（动力机械及工程专业论文）直喷柴油机燃用二甲醚缸内工作过程cfd模拟.pdf

西华大学硕士学位论文 直喷柴油机燃用二甲醚缸内工作过程c f d 模拟 动力机械及工程专业 研究生贾友昌指导教师黄海波教授 曾东建副教授 二甲醚( d m e ) 是一种新型的、清洁的柴油机替代燃料。目前，二甲醚在 柴油机上进行推广应用还处于研究阶段，研究二甲醚的燃烧性能，对于开发和 优化二甲醚发动机具有指导意义。本文系统地论述了缸内工作过程的三维数学 模型和数值计算方法，并且运用奥地利a v l 公司的f i r e 软件对二甲醚发动机的 气相流动过程、喷雾过程和燃烧过程等缸内过程进行了模拟计算。较详细地展 示了缸内流场、喷雾发展形态、喷雾液滴的空间分布情况及其燃烧的温度场、 浓度场 由于没有考虑进排气过程，进气道、进气门、捧气道和排气门等细节可不 考虑，简化的结构可降低其对网格的影响。在生成仿真的网格时，利用u g 导出 三角化的。燃烧室，在不改变压缩比，保证燃烧室流域特性的前提下，为s t l 格式的表面模型加余隙高度的容积，由于燃烧室的结构相对复杂，用f i r e 的自 动分网命令生成以六面体为主的非结构化网格，燃烧室壁生成一层连续单元。 用于计算燃烧过程中传热损失。文中利用了f i r e 的动两格方法模拟气缸在不同 曲轴转角处的网格，由于活塞的运动特性，所以用六面体网格离散，大大提高 了仿真收敛速度，随着活塞由下止点向上止点运动时。气缸网格变得过于密集， 文中采用再划分命令重新划分气缸区域网格，通过调整参数，计算出的示功图 与燃烧分析仪实际测量出的数据基本吻合。 文中还分别考察了喷油提前角为8 0 c a 、1 1 0 c a 以及进气温度为2 5 0 c 、4 0 0 c 对二甲醚发动机燃烧过程的影响。喷油提前角是影响燃烧滞燃期的重要参数， 两华人学硕l 学位论文 喷油提前角大的工况，燃油喷入燃烧室时缸内空气的密度小，温度低，燃油雾 化所需时l 、n j 长，s a u t e r 平均直径大，油滴汽化的表面积越小，所以油束雾化效果 不好。所受到的韦伯数大，说明喷注的飞驰惯性力愈大于它的表面张力。这时 喷注越不稳定，即它将不断地被撕裂、破碎和细化，直到i 临界韦伯数为止。所以 喷油提前角大的，滞燃期变长，在预混燃烧期内，达到可燃混合气条件的燃气 量增多，参加燃烧的燃油餐增多。最大燃烧温度会增加，高温导致n o x f l # 放的 大量增加。过多她增大喷油提前角，会使燃烧变得粗暴。 增加柴油机进气充量是改善燃烧过程的重要工作，降低进气温度大大降低 了燃烧温度，从而抑制了n o x 生成，排放得到改善。该研究为二甲醚发动机的 性能优化提供了方向性的意见。 最后本文根据模拟计算结果和二甲醚的理化特性，探讨了二甲醚发动机燃 烧室的结构优化设计，从燃烧室的改进机理出发。结合二甲醚燃烧室形状要求， 讨论了燃烧室形状、尺寸、位置的确定，以及油、气、室三者之间的相互配合 关系。 关键词：二甲醚：燃烧模拟；喷油提前角；迸气温度；燃烧室 i i 西华大学硕士学位论文 c f ds i m u l a t i o ns t u d yo nc o m u b u s t i o np r o c e s so f d m e e n g i n e a b s t r a c t d i m e t h y le t h e r ( d m e ) i so n ek i n do ft h en e wt y p ea n dt h ec l e a na l t e m a t i v e f u e l sf o rd i e s e le l l # n e t h er e s e a r c ht h a td m ei su n i v e r s a lu s e do i ld i e s e le n g i n ei s p r o c e s s i n g s os t u d y i n gt h eb u r n i n g c h a r a c t e r i s t i c so fd m ei s p r o p i t i o u s 幻 m a n u f a c t u r ea n d o p t i m i z ed m ee n g i n e i nt h i st h e s i s ，t h em a t h e m a t i c sm e t h o d sa n d n u m e r i c a lm e t h o d sf o rt h r e ed i m e n s i o n a li n c y l i n d e rp r o c e s ss i m u l a t i o n sw e r e i n t r o d u c e d s i m u l a t i o nw o r k sw e r ec a r r i e do u to nd m e e n g i n eb ya v lf i r e t h e i n - c y l i n d e rg a sf l u i d ，s p r a ya n dc o m b u s t i o np r o c e s sw e r ep r e d i c t e d t h ed e t a i lo f i n c y l i n d e rg a sf l u i da n ds p r a yd e v e l o p m e n ta n dt e m p e r a t u r ef i e l da n dd e n s i t yf i e l d w e r es h o w e do i l b e c a u s et h e r ei sn oi n t a k es t r o k ea n de x h a u s ts t r o k e ，d e t a i l sl i k ei n t a k ep o m , e x - h a n s tp o r t s ，v a l v ea r en o tc o n s i d e r e d a s i m p l i f i e dg e o m e t r yi su s e dt or e d u c et h e e f f o r tf o rm e s hg e n e r a t i o n i nm e s hg e n e r a t i o np r o c e s s ，t r i a n g u l a rc o m b u s t i o n c h a m b e rf r o mu gw a si m p o r t e d t og e tt h ec o r r e c tc o m p r e s s i o nr a t i oi nt h em o d e l w i t h o u tc h a n g i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o wf i e l di nt h eb o w l ( s q u i s hf l o w ) ，a c o m p e n s a t i o nv o l u m ei sa d d e da tt h eo u t e rp a r to ft h e s t ls u r f a c em o d e l t h i s v o l u m ea c c o u n t sf o rg e o m e t r i c a ld e t a i l sw h i c hc a n n o tb ec o n s i d e r e di nt h i ss e g m e n t a p p r o a c h b e c a u s eo fr e l a t i v e l yc o m p l e xs t r u c t u r e ，c o m b u s t i o nc h a m b e ri sm e s h e d w i t hh e x a h e d r o nu n s t r u c t u r e dg r i d sb ya u t o m a t i cm e s hg e n e r a t i n go r d e r t h eg r o u n d o ft h eb o w ls h o u l db em e s h e dw i t ha tl e a s to n ec o n t i n u o u sl a y e rf o rap r o p e r c a l c u l a t i o no ft h eh e a tt r a n s f e rt h r o u g ht h ep i s t o nw a l l t h ec y f i n d e rm e s ha tt h e d i f f e r e n tc r a n ka n g l eh a sb e e ng e n e r a t e db ym o v i n gg a dm a k e ri n t h i st h e s i s b e c a u s eo fm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h ep i s t o n ，t h ec y l i n d e ri sm e s h e dw i t h h e x a h e d r o ng r i dw h i c hs h o r tt h ec a l c u l a t i o nt i m em o r e a st h ep i s t o nm o v e sn pa n d 鲥d so fc y l i n d e ra r ec o m p r e s s e d 。g a d so ft h ec y l i n d e rf i e l da f cm e s h e db yt h e r e d i m e n s i o n t h em e s hd e n s i t ys h o u l dh a v ea p p r o x i m a t e l yt e nt i m e st h ed i a m e t e r o ft h en o z z l eh o l e t h ep a r a m e t e r si nt h em o d e lw e r ea d j u s t e dt oe n s n r et h e i n d i c a t e dd i a g r a mr e s u l t i n gf r o mt h es i m u l a t i o na c c o r d e dw i t ht h ed a t af r o mt h e m 两华大学硕七学位论文 t e s t i n g t h ei n f l u e n c eh a sb e e ns t u d i e di nt h i st h e s i sw h i c ht h ei n j e c t i o na d v a n c ea n g l e i s8 0c a ，11 0c aa n dt h ei n t a k et e m p e r a t u r e2 5 0c4 0 。co nc o m b u s t i o no fd m e e n g i n e t h ei g n i t i o nd e l a yp e r i o di sc o n t r o l l e db yt h ef u e li n j e c t i o na d v a n c ea n g l e w h i c hi sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e r i ft h ea d v a n c ea n g l eo fi n j e c t i o ni sa d j u s t e de a r l i e r , t h ed e n s i t yo ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e ri ss m a l la n di t st e m p e r a t u r ei sl o w ，w h e n t h ef u e li s i n j e c t e d i n t ot h ec o m b u s t i o nc h a m b e r s oi tn e e d sl o n gt i m et o a t o m i z a t i o n s m do ft h es p r a yi sb i g g e rw h i c hi n d i c a t e st h a tt h eg a s i f i c a t i o ns u r f a c e o ft h es p r a yi ss m a l l t h ef u e li sa t o m i z e dw o r s e a n dt h ew co ft h ef u e li sl a r g e ，i t d e d i c a t e st h es p r a yi su n s t a b l ea n dh a sb i g g e ri n e r t i af o r c et h a nt h es u r f a c et e n s i o n i tw i l lb eb r o k e nu pu n t i lr e a c ht h ec r i t i c a l 砒i naw o r d ，i ft h ea d v a n c ea n g l eo f i n j e c t i o ni sa d j u s t e de a r l i e r , t h ei g n i t i o nd e l a yp e r i o dw i l lb e c o m el o n ga n dt h e r e w i l lb em o r em i x t u r ei nt h ep r e m i x e dp e r i o d w h e nt h ec o m b u s + i o ns t a r t sa tt h i s c o n d i t i o n ，t h em a x i m u mc o m b u s t i o nt e m o p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，t h em a x i m u m p r e s s u r ei n c r e a s e rr a t i oa i li n c r e a s e d t h ei n c r e a s eo fn o xe m i s s i o n si sr e s u l t e db y t h eh i 曲t e m p e r a t u r e b u tt h ee n e r g yr e l e a s e di nt h ed i f f u s i o np e r i o dd e c r e a s e d i f t h ea d v a n c ea n g l eo fi n j e c t i o ni sa d j u s t e dt o oe a r l i e r , k n o c kp h e n o m e n o nw i l lb e e n s h o wi nt h ec o m b u s t i o np r o c e s s c o m b u s t i o np r o c e s sw i l lb ei m p r o v e db yi n c r e a s i n gc h a r g ea i r c o m b u s t i o n t e m p e r a t u r ew i l lb el o w e rb yc o o l i n gt h ei n t a k et e m p e r a t u r e t h ef o r m a t i o no ft h e n o xw i l lb er e s t r a i n e db yt h i sm e t h o da n de m i s s i o n sa r ei m p r o v e d t h es t u d y p r o v i d e ss o m ea d v i c ef o ro p t i m i z i n gt h ed m ee n g i n e a tl a s t ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ni m p r o v i n gc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f d m e e n g l n ei sc o n s i d e r e d f o r mt h ec o m b u s t i o nm e c h a n i s ma n dt h er e q u i r e m e n to f c o m b u s t i o nc h a m b e r s s o u n ds h a p e ，t h ed i m e n s i o ns h a p e ，a n do r i e n t i n gp o s t i o no f c o m b u s t i o nc h a m b e r ，i na d d i t i o n ，t h ec o n n e c t i o no fi n t e r - c o o p e r a t i o na m o n gf u e l ， a i ra n dc o m b u s t i o nc h a m b e r e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：d i m e t h y ie t h e r ，c o m b u s t i o ns i m u l a t i o n ，a d v a n c ea l l g l eo fi n j e c t i o n ， i n l e tt e m p e r a t u r e , c o m b u s t i o nc h a m b e r 西华大学硕士学位论文 p m 组分m 的密度k g m 3 p 总的密度州 “流体的速度m s d 扩散速度m s 6m r d i r a c d e l l a 符号 二f p 一化学反应中产生的源项 j p 喷雾产生的源项 p 流体的压力p a a 无量纲数 k 湍流脉动动能k j r e ； o 眈体积力 仃粘性应力张量n m t 气体的温度k h 。组分m 的焓 k 热传导系数 e 湍流动能的耗散率 旁燃烧放热产生的源项 分赜雾产生的源项 r o 通用气体常数k j ( k g 的 w i 一组分m 的分子量 1 。组分m 的比内能 符号说明 c p m 组分m 的定压比热j ( k g - 1 0 t m t 破碎时问 幻破碎前的液滴半径 y 离缸壁的垂直距离 。灰体热辐射系数 s 斯蒂芬一玻尔兹曼常数 t r 辐射温度 i x g t 液滴运动方向的加速度 s 液滴的表面张力 p - 气体的密度 p 。液体的密度 g r 常数 山油孔直径 气体导热系数 白气体等压比热 。r 径向气体速度 埘卢燃料的质量蒸发速率 毗液滴质量 口气液两相问换热( 导温) 系数 l l 广_ 气体速度 u 脉动速度 l l d 液滴速度 1 0 壁面温度 1 r 粘附特征温度 1 隍反弹特征温度 t n n a k a y a m a 温度 v b 液滴入射速度的法向分量 s 当地火焰面积密度 “剪切速度 层流中的普朗特值 靠法向 o f 一一瞬态燃烧放热率： a 面积 s 氧化剂的化学计量系数 k 壁面温度 两华大学硕十学位论文 申明 本人申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及取得的 研究成采。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学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谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名：、压麦易矽年朋歹口日 导师签名秘、岁年，、月，。日 西华大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长，能源与环保问题备 受关注。从国内外能源发展战略和汽车产业政策来看，大力发展和推广应用代 用燃料汽车，是改善能源结构、减少大气污染、净化城市空气的有力措施。如 何在后石油时代，针对我国自然条件和能源资源特色，逐步改变汽车能源结构， 发展清洁代用燃料，已成为我国能源与环境研究中的一个十分重大和紧迫的研 究课题。 近十年来，国外对石油代用燃料的研究给予了高度重视。日本t o k y og a s c o ，l t d 通过化学动力学的研究发展了一种以天然气为代用燃料的h c c i 发动 机，不但大幅度地减少了有害排放产物，而且功率比原机提高了2 5 。t o r un o d a 等利用数值模拟的方法，进行了h c c i 氢气发动机燃烧控制的研究。国内外对 发动机燃用甲醇也开展了大量的工作，s o n e x 研究所的d a v i da b l a n k 和 a n d r e wa p o u r i n g 提出了活化熟氛围燃烧理论( a t a c ) 。在一个低压缩比压燃式 发动机上。成功进行了燃用甲醇的试验，经济性和排放指标得到大幅度的改善。 他们还研究了活化热氛围燃烧与中间活化物着火均质燃烧的影响。 在代用燃料的研究方面国内已经开展了大量工作，苏万华教授提出了一种 稀燃、速燃、晚燃控制方案，开发成功了一种在柴油机基础上的天然气发动机， 其热效率与柴油机相同，排放达到欧i i l 指标。天津大学赵奎翰教授发明了两级 点火式天然气稀燃燃烧系统，取得了很好的效果。吉林大学孙济美教授领导的 课题组也是国内最早开展天然气发动机技术研究的单位之一，并取得了丰富的 经验。2 0 世纪8 0 年代以来天津大学，华中理工大学，吉林工业大学，大连理 工大学，西华大学对甲醇在内燃机中的应用进行了深入研究，m 1 0 、m 8 5 甲醇 燕油混合燃料已经进入实用阶段。 在众多的代用燃料中，因二甲基醚能够实现高效、超低排放和柔和压缩燃 烧，因此是近年来倍受关注的柴油机代用燃料。1 9 9 5 年丹麦学者首先发现二甲 基醚具有良好的自燃特性之后，我国西安交通大学，天津大学和上海交通大学 两华大学硕十学位论文 都在柴油机上进行了燃用二甲基醚的实验研究。天津大学尧命发博士还在定容 燃烧实验装置上对二甲基醚喷雾在超临界状态下的混合特性进行了实验观察， 发现二甲基醚只有在适当的燃烧控制条件下，才能达到高效、清洁燃烧的目的。 曰前的二甲基醚发动机与未来超低排放内燃机相比，仍有两个关键的技术阀题 需要解决，一是如何摆脱扩散火焰的燃烧方式，解决n o x 超低排放问题；二是 燃料系统的可靠性问题。所以，二甲基醚作为柴油代用燃料，必须对其做进一 步的研究工作。 1 2 内燃机缸内工作过程模拟的现状 随着对内燃机燃油经济性和排放的要求不断提高，制造商们纷纷对一些 新技术( 高压电控喷射、预喷射、汽油直接喷射、废气再循环、代用燃料、控制 燃烧技本、结构调整) 进行研究。这些技术需要对内燃机的工作过程及内燃机缸 内燃烧过程有更深层次的认识。目前，各大制造商及研究机构大都利用数值模 拟和缸内可视化技术进行这方面的研究，并取得了非常好的效果。 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 ，砌、a 、c f x 、f l u e n t 、f 1 d a p 等。不同的软件在不同应用 领域有各自的优势【l ”。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， 广泛应用于内燃机定常流、喷雾燃烧、冷却水等领域的分析。作为a v l 公司的 内燃机专用三维模拟软件f i r e 依靠其强大的试验能力的支持，近年在内燃机 行业得到比较广泛的应用。 内燃机缸内工作过程的物理现象极其复杂，它涉及各种流体力学及各种化 学动力学现象。另外，内燃机是一个复杂的几何体，故难以完全确定各点的不 稳定边界条件，这就需要建立各种各样的物理化学模型使方程简化。由于这些 特点的存在，内燃机缸内数值模拟也经历了非常艰难的历程。6 0 - 7 0 年代虽然 出现了一些计算模型和物理模型，但因计算条 孛和这些模型的粗糙性使得数值 模拟只能从定性上进行分析。进入8 0 年代出现了像k 吒湍流模型、d d m 喷雾 2 西华大学硕士学位论文 模型、n o x 反应模型以及l e s ( 大涡模拟) 等新的计算方法，在网格生成技术方 面也出现了一些简单的自动、半自动网格生成技术，具备了一定的计算手段。 但因计算机技术的限制大多停留在定性分析上。在9 0 年代发展最多的是自动网 格生成技术，先后出现了b f c 、t e t r a 、u n s t r u c t u r e 、h y b r i d 以及v o x e l 等既快 又具备很强几何适应性的网格生成技术1 1 4 1 。这些网格生成技术对内燃机缸内数 值模拟提供了很好的发展空间，加上更完善的物理化学模型及飞速发展的计算 机技术，缸内数值模拟技术将对内燃机优化设计和机理分析提供很好的手段。 1 2 i缸内数值模拟中的物理模型 1 2 1 。1 流动模型 目前对内燃机进排气系统及燃烧室内湍流运动进行数值模拟是c f d 实用 化的一部分。在定常流动的测量过程中，可利用【d v 、p i v 等手段对涡流、滚 流进行测量。将这些试验结果与三维流动数值模拟结果进行比较的论文i r a , 1 6 充 分证明了c f d 在模拟流动上的有效性。 目前有很多缸内湍流模型，如零方程模型中的混合长度模型、亚网格尺度 代数湍流模型【1 7 埘】，单方程模型中的k 方程模型，以及双方程模型中的k 叶模 型1 2 2 j 。k i v a 的前身c o n c h a s s p r a y 程序采用的是哑网格尺度代数湍流模 型，、r a 程序采用了一种与k 方程类似的单方程湍流模型，而k i v a 1 1 程序 中应用的是k - c 模型的一种改进型。以上模型假设缸内流动符合合粘性牛顿流 体各向同性的本构关系式及牛顿流体的湍流粘度概念适应于缸内流动，而这并 不符合物理事实，故很难得到好的结果，从而出现了直接建立雷诺应力输运方 程，并对其中脉动关联项加以模型化后再进行求解的雷诺应力模型1 2 辅1 随着 k e 模型日益暴露其缺陷，以及计算机技术的迅速发展，雷诺应力模型已经在 一些科研和工程实际中得到应用。但是因为直接求解雷诺应力的方程数多，且 更复杂，致使计算成本大大提高，在内燃机领域还不能广泛使用。为既保留直 接求解雷诺应力的优点，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式进行求解，保留雷诺应力模型中各向异 性特征之后在8 0 年代末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 3 豫华大学硕士学位论文 ( l e s ) ，以及它的特殊情况直接数值模拟( d n s ) 。这种模拟方法随着超级计算机 的快速发展，得到了应用。主要缺点是需要网格精细、计算量大，可是还是为 缸内流动的精确模拟展示了美好的前景。 自从1 9 8 6 年y a k h o t 和o r s z a g ! 黔j 将重整化群f r e n o 咖a l i z a t i o ng r o u p r n g ) 方法第一次应用到湍流模型后，r n g 方法越来越被广泛地重视。r n g 方法通 过尺度变换重新定义方程中的粘性系数、外力和截止波数等参数，使原始n s 方程得到粗粒化即计算网格有所放大。而不影响计算结果的真实性。计算表明， r n gk - e 模型对包含喷雾的流动模拟中比k 叶模型更有效f 拍j 。表1 - 1 为常用于 内燃机流动模拟中的湍流模型。 表1 - 1内燃机流动模拟中的湍流模犁 混合长度理论 零方程模型亚网格尺度代数湍流模型 卡门相似理论 湍 粘性系单方程模型k 方程模型 流 输 数模型标准k e 模型 湍运 双方程模型修正k - e 模型 流模 r n gk - e 模型 模 型 型 多方程模型 雷诺应代数雷诺应力模型 力模型微分雷诺应力模型 湍流直接大涡模拟( l e s ) 模拟湍流全场模拟 双流体模型 1 2 1 2 燃烧模型 。燃烧过程的三维模拟相对于迸、排气流动模拟还处于初级研究阶段。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。 柴油机燃烧过程分为喷雾及燃烧过程，而喷雾过程包括燃油的喷射、雾化、 蒸发和与空气的混合。燃烧过程分为着火和燃烧。 喷雾过程是决定压燃式内燃机燃烧特性的重要因素。即使在火花塞点火式 4 西华大学硕士学位论文 内燃机中，对g d i 或d i s c 内燃机的燃烧初始阶段的研究中，喷雾模型都是不 可或缺的重要组成部分。 燃油喷射模型中的液滴模型，有离散液滴模型( d d m ) 1 2 7 】和连续液滴模型 ( c d m ) i z 8 ) 两种。离散液滴模型将流体相视为连续介质，而将液滴视为离散体系。 连续液滴模型不仅将流体相视为连续介质，同时也将液滴相视为拟连续介质或 拟流体。虽然c d m 可以为喷雾场提供更全面而详尽的描述，但由于计算量太 大，现阶段难以应用于实际工程问题中。8 0 年代初由l o s a l a m o s 实验室和英国 帝国理工学院各自独立地发展了d d m 模型。虽然d d m 模型引入了一些离散 化的假设，但由于求解的是一组常微分方程，使计算成本大大降低，故更接近 实用化。 另外，目前在喷射模型的建立方面，对液滴振动、破碎、碰撞、碰壁乃至 聚合模型的建立也是非常重要的工作。oi i 的喷雾模型是在离散液滴模型 的基础上，引入关于初始液滴直径随机分布、液滴的湍流扩散以及液滴的相互 碰撞、蒸发、雾化、聚合和分裂等子模型建立起来的。 喷射及雾化过程中的液滴破碎模型有理论模型、现象模型、试验模型以及 混合模型。表1 2 为常用于内燃机缸内模拟的液滴破碎模型i 硼。o 及 k 1 v a i l l l 3 0 噪用了t a b 模型及其改进型。将符合各种计算特性的破碎模型及各 破碎模型的混合模型以子模型的形式嵌入到k i v a 程序中的研究( 3 1 i 也是目前研 究的热点之一。j u n g i l lk i m 和s o o y o u n gn o 3 2 l 在考虑和不考虑周围气体环境的 两种情况下，对t a b ，修正t a b ，d d b ，w a v e 以及混合( w a v e + t a b ) 等5 种模 型进行了对比。对比结果表明，除混合模型外的其他4 种模型因为都只考虑了 一次分裂或二次分裂中的一种，所以不能对实际的喷雾现象进行正确模拟。 在雾化、蒸发和与空气的混合过程中，需考虑液滴间的相互作用。在液滴 闯相互作用的结合，分离模型中，有o p r o u r k e 的模拟粒子问碰撞概率及结合概 率的液滴碰撞模型。该模型假定碰撞可能导致融合或只是简单的动量传递。一 些商用软件在考虑喷雾相互间作用时一还考虑了液滴反弹。 表1 2 内燃机模拟中的液滴破碎模型 液滴破碎模型理论模型r e i t z d i w a k a r 的b r e a k u p 模型 o p r o u r k e 的t a b 模型 5 两华大学硕士学位论文 l b r a h i m 的d d b 模型 w a v e 模型 r e i t z d i w a k a r 模型 h u h 模型 现象模型 p i l c h e r d m a n 模型 h s i a a g f a e t h 摸型 w a v e + t a b 模型 w g t + + t a b 模型 混合模型 w g t + m c l a + t a b 模型 w a v e + f i p a 模型 试验模型 在壁面碰撞模型中比较典型的是n a b e r 模型和b a i g o s m a n 液滴壁面刺 入模型l 川。n a b e a t - 模型认为液滴在低速碰壁时反弹，在高速碰壁时沿壁面流动， b a i g o s m a n 模型又考虑了飞溅和破裂两种情况，b a i l g o s m a n 模型认为液滴无 论是粘附、飞溅、破裂、反弹到固体表面，均依赖于当地条件。图1 - 1 表示 b a i g o s m a n 模型中考虑的四种液滴壁面碰撞模型。 破裂飞溅反弹粘附 f i g 1 1 f o u rl i q u i di m p i n go i law a l lm o d e lo f b a i g o s m a nm o d e l s 图1 - 1b a i ，g o s m a n 模型中考虑的四种液滴壁面碰撞模型 在压燃式内燃机的着火模型中应用最多的是s h e l l 点火模型1 3 5 1 。s h e l l 点火 模型可以模拟柴油机点火，采用8 步有限速率反应格式。一旦点火发生，切换 到定常态化学模型，即混合控制方法。s h e l l 模型最先是为模拟汽油机的爆震而 提出的，因汽油机的爆震反应和柴油机的着火反应过程相同，改变其试验常数 后被应用在柴油机着火模型。此外还有i f p 着火模型，该模型假定自燃过程的 化学反应时间比湍流混合时间长得多。 柒油机燃烧经过低温压燃后转入( 一般局部温度超过1 0 0 0 k 时) 预混合燃烧。 6 西华大学硕士学位论文 预混合燃烧中一般采用a r r h e n i u s 单步反应模型【3 6 j 。该反应模型假设化学反应 速率是温度的指数函数，反应物通过单步反应直接生成燃烧产物。 经过低温s h e l l 反应以及高温a r r h e n i u s 反应后预混合燃料慢慢消失，最后 转入扩散燃烧。一般将d a m k o h l e r 数是否达到临界值( 一5 0 ) 作为转入扩散燃烧阶 段的标准。柴油机扩散燃烧模型中应用最广泛的是m a g n u s s e n i - i j e r t a g e r 的涡团 扩散燃烧( e d d y - d i s s i p a t i o n ) 模型。k i v a - 3 v 采用了基于涡团扩散模型的混合控 制湍流燃烧( m i x i n g - c o n t r o l l e dt u r b u l e n tc c 吼b u s t i o n ) 模型3 7 1 ，混合控制湍流燃 烧模型通过一个与工况相关的参数，来影响火焰速度、火焰温度、排放物生成 速度，所以依赖经验的程度要好一些。涡团扩散燃烧模型的燃烧速率计算公式 如下： 扛等础nm , 警，羔1 似t ， j rjl + 6j 、7 式中b ，c 均为经验系数：m f 、m o 、m 。分别为燃料、氧化剂和燃烧产物的 平均质量分数；p 为平均密度；s 为氧化剂的化学计量系数。 在柴油机扩散燃烧阶段应用比较多的模型还有l a t c r 层流和湍流特征时 间模型( l 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 ct i m em o d e l1 、设定的p d f 模型以及 化学动力学与涡团破碎混合模型等。 1 2 1 3 传热模型 内燃机传热与燃烧是密切藕合的关系，而且内燃机传热问题是所有工程传 热问题中最复杂的。建立好传热模型对分析内燃机燃烧性能以及排放分析具有 很重要的意义。内燃机传热计算大致包括三个方厦内容：工质与壁面阋热量交 换；燃烧室壁内热传导；壁面与冷却系统间的热传导以上三方面中最重要的是 第一个内容。关于工质与壁面间的热量交换模型又分为工质与壁面间的辐射抉 热和对流换热。由于辐射换热的自身特性和复杂性，目前具有实际价值的模型 很少。包括k i v a - i i 和k i v a - 3 v 中都没有将辐射换热模型纳入其中不过也 有部分零维模型应用于定性分析当中，如认为辐射温度等于绝热火焰温度的火 焰模型。即 o r = 。d 。a 。( z 一l 9 ) ( 1 - 2 ) 式中： 7 西华大学硕士学位论文 q ，一瞬态燃烧放热率： 。一狄体热辐射系数： s 一斯蒂芬玻尔兹曼常数； l 一辐射温度： l 一壁面温度： a 一面积。 零维摸型还有主要考虑各区内碳烟云高温辐射的灰体辐射模型。 对流换热模型中有a n n a n d 和w o s c h n i 的半经验模型、多维模拟中的壁函数 法和一维能量方程法等。同济大学对w o s c h n i 。w o s c h n i h u b e r , h o h e n b e r g 以及 b a r g e n d e 传热模型在柴油机和汽油机上的计算吻合程度进行了比较i 捌，并得出 w o s c h n i h u b e r 和b a r g e n d 公式在实验柴油机上的计算精度高一些，而对实验汽 油机b a r g e n d 公式算出来的结果更好一些的结论。k i v a - i i 和k i v a 3 v 中用到 的传热模型为壁函数法传热模型及其改进型。 1 2 1 4 排放物模型 内燃机缸内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进行分开考虑，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 i d o v i e h 模型 3 9 l 在揭示n o 的生成机理和预测n o 生成量方面至今应用非常广泛。n o x 的单元反应模型是在8 0 年代末成熟起来 的。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f o n es t e pg l o b a lr e a c t i o n ) o 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。舳年代末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 4 0 1 等入给出的由a i r h e n i u s 8 西华大学硕士学位论文 反应式从整体上反映碳烟生成过程的表观模型；另一类是d e n t i ，m e t h a 4 1 j 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物理化学过程还有一定 的差距。 1 2 2 网格生成 在进行内燃机缸内数值模拟过程中，网格是决定计算精度的重要因素之 进气道及燃烧室具有三维特征，且气门和活塞具有动态特征，在以往的模拟中， 生成计算网格需要花费大部分设计时间。因此，在模拟非定常流动时受到很大 制约。最近出现了很多商用的自动和半自动网格生成工具，使设计周期大大减 少。这些工具一般都先利用。蛐软件生成三维表面，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1 4 2 1 。表1 3 为用于三维计算中的几种网格类型及其 级别。 表1 3网格类型及其级别 级别网格类型相关软件 1 直角六面体网格 ir e m 2 四面体、三棱柱网格、四棱锥c f x - s c r y i j 5 、i c e m - t e t r a c f d 3 六面体结构化b f c 网格e a m e 、p r o s l 呵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 n d w 6 混合网格 p r o - a m 、f a m e 、s a m m 、e s - 1 c e 各商用软件也在不断升级，使各自软件提供更多的网格类型。图1 2 为 p r o a m 生成的混合网格的例子在此例子中分别混合了三棱柱网格、四面体 网格、四棱锥网格和六面体网格。 9 两华人学硕士学位论文 f 培1 。2 b l e n dg r i d 圈1 - 2混合网格 网格越密对提高计算精度越有利。因计算机存储能力和计算时闻的限制， 增加计算网格数量的作用也很有限。在不增加网格数量的前提下，为提高网格 质量一般采用上述的混合网格和分区网格。分区网格是将求解区域按不同精度 要求及几何形状，采用不同形式网格生成技术的方法。 各个软件中，处理气门和活塞运动的方法都不尽相同，形成了