降低油 耗、减少有害排放和降低噪声的决定性因素。本文对缸内工质流动、温度与压力 分布以及有害排放生成过程进行了模拟计算，分析了燃烧边界条件对燃烧过程及 排放的影响规律，为柴油机的优化设计和降低排放提供理论指导。 1 ) 通过阅读大量内燃机数值模拟的相关理论的书籍资料，系统地掌握内燃机数 值模拟的理论基础以及计算方法。 2 ) 熟悉、掌握内燃机三维数值模拟软件s t a r - c d 。 3 ) 运用s t a r c d 建立基于6 1 0 2 b z l q 型车用柴油机的三维模型，进行数值模 拟。 4 ) 结合全气缸取样实验，对该柴油机工作过程进行仿真计算，分析其缸内燃烧 过程及对碳烟和n o x 排放的影响因素。 5 ) 通过改变涡流比、喷油提前角、喷雾锥角、喷油嘴位置、共轨压力、进气初 始条件等参数，分析其对柴油机燃烧过程、碳烟和n o x 排放等的影响规律。 第二章三维计算模型及算法 第二章三维计算模型及算法 s t a r 。c d ( s i m u l a t i o no ft u r b u l e n tf l o wi na r b i t r a r yr e g i o n 。c o m p u t a t i o n a l d y n a m i c sl t d ) 基于有限体积法，计算域被计算网格分成许多控制体，分别对每个 控制体求解多维n - s 方程和标量输运方程，方程的数值解反映气流及喷雾的运 动，燃油的蒸发、混合及燃烧等一系列物理化学过程。采用p s o 算法对流场和 其他标量场进行解耦。所有连续性方程、动量守恒、能量守恒、化学组分守恒方 程组的求解均在系综平均的框架内进行。 s t a r c d 对喷雾扩散项的模拟基于离散液滴模型( d d m ) ，液体燃料 以计算包( p a r c e l s ) 的形式引入计算域，每个计算包代表一类具有相同属性( 如 速度、大小、密度和温度等) 的液滴群( d r o p l e t s ) 。用拉格朗日方法跟踪这些油 滴样本的运动，即求解其运动轨迹和传热传质的一系列方程。连续相的方程采用 欧拉方法描述，液相对气相的干扰以附加源项的形式出现在描述气相的偏微分方 程组中。燃油从喷噍中喷出直至燃烧，经历一系列复杂的物理化学过程，研究中 分别采用的模型描述如下。 2 1 拉格朗日多相流基本方程 2 1 1 扩散相的基本守恒方程 ( 1 ) 动量守恒方程 ，嘞堡竽：i 由一+ 。+ 6(21+fr ) 百= 由 + ，硎+ ，6 l z 。， 式中m d 为液滴质量，m d 为液滴速度，f 咖为液滴阻力，f p 为压力，f 一为 名义质量力，瓦为体积力。分别定义为： 芦由= 专；c a p a a 一 u 一讣品一u d ) f 由= 一d l ( ”一d ) 式中c a t 为阻力系数，4 为液滴横截面积，材为气体速度。 一f j p = 一屹跏如2 4 a c 式中圪为液滴体积，跏为流体压力梯度，p 包括任何静压分量。 第二章三维计算模型及算法 珐p 掣 式中巳为名义质量系数，通常枣为0 5 2 0 1 ： 瓦：朋。医+ 石x 每；) + 2 瞄云。 ! i 式中；为重力加速度矢量，历是旋转角速度矢量， ；为到旋转轴的距离矢量。且 一 d ；d 鼬2 一万一 式中x d 为液滴位置矢量。 ( 2 ) 质量守恒方程 d 鬲。 d t 2 4 图2 1 拉格朗日液滴运动 式中4 为液滴表面积，对于这种蒸发中单一组分的液滴表示为： 一4 t 加矧 ( 2 2 ) 式中t 为质量输运系数，只、p ”、以，。分别为气体压力、液滴周围压力及液滴 表面压力。 ( 3 ) 能量守恒方程 掣叫+ k 誓 ( 2 3 ) 式中4 为液滴表面积，c 印为液滴比热，吆为汽化潜热，表面热流量 钆”= 办阢一丁) ，h 为传热系数。 2 1 2 连续相基本守恒方程 ( 1 ) 连续方程 鲁+ 毒b 乒一考瓦习+ s 一蕊 c 2 4 ) ( 2 ) 动量方程 第二章三维计算模趔及算法 昙( 雕) + 毒饥v ) = 一詈+ 玺+ 魄+ n “一v 肌 + v s + 耻叭0 ，( , d v v j + v 两+ _ 万+ 而) ( 2 - 5 一) 叭。 ( 2 ) + 罢畸一磊) 一v 蕊一而 一e l i l k n k v ，一z v n k l h k ( 3 ) 能量方程 昙( 纠+ 专b 啦若卜篝) - 吼+ q + 解 一厅蕊一丽一呶丽一礓蕊一昙网 ( 2 6 ) 一瓦o ( p v j h + _ 万+ j i ，两+ 而) ( 4 ) 组分方程 茜) + 毒慨r ) 2 瓦o ( i 掣i o r , 3 厂+ 哎体以 ( 2 - 7 ) 一昙0 万+ r , , - s t ，+ _ 万+ 丽) 一c z , n 一 k t h k 一妄面 方程( 2 4 ) ( 2 7 ) 是气液两相湍流流动情况下连续相的一般描述，即扩 2 2r n gr s 湍流模型 常用的湍流模型包括亚网格尺度模型、单方程模型、标准七一f 模型、 r n g k 一占模型、c h e n k 一模型等。r n g 七一模型产生于严格的统计技术：重整 化群理论( r e n o r m a l i z a t i o ng r o u pt h e o r y ) ，在形式上与标准k s 模型相似，但是 r n g k 一模型较标准是一模型有更广泛的应用范围，并且计算的准确性和可靠 性显著提高。因此，针对内燃机工作过程高压缩性、强瞬变的特征，本文采用 r n g k 一湍流模型1 2 l j 。 ( 1 ) 湍流能量方程 言( 肚) + 昙( 尸孤一, t t , , , c r 。o x j o k ) = p , ( p + 州一伊一吾- 詈+ 肚) 詈c 2 - s ， 第二章三维计算模型及算法 ( 2 ) 湍流耗散率方程 昙( 胪) + 毒( p 品一堕o k 詈) = 气舻一弘豢埘嘲蜓，却 仁9 ， s 2抛 1 s 2 p 弋+ s 4 p c 蓉一 这里 刁三s 生 s 三( 2 磊y 佗 刁。和为经验系数，其值见表2 1 。 表2 1r n g x e 湍流模型系数 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) c 正，o k o c o h仃mc r lc 1 2c , 3q 4 七e 仉8 1 0 0 8 50 7 1 90 7 1 90 90 91 4 2i 6 80 , 0 或1 4 2 。- 0 3 9 7 0 49o 43 80 0 1 2 当昂 0 时，e 3 = 1 4 4 ；其它e ，= 0 2 3 柴油机喷雾过程子模型 2 3 1 喷孔内的流动及穴蚀 选用“e f f e c t i v e ”模型。此模型根据喷孑l 的几何尺寸、体积流量和影响程度 很小的燃油性质等参数来计算喷射速度。由于在现代柴油机喷射条件下，喷孔内 的穴蚀现象不可避免，因此模型采用流量系数c d 来考虑穴蚀现象引起的流通面 积的减小。在本研究中，流量系数c d 参考实验选为0 6 8 。 2 3 2 雾化模型 选用h u h 模型1 2 3 1 。该模型喷雾雾化中的基于两个重要机理：气体惯性和喷 嘴处产生的湍流压力。模型分为两个阶段描述：( 1 ) 喷孔内产生的湍流在射流离 开喷孔时对射流表面产生初始扰动；( 2 ) 一旦这种扰动达到一定程度，就借助于 与周围气体相互作用诱发的压力成指数增长，直到这种扰动以液滴的形式脱离射 流表面。此模型主要考虑了喷孔内流动的初始扰动和表面波的增长。 ( 1 ) 喷嘴内湍流及其衰减过程 喷孔出1 ：3 处的平均湍动能乞： 第二章三维计算模型及算法 耗散率死： 屯= 兰( 扣一 弦 d 乞= k 2 , u 3i ( c 1 手一k 一) 。2 。3 ， 瓦甲u 力顷、佃期1 日j 酮半列顷佃埋厦，l 利庀。分别楚呗扎长腰利肜状预天系 数，k 。为经验系数，巴为喷孔流出系数，具体的值见表2 - 2 。 相应的湍流长度尺度及时间尺度分别为 o _ 一3 4 竖8 a ( 2 一1 4 ) 牡c 孑4 等( 2 - 1 5 ) 式中巴为七一f 模型系数，每个喷射的液滴都被赋于表2 - 2 中的初始值，此后随 时间衰减的关系式如下 厶( t ) - - - t ? i ，心。矿 协 o ) = f ( + e 。专) c 2 一- 7 ) 式中c 、c ，为模型系数，见表2 2 。 表2 2h u h 雾化模型中的系数 c 。k ck ec 口。q ：c 1c 2gc 4 o 0 90 4 5o 5o 9 20 4 5 6 52 0o 51 o1 5 ( 2 ) 表面波增长 雾化过程的第二阶段是液体射流与周围气相流场之间的相互作用。扰动的幅 值随波增长率而增长，直到这些扰动从射流表面脱离，成为所谓的“二次液滴”。 扰动的幅度遵循色散方程，由t a y l o r 公式导出： o 砌老2 罗+ 鲁“2 巾+ 铲帆埘薏= 。 协，8 ) 式中仃为表面张力系数，y 为液体动力粘度，r 为波数( r = 2 , d z w 。k 为扰动 波长) ，p 为气体密度，j 为虚数单位( j 2 = - 1 ) ，国为复数形式的波速。 第二章三维计算模型及算法 雾化长度尺度为：l = c j 厶 表面扰动波波长为：匕= 乏 式中c 。、c ：为模型系数，见表2 - 2 。 雾化时间尺度乙是湍流时间尺度和波增长时间尺度研的线性组合。 f = c 3 f f + c 4 f 矽= r 垆n + f 唧 ( 2 1 9 ) 式中：r 棚= g f ，r 唧= c 。，系数c 3 、c 4 见表2 - 2 ，t b t 再s p n 、e x p 分别表示 瞬时和指数时间尺度。 2 3 3 液滴破碎模型 计算采用r e i t z d i w a k a r 模型1 2 4 1 。此模型认为液滴破碎是由下列两种形式之 一的空气动力学力引起的：( 1 ) 包破碎：液滴周围的不均匀压力场使液滴在低压 尾迹区膨胀，最终克服表面张力而破碎；( 2 ) 撕裂破碎：液滴受到剪切力的作用 而从其表面剥离的过程。液滴破碎率为 d d dd d d 如脚k ) 由 ( 2 2 0 ) 式中伤为瞬时液滴直径，仍，枷为稳定直径，为破碎过程特征时间尺度 ( 1 ) 包破碎 这里，液滴不稳定性是由临界韦伯数耽决定的，因此 p 睁l d f 2 见 甜一材d i 耽三l j 一 2 0 4 巳 ( 2 2 1 ) 式中o d 为表面张力系数，g ，为经验系数，取值范围为3 6 8 4 ，s t a r - c d 中，g 的默认设置是6 。 相关特征时间为 这里g 2 万。 ( 2 ) 撕裂破碎 撕裂破碎判据为 = 警 坚g , r e d ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 第二章三维计算模型及算法 式中r e d 为液滴雷诺数，e 。为系数，取值0 5 。 撅裂破碎特征时间尺度为 = 譬( 吖南 亿2 4 ， 这里：经验系数e ：的取值范围为2 2 0 ，s t a r c d 默认设置为e z = 2 0 。 2 3 4 液滴碰撞模型 液滴间碰撞可分为聚合、分离和反弹三种类型。在这些过程中液滴包中的液 滴相互交换质量、动量和能量。在整个网格单元中，认为液滴是均匀分布的，其 碰撞频率为 y = 三慨l + 仍。：列u d i - - u a 2 i e , ：方n d 2 ( 2 _ 2 5 ) 式中，下标1 和2 分别表示包中较大直径的液滴和较小直径的液滴，m ：为第二 个包中的液滴数，艿y 为单元格体积。 碰撞效率为 e l , 2 - - - - ( 1 + 喾等r 纠纠4 协2 6 ， 其它五：0 。此方程中，w 是无量纲参数，且 形：丝：! 随二堡! 垡：! ( 2 2 7 ； 9 p ) d ，i 假定大液滴与小液滴在时间间隔8 t 内进行1 1 次碰撞的概率分布函数为泊淞分布， 平均值雅2 凇，即 只：一垃p 一一 ( 2 2 8 ) 当刀= 0 ，即为无碰撞概率函数尼= e 一。要确定单个液滴间是否发生碰撞， 在区间0 - - - 1 之间选择随机数，1 ，如果，1 只，就无碰撞发生。如果碰撞发生， 结果为液滴聚合的概率为 一m i n l2 肌4 f 。0 ，1 ( 2 - 2 ” 式中陟) 是函数厂) = y 3 2 4 7 ：2 + 2 7 ，厂2 仍，仍z ，慨为下式定义的液滴 韦伯数 第二章三维计算模型及算法 耽，：丝睦! 二竺一竺：! ( 2 3 0 ) 2 0 - 要确定碰撞是否产生液滴聚合或分离，选用第二随机数，：。如果，： ， 液滴聚合发生，同每个较大直径液滴发生聚合的液漓数m 由下式确定 亨1 兰 生 铲土 ( 2 3 1 ) 智异只智昂 因此，较小直径液滴包新液滴数为 ：= 虬，：一毗 i o 在这种情况下，当 ，： 惰性产物 式中r h 为参与化学反应的燃料，r 为自由基，b 为化学模型中的中间物质，q 为活性中间产物，p 为包括c o 、鹏和卫。的产物，在中断反应中提到的惰性 产物假设为，。 2 4 2 湍流燃烧模型 柴油机燃烧属于湍流燃烧。本文采用广泛用于柴油机燃烧模拟的层流和湍流 特征时间燃烧模型( 1 a m i n a r - a n d - t u r b u l e n tc h a r a c t e r i s t i c - t i m ec o m b u s t i o nm o d e l ， l a t c t ) 2 6 , 3 0 , 3 1 。该模型基于m a g n u s s e n 等提出的涡破碎模型( e d d y b r e a k u pm o d e l ， e b u ) 3 2 1 ，并吸取a b r a h a m 等【3 3 】、p a t t e r s o n 掣3 4 1 以及h a l s t e a d 掣3 5 1 模型的经验 而发展起来