（动力机械及工程专业论文）车用直喷式柴油机燃烧过程的多维数值模拟研究.pdf

中文摘要 由于柴油机的高效、节能、经济实用以及大转矩的特点，越来越多的汽车开 始以柴油机为动力。研究车用直喷式柴油机的燃烧过程，提高其动力性和经济性， 降低n 0 。和碳烟排放，成为一项很有意义的工作。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内燃机燃烧过程的数值模拟也是一项强有力的措 施。 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，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。应用a v l 公司开发的三维数值模拟f i r e 软件，对直喷式柴油机的 气流运动过程、喷雾过程和燃烧过程进行数值模拟仿真计算，详细地展示了缸内 流场、喷雾发展形态及空间分布情况和缸内的温度场以及排放物浓度分布情况。 应用f i r e 软件，本文主要从以下两方面对一台4 1 0 0 型车用直喷式柴油机的 燃烧过程进行了详尽的模拟计算与分析：燃烧室形状：在压缩比e = 1 7 5 的情 况下，开发设计了几种不同形状的燃烧室，对比了这几种燃烧室的缸内流场，分 析了不同形状燃烧室的缸内温度及排放物浓度分布情况。喷射参数：对于相同 形状的燃烧室，采用不同的喷射参数，如喷嘴的凸出高度，喷油提前角，以及喷 雾油束轴线与缸头安装喷油器的孔轴线的夹角，从这几方面进行模拟仿真计算。 得出恰当的喷嘴凸出高度可以使n o x 和碳烟的排放有所降低。喷油提前角延迟， 则n o x 生成物降低，放热率也有所降低。通过对不同的喷射参数进行模拟仿真 计算，得出最佳匹配参数。并将模拟计算结果与实测结果进行比较，验证了计算 模型选取的合理性并指导了试验。 本文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：直喷式柴油机燃烧过程数值模拟排放 a b s t r a c t d i r e c ti n j e c t i o nd i e s e le n g i n ei st h em o s tp r o m i s i n ga d v a n c e dc o m b u s t i o ne n g i n e f o rv e h i c l ed u et oi t sl o wf u e lc o n s u m p t i o na n dg r e a tt o r q u e n ei n v e s t i g a t i o no nt h e c o m b u s t i o np r o c e s so fd id i e s e le n g i n ei sam e a n i n g f u lw o r kf o ri n c r e a s i n gt h ep o w e r a n dd e c r e a s i n gf u e la n de x h a u s te m i s s i o n b e s i d e se x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa ne f f e c t i v et o o lt os t u d yt h ee n g i n ec o m b u s t i o np r o c e s s 1 1 1 e3 dn 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 di n t h i s p a p e r n 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 s a r e e 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 ed e v e l o p e db y a v li sa d o p t 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 ei n - c y l i n d e rt u r b u l e n c ef l o w , d i e s e l e n g i n es p r a y a n dc o m b u s t i o np r o c e s s ，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 d i s t i l b u t i o n 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 nt w oa s p e c t so f av e h i c l e - u s e 4 1 0 0d id i e s e le n g i n e 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 f c o m b u s t i o nc h a m b e r sa r ed e s i g n e du n d e rt h ec o n d i t i o no f c o m p r e s s i o nr a t i o e2 1 7 5 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 t e m p e r a t u r ea n d e m i s s i o nd i s t r i b u t i o na r e a n a l y z e da 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 珂e c f i o np a r a m e t e r s 1 1 1 e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc o n d u c t e do nd i f f e r e n ti n j e c f i o np a r a m e t e r s ，i e t h ep r o t r u s i o n s i z eo fn o z z l et i pi n t oc y l i n d e r , i n j e c t i o na d v a n c ea n g l ea n dt h er e l a t i o np o s i t i o n b e t w e e nt h es p r a ya x i sa n dt h eh o l ea x i so f t h ei n s t a l l i n gi n j e c t o ro nt h ec y l i n d e rh e a d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tp r o p e rp r o t r u s i o ns i z eo f t h en o z z l et i pr e s u l t s i nl o wn o xa n dl o ws o o te m i s s i o n s i n j e c t i o nd e l a yr e s u l t si nr e d u c t i o no fn o xa n d r a t eo fh e a tr e l e a s e 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 c o m p a r i $ o nb e t w e e nt h eh u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t e s t i f i e st h ea v a i l a b i l i t yo fn u m e r i c a lm o d e l ，a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa ne f f e c t i v e t o o lt og u i d ee x p e r i m e n t s 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 ：d id i e s e le 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 x h a u s t e m i s s i o n 旦d t ：实质导数 多：流体密度 t 通用变量 元；局部扩散项 无：质量源项 疗：速度矢量 i ，j ：自由指标 岛：重力加速度 ( i j = 粘性系数 t ：时间 多：压力 磊：单元应力 骨：焓 i i ：比焓 e u ：剪切应力 以；热通量 e ：组分浓度 五哪：热导系数 于：温度 f ：源项 d ：扩散系数 k ：湍流动能 e ：湍流动能耗散率 f i ，源项矢量 主要符号表 g ：引力产物 听：湍流p r a n d t l s c h m i d t 数 戌；当量粘性系数 u ：无量纲速度 ，：无量纲距离 茁：v o n k a r m a n 数 e ：壁面函数常数 p r ：分子p r 数 t w ：壁面温度 口。：壁面热通量 舰。油滴质量 轴。油滴位置矢量 1 l j d 。油滴速度矢量 u i | l 主域流场速度 d 山油滴直径 d p ：牵引函数 c a ：牵引系数 ：液体比热 h ：焓 l ：蒸发潜热 p ：密度 a 2 1 ：质量分数 v ：n a b l a 算子 p ：平均应力产物 q ；对流热通量 厶：油滴表面蒸汽质量通量 玩；油滴表面热通量 4 ：油滴表面积 t ：温度 口：热转换系数 r e ：r e y n o l d s 数 n u ：n u s s e l t 数 s c ：s c h m i d t 数 p r ：p r a n d f l 数 ：二元扩散传播系数 g ：残余气体质量分数 a 1 a 2 ，a 3 ：当量关系 c 1 0 2 , c 3 ：湍流模型常数 c n h 。：碳氢化合物燃料 c p ：恒压下比热容 c v ：定容下比热容 f 混合物分数 五：最大晶核混合分数 盯：表面张力 下标 口：化学组分指标 o o ：最大值 i j ，l 皿下标 n ：晶核，碳原子数 o ：氧化 g ：变形梯度张量 h ：氢原子 h 2 0 ：水 牙：放热率 豆：自由基 户：燃油消耗率 a ；预指数因子 c ：碳原子 c ：反应进程变量 c k ：混合率常数 g ：成核率 c 0 2 ：二氧化碳 e a ：活化能 疙：微粒质量分数 脚：动力粘度 五 2 1 ：过量空气系数 ，：时间尺度 f u ：燃料 吒；晶核变化 b y ：质量转换数 r ：反应 s t ：当量 g ：气体周围环境 t e l ：相关的 s ：油滴表面 p r ：产物 d ，p ：液滴，油滴 v s ：液滴表面的蒸发条件 上标 ：总体平均 【】；浓度，维数 r g ：残余废气 s ：当量所需氧化量，源项 笋：液滴表面的气体条件 一：概率密度平均 一：瞬时量 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，也不包含为获得墨生盘堂或其他教育机构的学位或证 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：焦延予、 签字日期：2 , 0 9 多年2 月知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鎏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后适用本授权说明) 学位论文作者签名：巧；j 墨孑 签字日期：2 一年文月o 。日 导师签名亨么多鸭 签字日期：力一占年月 第一章绪论 引言： 第一章绪论 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，己为世界各国 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 , - _ 5 l ，由此可知柴 油车比汽油车油耗低3 0 左右【1 1 ；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t 3 1 ；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，排放的碳氢化合物和一氧化碳的量比汽油车少得多，柴油车排放方面的 主要问题是颗粒物，这是因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，直观上表现为排气冒黑烟，这 是柴油机唯一高于汽油机的有害排放物，也是柴油机排放控制工作的焦点【1 1 2 1 1 3 。 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。 1 1 研究目的和意义 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 第一章绪论 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 x 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，降低有害排放物，除了采用增压、中冷、 直喷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。众所 周知，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，而且费用很贵。从二十世纪6 0 年代以来，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、化学反应动力学等基础理论研究的深入，柴油 机燃烧和喷雾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。它具有调整参数方便、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。因 而柴油机燃烧过程的数值模拟是柴油机研究和设计的一种有效手段。本文的工作 目标就是应用多维数值模拟，改善柴油机的燃烧过程，降低原4 1 0 0 型直喷式柴 油机n o x 和微粒的排放水平。 本文应用a v l 公司的多维数值模拟软件f i r e 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 拟计算结果与实验结果相互比较、相互验证的方法，对影响直喷式柴油机排放水 平的重要因素诸如燃烧室形状、喷嘴伸出高度，喷油提前角、以及喷射油束轴线 倾斜角度的大小进行了探讨。 应用数值仿真技术和实验研究相结合的手段，改进直喷式柴油机，充分利用 数值仿真计算对排放物的预测能力和对燃烧过程的模拟，通过改变柴油机的运行 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、物力和实验开支。 1 2 直喷式柴油机燃烧过程数值模拟研究的发展与现状m 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征。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 2 第一章绪论 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，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，并判断它是否相 对地符合于物理系统的实际情况【4 1 。计算机模拟是随着电子计算机的发展而逐渐 发展起来的，2 0 世纪4 0 年代首先应用于航空、航天，几十年间，计算机模拟不 断的向其它领域学科扩展，在工程上发挥着越来越重要的作用。 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 迫使人们在理论和实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、传热传质学、化学反 应动力学和数值计算等学科的知识，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，求得各参数随时空的变化规律，进而可以了解有关参数对内 燃机性能的影响。根据内燃机研究对象的不同，对不同的问题采用了不同的处理 方法，提出了各种燃烧模型四。最常见内燃机燃烧模型的分类方法是f v b r a e e o 7 1 于1 9 7 4 年提出的将燃烧模型按维数分为零维模型、准维模型和多维模型三类。 零维模型又称单区模型。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。这类模型多半是 在燃烧模拟研究早期发展起来的。共同的特点是假定缸内工质均匀分布，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 叫热力学模型。零维模型未考虑燃烧物理化学反应的复杂中间过程，仅把燃烧 看成是按一定规律向系统加入热量的过程。这些模型对于分析、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，己被广泛用于内 燃机设计和研究中去。零维燃烧放热模型有很多，较常用的是w e i b e 模型和 w a t s o n 模型。w 幽e 模型形式简单，采用由化学反应动力学推导出的半经验公式， 第一章绪论 w a t s o n 模型针对实际燃烧中存在着预混燃烧和扩散燃烧两个阶段，用一个幂函数 拟合预混燃烧时的尖峰部分，用w e i b e 函数模拟扩散燃烧部分，两者乘以相应的 质量百分比后相叠加即得到整个燃烧过程的燃烧放热规律。零维模型主要应用在 两个方面：一方面，根据已知示功图计算放热率曲线，通过缸内工质的能量守恒 方程、质量守恒方程、理想气体状态方程及各种气体的热物性参数、壁面传热公 式等关系计算出缸内燃料的放热率或燃烧率；另一方面，用经验的放热规律预测 示功图，计算各种参数变化对内燃机性能的影响，以期找出最佳参数匹配。但是， 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，无法从机 理上把握其规律性，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，无法预测排放性能；而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。 准维模型诞生于7 0 年代，其发展的直接原因是预测排放的要求。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。由于对柴油机燃烧过程分析方式的不同，目前 已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 】【6 1 ，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。 2 0 世纪8 0 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 维模型就是考虑到了缸内过程物理域二维或三维空间分布的模型，这类模型与零 维或准维模型相比在性质上有很大的不同。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、气相物与微粒的排放以 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。多维模型是在遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒的基础上，进一步考虑了 4 第一章绪论 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，可以提供有关燃烧过程中气流速度、温度 和压力及成分在燃烧室内瞬态空间分布的详细信息。多维燃烧模型全面考虑了内 燃机的工作过程，包括多维、多组分气体流动，油束的形成和发展，预混燃烧和 扩散燃烧，所涉及的领域包括湍流、多相流、燃烧化学反应、传热等，它是一种 较为精细的模型，又称为精细模型。在多维模型的发展中，美国的l o sa i 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 等于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，a a a m s d e n 等人在v a 的基础上研制了k i v a i 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 sa 1 b f f l o s 国家实验室在k 1 v a - i i 的基础上研制出k 1 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 - l i n k e d e 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 a r c d 软 件，里卡多的v e c t i 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r e s 3 c - i 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。哪6 j 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 第一章绪论 局部区域有害物质的生成都有着积极的意义。 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，即应用单相流体力学对缸内空气 运动进行模拟的部分，应用两相流体力学对缸内的喷雾混合过程进行模拟的部分 和应用燃烧化学对缸内的燃烧过程进行模拟的部分。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。 内燃机燃油喷雾的数值模拟涉及液体雾化、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，必须考虑液滴的大小，速度和温度分布；当w 曲盯数大于1 时，必须考虑 液滴的振荡、变形和破裂【1 6 】。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型油滴模型( c d m ) ”刀，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“质点”所组成的离散型油滴模型( d d m ) 1 川。两 种模型的共同特点是把发生在大小与液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液滴的 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”1 ，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 不考虑全部油粒，而只考虑其中若干具有代表性的统计样本，每个样本都代表一 定数目大小和物性完全相同的油粒，假设它们运动、破碎、撞壁或蒸发的行为 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。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和穴蚀有关。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 e i t z a n d d 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 e e dt a b ) 模型、f i p a ( f r a c t i o n n a - n o n ti n d u i tp a r a c c 2 l o 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 班t 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【3 9 】。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。 6 第一章绪论 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 l e ) 和美i 司l o sa l a m o s 实验室 提出的任意拉格朗日欧拉法( a l e ) 【6 】0 9 。 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 le 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 - 占g 模型、涡破碎模型( e d d y b 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 - 占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 ( f ) 来描述混合分数f 的脉动性质。涡破碎模型( e d d y b r e a ku p ) 假定化学反应速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 【2 ”。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【2 1 】( 2 8 1 。概率密度 方程( p d f ) 模型采用概率密度方程【l 耵，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t 2 0 2 1 】f 2 3 】。 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 量口1 】f 2 3 】。 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 rf 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 第一章绪论 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。本人在硕士论文其间应用a v l 公司的 f i r e 软件进行了燃烧过程的模拟计算，选择了最优形状燃烧室和最佳喷射参数， 节约了试验开支。 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 o x 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 3 本文的主要内容 本文主要工作是对一台4 1 0 0 型车用直喷式柴油机的燃烧过程在实验的基础 上进行了详尽的模拟计算与分析，对燃烧室的形状及其喷射参数进行改进，使该 样机达到国二排放标准。本文首先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，柴油喷雾数值模拟模型和燃 烧模型进行了具体的理论分析。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，对直喷式柴 油机的气流运动过程、喷雾过程和燃烧过程进行数值模拟仿真计算，详细地展示 了缸内流场、喷雾发展形态及空间分布情况和缸内的温度场以及排放物浓度分布 情况。并且通过模拟计算结果与实验结果相互比较、相互验证的方法，从两方面 对一台4 1 0 0 型车用直喷式柴油机的燃烧过程进行了探讨。燃烧室形状：在保 证相同压缩比相同容积的情况下，开发设计了三种不同形状的燃烧室，在相同的 喷射参数下，对比分析了不同形状燃烧室的缸内气体运动情况，展示了缸内温度 及排放物浓度分布，对计算结果进行了对比分析，选出了最优燃烧室形状。喷 射参数：对于相同形状的燃烧室，采用不同的喷射参数，如喷嘴的凸出高度，喷 油提前角，以及喷雾油束轴线倾斜角等，从这几方面进行仿真计算。得出不同喷 射参数对燃烧过程及排放的不同的影响。通过对不同的喷射参数进行模拟仿真计 算，得出最佳配置参数。并将模拟计算结果与实验结果进行比较，验证了计算模 型选取的合理性并指导了试验研究。 应用数值模拟技术和实验研究相结合的手段，改进直喷式柴油机，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，通过改变柴油机的运行 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实验开支。 第一章绪论 表卜l 原机1 3 5 t i 主要技术参数及排放指标 型式 四冲程增压中冷、直喷 缸径d ( m m ) 冲程s ( m m ) 1 0 0 1 2 7 压缩比 1 7 5 标定功率p e ( k w ) 1 0 1 标定转速n ( r r a i n ) 2 6 0 0 最大转矩tm a x ( n m ) 4 4 5 最大转矩转速n ( r m i n ) 1 6 0 0 喷油泵v e 型分配泵 喷油嘴 5 0 2 7 6 1 3 5 供油提前角b t d c 。c a 1 0 增压器 7 2 7 5 2 8 - 2 p n o x g 0 ( w m 1 1 5 5 h c g ( k w h 1 c o g ( k w m p m g ( k w m 0 2 1 表1 - 2 欧洲重负荷柴油车排放法规( g ，k w h ) t 3 刀 项目欧2欧3 n o k 7 o 5 0 p m0 1 5o 1 0 c o4 02 1 c h1 1o 6 6 表1 - 3 我国重型柴油车排放法规( s k w m 项目国2 n o ， 7 o p mo 1 5 c o4 o c h1 1 第二章直喷式柴油机多维数值模拟计算模型 第二章直喷式柴油机多维数值模拟计算模型 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和应用燃烧化 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【s 1 。 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。 2 1 2 湍流的数值模拟方法 4 】【8 】 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至可分为 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 ) l o 第二章直喷式柴油机多维数值模拟计算模型 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。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 方法是用非稳态的n a v i e 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。 内燃机中应用较多的湍流模型为 4 1 ：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 - z 模型) 。 ( 1