（动力机械及工程专业论文）柴油机涡流喷嘴的探索研究.pdf

浙江大学硕j 一学位论文 y6 8 0 1 4 5 捅罂 摘要 在柴油机中，混合气的形成是一个很重要的过程，而喷油过程中燃料雾化质 量的好坏直接决定着混合气形成的质量，进而决定着燃烧及发动机的性能。在现 有的车用直喷式柴油机中，人们采用了诸如高压喷射、引导喷射等措旌来改善雾 化，但有关实心喷射、触壁等问题仍没有很好地解决。其它领域的研究和应用已 经证明，涡流喷嘴的喷雾贯穿度小，雾化能力好于目前所广泛应用的直射喷嘴， 基于此，本研究尝试将涡流喷嘴的应用引入柴油机，并对其可行性进行了探讨论 证。 研究中采用计算流体力学的方法，探讨分析了在柴油机工作环境下，喷嘴实 现涡流空心锥喷射的可能性及各种因素的影响。 由于研究目的的特殊性，目前柴油喷雾模拟计算中公认的欧拉一拉格朗日法 不适合于本研究。论文中首先就目前常用的计算模型进行了分析，选择了更适用 于本计算目的的模型方法。 研究过程中探讨了喷嘴直径、喷嘴长度、涡流腔形状、喷嘴进口和出口有无 圆角、涡流腔内有无针阀和针阀有无突起、喷射压力，背压等因素对涡流喷嘴的 喷射特性。如贯穿度、喷雾锥角及速度场、压力场等产生的影响。 从模拟结果来看，由于柴油粘度较大，使得油束的整体性较强，不容易向四 周扩散，不利于涡流空心锥的形成。但在特定结构的喷嘴上，当涡流动量达n - - 定的强度，并且有与之相适应的喷射环境时，柴油实现涡流喷射是可能的。 论文最后分析了计算的创新和不足之处，指出了进一步工作的方向。 关键词：涡流喷嘴模拟c f d 粘度空心锥 浙江大学硕l 学位论文摘要 a b s t r a c t t h ef o r m a t i o no fr u e lm i x t u r e p l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo n t h ep e r f o r m a n c ej nd i e s e l e n g i n e 0 nt h eo t h e rh a n d t h ef u e l sa t o m i z i n gc h a r a c t e r i s t i c sd e c i d et h eq u a l i t yo ft h e f u e lm i x t u r e d i r e c t l y , a n d f u r t h e r m o r e t h ec o m b u s t i o n p r o c e s s i n g a n d e n g i n e s p e r f o r m a n c e o n t h e d i r e c t i n j e c t i o n d i e s e l e n g i n e u s e di nc a r s c u r r e n t l y , l o t s o f e f f e c t i v em e t h o d s ，f o re x a m p l e ，h i g h p r e s s u r es p r a ya n dp r e i n t r o d u c t i o ns p r a y , a r e t a k e nt o i m p r o v e t h ea t o m i z a t i o n ，b u ts o m ep r o b l e m s ，s u c ha sa s p r a y w i t ha 如e l f u l f i l l e dc o r e a n dt l l ef u e l sc o n t a c tw i t ht h ew a l li nc y l i n d e gs t i l le x i s t r e c e n t l y , t h ea p p l i c a t i o n o ft h es w i r l a t o m i z e ri no t h e rf i e l d sh a ss h o w e d t h a t w i t ht h ep e n e t r a t i o nd i s t a n c er e d u c e do b v i o u s l y , t h es w i r l a t o m i z e r ss p r a y i n g p e r f o r m a n c ei s b e r e rt h a nh o l ea t o m i z e r s ，s oi nt h i sr e s e a r c h ，t h ea t t e m p tt o a p p l y s w i r l a t o m i z e ri nd i e s e le n g i n ew a sc a r r i e do n a n di t sf e a s i b i l i t yw a st e s t i f i e d i nt h i sr e s e a r c h ，ab a s i cs t u d ya b o u tt h ep o s s i b i l i t yo fh o l l o wc o n es p r a ya n dt h e i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，o ns w i r l a t o m i z e ru s e di nd i e s e le n g i n e ，w a sc a r r i e do ni nt h e o r yb y c f d ( c o m p u t e d f l u i dd y n a m i c 蚺 b e c a u s ep a r t i c u l a r i t yo ft h i sr e s e a r c h ，t h ee u l e r - l a g r a n g em e t h o da p p l i e dw i d e l y i n s i m u l a t i n gc o m p u t a t i o no fd i e s e le n g i n ei s n o tap r o p e rc h o i c e t h ec o m p u t i n g m o d e l su s e df r e q u e n t l yi nc u r r e n t 愀a n a l y z e di n 出i sr e s e a r c h a n dt h em o r ep r o p e r s i m u l a t i n g m e t h o dw a sc h o s e na c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hg o a l i nr e s e a r c hp r o c e s s i n g t h ei n f l u e n c e sc a u s e db yl o t so ff a c t o m ，s u c ha s 血e d i a m e t e ra n dl e n g t ho fs p r a y i n go u t l e t ，t h es h a p e ( s q u a r eo rc o n e ) o f s w i r l i n gb o d y , i n t e r n a la n do u t e rc h a f e ro rn o t ，n e e d l ev a l v eo rn o t ，n e e d l ev a l v ew i t hb u m po rn o t ， i n j e c t i o np r e s s u r e a n da m b i e mp r e s s u r e ，o nt h e s p r a y i n g c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s p e n e t r a t i n gd i s t a n c e ，s p r a y i n ga n g l e ，v e l o c i t yf i e l d ，a n dp r e s s u r ef i e l d ，w e r es t u d i e d f r o m 血es i m u l a t i n gr e s u l t s i ti sf o u n dt l l a tf o rd i e s e lf u e li ti sh a r dt od i f l u s ea n d f o r mh o l l o wc o n eb e c a u s eo fi t sv i s c o s i t ya n dt h ea m b i e n c ei t si n b u to nt h eo t h e rh a n d i ti sf o u n dt h a tw h e nt h es w i r lm o m e n t u mr e a c h e ss o m em a g n i t u d eo naw e l l d e s i g n e d a t o m i z e ru n d e rs p e c i a ls p r a y i n gc o n d i t i o n 。f o rd i e s e lf u e li ti sr e a l i z a b l et of o r mh o l l o w c o n e a tl a s t ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si nt h i sr e s e a r c hw e r es u m m a r i z e d ，a n df u r t h e r i m p r o v e m e n t s i nt 1 1 ef o l l o w i n gw o r kw e r e p o i n t e do u t k e yw o r d s ：s w i r l a t o m i z e r s i m u l a t i o n c f d ( c o m p u t e d f l u i dd y n a m i c s ) v i s c o s i t y h o l l o w - c o n e 浙江大学坝上学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 背景介绍 能源是制约国民经济发展的重要因素之一。今天，人们普遍认识到：石油资 源是有限的。专家预测，在2 1 世纪内，石油资源将枯竭。另外，内燃机的排气 污染，历来是环境保护的一大难题。因此，节能和减少污染，是内燃机行业面临 的两大课题。 当前世界范围内燃料发展的趋向是：发动机柴油机化，大型低中速柴油机燃 料重质，劣质化，中型柴浊机燃料重质化，小型高速柴油机燃料宽馏分化，汽油 无铅化，以及整个内燃机领域燃料多元化。内燃机与其燃料的发展，历来是相互 制约，又相互促进的。我国柴油机的发展受益于国家制定的高柴( 油) 汽( 油) 比政 策( 最高可达1 8 7 ：1 ) ，其主要措施是拓宽柴油的馏分和提高柴油的凝点。这就 决定了柴油机的研究与发展，在内燃机研究中占有十分重要的位置。 燃油喷雾特性直接影响到柴油机的动力性、燃油经济性和废气排放性能。其 中，喷雾被作为喷雾工程研究中一个重要分支受到广泛的重视，对它的研究由来 已久。但是到目前为止，人们仍然没有完全清楚液体变成液滴的机理。 液体燃料的喷射雾化有多种方法【l 】，如：压力雾化、离心雾化、撞击雾化、 闪蒸雾化、超声雾化等等。通过对燃料喷雾过程的大量实验研究和理论分析表明： 对喷雾破碎起主要作用的是运动液体的惯性力、空气阻力、粘性力和表面张力。 空气阻力的作用是使喷射液体和分裂出的较大液滴扭曲变形。喷射出的高速液 束，由于内部的扰动，使得液束的表面发生凹凸不平的形变。液束与周围的空气 有较大的速度差时，两者的相对速度使液束表面的液膜撕裂下来，由于表面张力 的作用，撕裂下来的液体变成液滴，即液体的高压、内部的扰动和空气阻力造成 了液束的变形，而液体燃料的表面张力和粘性则阻止液束和液滴的变形。只有当 液束或液滴的压力、空气阻力和扰动力大于液束或液滴的粘性力和表面张力时， 液束或液滴才可能分裂，这种分裂持续到两类力达到平衡为止。 对液束雾化的过程，人们有许多不同的认识，也提出了许多理论，其中迄今 得到大多数人公认的是表面波理论，其最简单的描述如下【2 】： 设液体从长方形喷孔中喷出，由于扰动，液束向外膨胀，但表面张力力图使 液束恢复初始平衡位置，因此液束表面变得凹凸不平，形成表面波。当液束表面 的变形对称时，称为对称波，不对称时，称为不对称波，如图1 1 所示。 设液膜厚为2 a ，密度为p ，忽略粘性，液束两面波动的相位差为口，则液膜 两边的运动方程可写为： y l = e x p ( j o l t 十j n , x )( y = a 的一侧) 浙江人学硕士学位论文 第一章绪论 y 2 = j e x p ( j c o t + 廊+ ，妒)( y = 一a 的+ 坝0 )( 1 2 1 图1 1 对称波与非对称波示意图 式中，n 一波数，1 1 0 为初始变形，边界条件为： 1 ) 初始表面的变形是定常的，在y = a 和y = a 的液、气交界面处，波面的位 置不变，y 方向的速度为零。 2 ) 随着距界面距离的增大，紊流速度消失。 根据这两个条件构造速度势函数妒，流场分成三个部分： a y 日；y a 三个区对应着不i 司的速度势函数驴。 设v o 为液束的平均流速，v 为液束任意一点的速度，审为平均流动与变动 流动的压差，由伯努利方程得： 竖：型+ 罢+ 鱼 (13)2o t2d 。7 另外，由于压差和表面张力相等，得： 盯a 2 仉 p l p 扩一r 可爷 1 4 ) 盯0 y - , p t p a 2 r 一盯紊 ( 1 + 5 ) 把( 1 1 ) 式代入( 1 4 ) 式，( 1 2 ) 式代入( 1 5 ) 式，再将三个区域的三个 势函数，以及代入后的( 1 4 ) 、( 1 5 ) 式代入( 1 3 ) 式，进行适当的数学处理得： 1 - e x p ( j ( o ) = 0( 1 6 ) 1 + e x p ( ，妒) = 0( 1 7 ) 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 6 ) 式是非对称波的数学方程，( 1 7 ) 式是对称波的数学方程。将( 1 6 ) 、 ( 1 7 ) 式展开，得： 印e w 2t a n n 慨睁屹卜2 盯 s ， ( 詈w 卜枷) + 憾( 詈+ 圪卜2 盯 ， n 式中， v o 为环境气体平均速度。 式( 1 8 ) 为非对称波的数学方程。将环境气体平均速度为0 ， 以舟 t a n h ( n a ) 的条件代入( 1 8 ) 式，得： 国= 一v o 士 ( 1 1 0 ) 如果 1 0 0 0 + “7 加速度a 表示为： i = 季一。v 弦。一鲁 ( 2 2 1 4 ) 最简单的代数滑移公式中，颗粒的加速度由重力和引力确定，考虑到其它颗 粒存在，再修正颗粒的松弛时间。 注意，如果不求解滑移方程，m t u r e 模型将简化为均匀多相模型。另外， 可以使用与代数滑移方法不同的关系式定制滑移速度的求解方法。 5 ) 第二相的体积分数；h - 程 根据第二相p 的连续方程，可以得到第二相的体积分数方程 昙k 岛) + v k b 瓦) = 一肌k 辟磁，护) ( 2 2 1 5 ) 2 3 紊流模型的选择 对于不可压缩流体的流动过程，层流状态下满足如下【10 】的连续方程和动量 浙江大学硕 。学位论文第二章涡流喷嘴计算模型的选择 方程： 等+ 警= o ( f = 1 2 ，3 ) 西a x j 、一1 岛。7 警+ 等= 一詈+ 毒卜f 堕8 x j 8 x + 塑8 x i 研 舐，融。巩il jj ( 2 3 1 ) ( f ，= 1 ，2 ，3 ) ( 2 3 2 ) 在紊流流动计算中所用到的基本方程仍然是质量连续方程和动量方程，这时， 各变量值分解为平均值和脉动值之和，如流速可表述为： _ _ _ 一 甜i2 “f + “f( 2 3 3 ) 其中和u ，分别是平均速度分量和脉动速度分量。 对于压力和其它的标量，有： 矽= 矽+ 矽( 2 3 4 ) 西代表一个标量，例如是压力、能量、组分浓度等。 将这种形式代入到瞬时连续方程和动量守恒方程，取时间平均，就得到了一 个整体平均动量方程，用笛卡尔张量形式表示为： 罢+ 昙( ，) ：o 西缸“ 鲁( 飓) + ( 畔) = + 丢( 面) ( 2 3 5 ) 詈+ 毒薏+ 等一；岛筹 方程( 2 3 5 ) ，( 2 3 6 ) 称为雷诺平均n a v i e r s t o k e s ( i a n s ) 方程，它们 与瞬态n a v i e r - s t o k e s 方程有同样的形式，只不过这时速度及其它的变量表示的 是整体的平均值，式中附加项代表了紊流的作用。 与层流时的n a v i e r - s t o k e s 方程相比，紊流方程中多了紊流附加项。层流流 动时，方程有四个未知量：压力和三个方向的速度；要解四个方程：质量连续方 程和三个动量方程，因此方程是闭合的。而在紊流流动中，由于紊流项的出现， 使得方程的个数少于未知量，因此要添加附加方程来模拟雷诺应力项一p u f “， 浙江大学硕士学位论文 第二章涡流喷嘴计算模型的选择 以使方程闭合。 2 3 1 各种k s 模型简介 工程上广泛适用的使方程闭合的紊流模型之一是k 一模型。今天，k s 有 了进一步的发展，出现3 r r n g k s 模型和可实现k s 模型等较新的模型。 r n gk 一占模型和可实现k s 模型是标准k s 模型的改进方案。三种模型 具有相似的形式，都具有k 和占的传输方程。与标准k 一占模型相比，可实现k s 模型和r n g k 一占模型有了实质性的改进，所处理的流动特征可以是大曲率流线， 强涡流和旋转流。可实现k e 模型还能更精确地预测平面和圆形喷雾流动，对 诸如旋转，强反向压力梯度下的边界分离和循环流动，也能提供可靠、优异的计 算性能。但可实现k 一占模型是个比较新的模型，还不很清楚什么情况的流动下 它比r n gk 一占模型更优越。 标准k 一占模型，r n gk 一占模型和可实现k 一占模型之间的主要差别如下： 计算紊流粘度的方法 控制k 和占的紊流发散普朗特数 s 方程的添加项和删除项 三种模型都能处理的基本的特征包括：紊流的产生、由浮力造成的流动、流 体可压缩性的影响、热传导和质量传输等。 标准的k 一占模型是最简单且“完整”的紊流模型，它是一个双方程模型。 在双方程模型中，两个独立的传输方程允许单独确定紊流速度和长度尺度。标准 k 一占模型是实用工程流体计算的主要方法，在紊流范围内，它所表现出的强适 应性，经济性和合理的精度是它在工业流动和热传递模拟中流行的原因。它是一 个半经验模型，在模型方程中融合了现象学的考虑和经验。有文献o ”对标准k s 模型的适应性进行了研究指出，标准k 一占模型在预测以下情况时效果比较好： ( 1 ) 无浮力平面射流( 2 ) 平壁边界层流( 3 ) 管流、通道流动及喷管内流动 ( 4 ) 二维及三维无旋( 或弱流) 回流流动。图2 1 是k h a l i l 对于喷入突扩室的 无旋和弱旋同轴射流轴向速度场的预测结果和实验的对比。 浙江人学硕士学位论文第一二章涡流喷嘴计算模型的选择 图2 1标准七一占模型预测的喷入突扩室的无旋和弱旋同 轴射流轴向速度和试验结果的对比 结果表明，在无旋流的情况下，采用标准k 一占模型的计算结果与试验结果 基本吻合。 而对以下情况，标准一占模型是不适用的“”：( 1 ) 强旋流动( 2 ) 浮力流( 3 ) 重力分层流( 4 ) 曲壁边界层流( 5 ) 低r e y n o l d s 数流动( 6 ) 圆射流。图2 2 是s w i t h e n b a n k 等人用标准女一占模型预测的旋风筒中强旋流动轴向和切向速度 剖面与实验的对比。 图2 2 标准k s 模型预报的旋风筒中强旋流动轴向和切向速度剖面与实验的对比 从图中可以看出，在强旋流情况下，标准t 一模型的计算结果在定性上已 浙江大学硕上学位论文 第一章涡流喷嘴计算模型的选择 与试验结果不符。 在本计算中，采用的紊流模型是r i n g 一p 模型。由于r n g 一模型由 标准女一模型改进而来，两者有诸多的相同之处，因此下而先介绍标准一占模 型，然后介绍k n g 女一s 模型。 2 3 2 标准k 一模型 标准k 一占模型是基于紊流动能女和紊流耗散率占传输模型而得到的半经验 模型，模型中k 的传输方程来源于精确的方程，而s 的传输方程由物理推测得到。 标准女一s 模型假定流动是完全发展的紊流，忽略了分子粘性的作用，因此标准 七一占模型仅对完全发展的紊流有效。 1 ) 标准k 一占模型的传输方程 根据下述传输方程求解紊流动能和紊流耗散率： 昙慨) + 毒( 砌扣毒睁+ ；z 。t ， 哆o k j + g k + 瓯一一+ 足 ( 2 3 7 ) 昙缸) + 毒汹扣毒 ( + 丛a 1 j 堡a x ij 卜g 1 皈+ c 3 。剐一c 2 。p 譬+ 疋 ( 2 3 8 ) 式中，c l 。，c 2 。，c 3 ；是常数，听，巳分别是七和譬的紊流普朗特数，s k , 疋是 用户定义的源项。g k 表示由于平均速度梯度而产生的紊流动能，计算方法为： g k ：一p 玩竽 ( 2 3 9 ) g b 表示由于浮力而产生的紊流动能，计算方法为： g a = 磨。面i z , 瓦o t ( 2 3 1 0 ) 在这里p r , 是能量的紊流普朗特数，是重力矢量在i 方向的分量，对于标 准一占和可实现k 一占模型，默认的能量紊流普朗特数为0 8 5 ，而在r n gk s 模型中，p r 。3 ，这里a 由方程( 2 3 2 0 ) ( 见后文中的r n g t s 模型) 中给出。口是热膨胀系数，定义为： 浙江大学硕上学位论文 第二章涡流喷嘴计算模型的选择 口：一上f 望1 p l a t ) ， 表示在可压缩紊流流动中，整体耗散率的脉动扩张增量，在不可压缩流 动里，这一项被忽略，而如果在可压缩流动里，随着马赫数的升高，忽略这项 将导致难以预测紊流扩散速率。为了说明这一因素对于标准一模型的影响， 扩张耗散项被包含进了女方程中。 这一项根据s a r k a r “”的理论定义为： = 2 p e m ； 此处m 。是紊流马赫数，定义为： m t = 仔 其中n 是声速( ；鬲i ) 。 2 ) 紊流粘度的模拟 紊流粘度“由t ，s 两者计算得到，如下所示 旷。每 其中c 是常数。 3 ) 模型常数 模型常数c 1 ，c 2 ，c ，o - k ，仃。缺省值如下： q 。= 1 4 4 ，吃。= 1 9 2 ，c 。= 0 0 9 ，o k = 1 0 ，吒= 1 _ 3 ， 这些缺省值是由空气和水的试验确定的，适用于基本的紊流剪切流动，包括均匀 剪切流和衰减的各向同性紊流。已经发现，对于多种壁面条件和自由剪切流，它 们都是合理的。 2 3 3 r n g 一占模型 r n gk s 模型( r n g - r e n o r m n i z a f i o n g r o u p ) 采用了严格的统计技术( 称 浙江大学硕士学位论文第二章涡流喷嘴计算模型的选择 做重整化群方法) ，它与标准k 模型具有相似的形式，但有下述的改进： r n gk 一模型在占方程中有一个附加项，显著改善了快速应变流动。 考虑了涡流对紊流的影响，提高了涡流计算的精度。 k n g 理论为紊流普朗特数提供了一个解析式。 标准k 一占模型是高雷诺数模型，而实际粘度的作用往往使得流动处于低雷诺 数的范围，r n g 理论提供了一个实际粘度的微分式，这使得r n g 一占模型更 精确，比标准的七一占模型的应用范围更广。 1 ) r n g i 一占模型的传输方程 r n g k 一占模型的传输方程与标准k 一占模型的传输方程相似： 瓦o + 毒( 砌j ) = 考卜够考j + 瓴+ q 一胪一蝴t ( 2 3 1 5 ) 鲁沁) + 言妇扣毒；芦够言 + c 。慨坞。瓯) 一c ：。p 譬一心城 ( 2 3 1 6 ) 在方程中，g t 表示由于平均速度梯度而产生的紊流动能，g 表示由于浮力 而产生的紊流动能，表示在可压缩紊流流动中，整体耗散率的脉动扩张增量。 c l 。，c 2 。，c 3 。是常数，口女，口。分别是七和的有效普朗特数的倒数，s 。，s 。是 用户定义的源项。 2 ) 有效粘度的模拟 r n g 理论的处理方法导致紊流粘度的不同方程： d 峙j = 1 7 2 赢西 眨s m ， 其中；珏，c 。1 0 0 从积分式( 2 3 1 7 ) ，可以得到紊流传输变量随雷诺数变化的精确描述，这使 模型能更好地处理低雷诺数流动和近壁区的流动。 高雷诺数时，d a ；b - 程( 2 3 1 7 ) 得： 浙江大学硕：e 学位论文第二章涡流喷嘴计算模型的选择 k 2 u f2 “一 由r n g 理论，这里c 。= 0 0 8 4 5 。 ( 2 3 1 8 ) 3 ) r n g 涡流模型 紊流通常受到平均流中旋转或涡流的影响。r n g k 一占模型提供了一个选项， 通过适当改进的紊流粘度模型去说明涡流或旋转的影响，其具有以下的形式： 舻鸬。f a s , q , 鲁 眩， ，o 是没有考虑涡流时，由式( 2 3 1 7 ) 或式( 2 3 1 8 ) 都可以得到的紊流 粘度计算值，q 是估计的特征涡流数，口。是涡流常数，这个常数根据流动是否 受涡流控制而不同。当选择了r n g 模型时，这一项改进会对轴对称模型、涡流 模型和三维流动模型产生影响。对于较弱的涡流流动，口。设定为o 0 5 ( 缺省值) ， 并且不能被改变。对强烈的涡流，可以使用较高的口，值。 4 ) 有效普朗特数的倒数的计算 使用下列来源于r n g 理论的公式计算有效普朗特数的倒数口。和口。 il u b j z l ll l o f 一1 3 9 2 9 ll o f + 2 3 9 2 9 l i o f o 一1 3 9 2 9 ii o f o + 2 3 9 2 9 l a 0 = 1 0 , 高雷诺数时( 卢o l 。蹬 1 ) ，得口，= 口。1 3 9 3 。 5 ) o c 方程中的r 。项 r a n g 和标准_ j 一占模型之间的主要不同在于s 方程中的附加项： r 。= 1 + p q 3 k ( 2 3 2 1 ) 在这里玎= 8 ，矾= 4 3 8 ，卢= o 0 1 2 。 通过重新排列方程( 2 3 1 6 ) 可以更清楚地看到这一项的作用，使用方程 ( 2 3 2 1 ) 、方程( 2 3 1 6 ) 右边的第3 和第4 项可以合并，s 方程可重写为： 盟吩 i | 插 浙江大学硕十学位论文 帮。章涡流喷嘴计算模型的选择 鲁( 筘) + 苦伽扣毒卜嵩j + c t + c 如) 一c - 2 ：p i e 2 ( 2 3 2 2 ) 在这里： c c ：。+ 掣 s ， 在玎 c 2 。，如在对流层， 当7 “3 0 ，则c 玉“2 0 ，这在数量上接近标准k 一占模型的c ：。值( c 2 。= 1 9 2 ) a 总的来说，对于从弱到中等强度的应变流，r n gk 一占模型趋于给出比标准k 一 模型大的结果。 在大应变率区，r ，项表现出了消弱作用，使c ；。 c 2 。与标准的七一占模 型相比，变量s 只需更小的衰减，就会减小紊流动能k ，并最终减小有效粘度。 结果，在快速应变流中r n gk s 模型所产生的紊流粘度比标准k s 模型的低， 使r n g k 一占模型对快速的应变流和流线曲率较大的流动有比标准k s 模型更 好的响应性，在特定类型的流动中r n g k 一占模型具有较好的效果。 6 ) 模型常数 方程模拟常数c ，。和c ：。的值直接来源于r n g 理论的分析，缺省值为 c l 。= 1 4 2 ，c 2 。2 1 6 8 a 浙江人学硕：b 学位论文 第二章涡流喷嘴计算模型的选择 本章小结 1 本章分析了两相流计算中欧拉一拉格朗日法和欧拉一欧拉法的差别和适用性，针对 本研究目的，确定采用欧拉一欧拉法中的m i x t u r e 模型作为两相流模型，采用 欧拉一欧拉法的原因在于，在这个模型中，一些参数，如喷射锥角，是计算的一个 结果，而不是计算的输入条件，欧拉一拉格朗日法不能满足这一点。采用欧拉一欧 拉法中m i x t u r e 模型的原因是考虑到计算的目的和成本。采用m i x t u r e 模型 的不足之处在于，这个模型要求输入符合连续性假设的初始颗粒直径，本计算过程 中，流场中柴油被处理成直径很小的颗粒，这造成了喷嘴出口处液滴的动量损失很 大，从而使柴油的喷雾贯穿度减小。由于柴油动量的损失，从离心力的角度考虑， 较难形成中空。采用本模型计算，得到的结果偏于保守，即本来可能形成中空的， 计算中可能并不表现出中空。喷射时间越长，这个误差越大。在本研究中，关心的 问题是在喷雾能否形成中空，柴油形成空心锥形需要满足什么样的条件，这在喷雾 的前期就可以看出，而没必要计算一个完整的喷油过程。 2 采用r n gk 一占模型作为紊流计算模型。标准的k 一占模型是工程上广泛适用的紊 流模型，但在处理强旋流动、浮力流、曲壁边界层等情况时，精度较差。而r n g k s 模型和可实现k 一占模型都有了实质性的改进，在处理大曲率流线，强涡流和旋转 等流动特征时比较准确。但可实现k 一占模型是个比较新的模型，它在什么情况具 有优越性还不很清楚。考虑到本研究的实际情况，在本计算中，采用的紊流模型 是r n gk s 模型。 浙江大学硕士学位论文第三章边界条件和初始条件的选择搜嘲格划分 第三章边界条件和初始条件的选择及网格划分 3 1 模拟计算的边界条件和初始条件 本研究的研究对象是两种流体的多相流动，一种流体是柴油，另一种是空气。 是一个非稳态两相流流场的模拟问题，流动中需要考虑流体的旋转运动。 在计算流体力学中，一般将旋转流动和涡流分为以下5 种类型： 具有涡流或旋转的轴对称流动 完全三维的涡流或旋转流动 需要旋转参照系的流动 需要多旋转参照系或混合平面的流动 需要滑动网格的流动 这里研究的是一个三维的流动，但可以归属于第一类问题，即具有涡流或旋 转的轴对称流动。进一步的研究发现，在通过流场中心轴的任意纵向切平面上， 流动的情况是一样的，因此这个问题可以简化为一个二维轴对称涡流问题，用一 个二维网格来解决。 本研究采用商用软件f l u e n t 进行计算。流体计算中，边界条件分为以下 几类： 1 流体出入的边界条件：例如压力入口，压力出口，速度入口，质量流量入 口，进风口，扇形叶片入1 3 ，无限远处压力边界，流量出口，出风口，扇形 叶片出口。 2 壁面，对称轴，周期边界。 3 计算区域内部区域：流体区域，固体区域。 4 计算区域内部的区域边界：风扇叶片，辐射体，多孔体，内部壁面。 几个常用的边界条件的简要说明如表3 1 所示： 表3 1 常用边界条件简介 边界条件名称适用的条件以及简要说明 速度入口( v e l o c i t y 用来定义在入口边界处流体的速度及其标量特性 i n l e t ) 压力入口( p r e s s u r e定义入口总压力及其他标量值 i n l e t ) 压力出口( p r e s s u r e定义流体出口的静态压力( 以及其他的标量变量) ，用压力 浙江大学硕士学位论文第三章边界条件和初始条件的选择及网格划分 o u t l e t )出口边乔条件作为流出边界条件，在有逆流发生时，迭代时可 以加速收敛。 质量流量入( m a s s用于在可压缩流中规定流体的流量率。在不可压流中用这个边 f l o wi n l e t )界条件没有必要，因为不可压缩流中流体的密度是不变的，用 一个速度入口边界条件就可以确定质量流量。 无限远处压力用来模拟静态、自由流动马赫数条件下，无限远处自由可压缩 ( p r e s s u r ef a r - f i e l d )流，它只能用于可压缩流动。 流量出口( o u t f l o w )用在流动出口的具体的流动速度和压力事先不知道的情况。适 合用于出口流动充分发展的流动出口。流量出口边界条件假设 除压力之外的所有流动变量都没有法向梯度。不适合于可压缩 流的计算。 进风口( i n l e tv e n t )用来模拟一个指定了损失系数，流动方向，外界压力和温度的 入口。 扇形叶片入口用于模拟一个指定了压力跳动，流动方向，外界总压及温度的 ( i n t a k ef a n )外部进气风扇。 出风口( o u t l e tv e n t )用于指定了损失系数，外界静压和温度的出口。 扇形叶片出口用于有一定压力跳动和外界静态压力的外部出口风扇。 ( e x h a u s tf a n ) 壁面( w a l l )壁面边界条件用于把流体或固体限制在一个区域内。在粘性流 动中，壁面边界条件的默认值是无滑移边界条件，但也可以根 据壁面的运动情况来定义一个切向速度分量，或者通过指定剪 切力来定义一个滑动壁面。 对称轴( a x i sb o u n 用来定义对称轴或者中心轴线。 d a r yc o n d i t i o n s ) 流体区域( f l u i d流体区域用来表示一组计算单元。这个边界条件需要指定流体 c o n d i t i o n s )的材料。 在本计算中，计算的对象是有一定压力的柴油和空气。根据流场的特点，问题可简化 为一个轴对称问题来解决。首先，计算中需要一个有一定压力的质量流量边界；由于 计算中假设空气是不可压缩的，故还需要一个质量出口边界。分析各种进出口边界条 件，可见，压力入口和压力出口边界条件能够方便的设定柴油的喷射压力和空气的压 力，其他的边界条件不能够保证这一点。因此，计算中选择了五种边界条件，分别是 压力入口( p r e s s u r ei n l e t ) ，压力出口( p r e s s u r eo u t l e t ) ，轴线边界( a x i sb o u n d a r y c o n d i t i o n s ) ，流体区域( f l u i dc o n d i t i o n s ) ，壁面( w a l l ) 。这是一组基本的边界条件。 此外，计算中通过定义涡流函数来实现柴油的旋转动量。 2 4 渐江人学硕士学位论文第二章边界条件和初始条件的选择及嘲格划分 3 2 网格划分 在计算流体动力学中，网格对计算非常重要，直接关系到c f d 计算问题的 成败。1 9 7 4 年t h o m p s o n 等提出采用求解椭圆型方程方法生成贴体网格，在网格 生成技术的发展中起了开创作用。随后s t e g e r 等又提出采用求解双曲型方程方法 生成贴体网格。但直到二十世纪八十年代中期，相比于计算格式和方法的飞跃发 展，网格生成技术仍未能与之保持同步发展。因而从二十世纪八十年代开始，各 国计算流体和工业界都十分重视网格生成技术的研究。二十世纪九十年代以来迅 速发展的非结构网格和自适应笛卡尔网格等方法，使复杂外形的网格生成技术呈 现出了更加繁荣发展的局面。现在网格生成技术已经发展成为c f d 的一个重要 分支，它也是计算流体力学近二十年来一个取得较大进展的领域。也正是网格生 成技术的迅速发展，才实现了流场解的高质量，使工业界能够将c f d 的研究成 果求解n a v i e r - s t o k e s 方程方法应用于设计中。 当今，众多研究人员对复杂外形的网格生成技术从分区结构网格、非结构网 格和笛卡尔网格三个不同的方向展开研究。 1 、分区结构网格方法 分区结构网格方法将原始的物理区域按不同的空间拓扑结构分成若干区域 块，每个单块网格的拓扑结构简单，易于生成贴体网格，然后合并这些单域贴体 网格来形成复杂外形的空间网格。常用的传统单域贴体网格生成方法可分为代数 网格生成方法、求解椭圆微分方程生成方法和求解双曲微分方程生成方法，以及 从求解椭圆微分方程生成方法发展而成的求解抛物微分方程生成方法。 对于分区网格对接方法，虽然网格块之间的关系和数据交换比较简单，但相 连网格块之间必须共用网格线( 二维) 或网格面( 三维) ，为了提高计算的精度， 要求块与块之间的连接应尽量光滑，这给网格生成带来诸多限制和不便。随着分 区重叠网格方法的引入，网格线( 面) 的公用限制被打破，网格生成的难度得以 降低，但随之而来的是网格块之间数据交换变得复杂，对于三维复杂外形绕流， 划分的子块可能上百块，合理处理块与块之间的边界就变得非常繁琐，往往需要 付出大量的手工劳动。 采用结构网格方法的优势在于它易于生成物面附近的边界层网格、有许多成 熟的计算方法和比较好的湍流计算模型。因此它仍然是目前复杂外形气动力数值 模拟的主要方法，计算技术最成熟。但是比较长的物面离散时间、单块网格边界 条件的确定以及网格块之间各种相关信息的传递，又增加了快速计算分析的难 度，而且对于不同的复杂外形，它得构造不同的网格拓扑结构，因而无法实现网 格生成的“自动”，生成网格费时费力。 浙江大学坝士学位论文 第三章边界条件和初始条件的选择及网格划分 2 、非结构网格方法 复杂外形网格生成的第二二方向是最近应用比较广泛的非结构三角形网格方 法，它全部采用三角形( 四面体) 来填充二维( 三维) 空间，消除了结构网格中 节点的结构性限制，节点和单元的分布可控性好，因而能较好地处理边界，适用 于模拟真实复杂的外型形状。非结构网格生成方法在其生成过程中采用一定的准 则进行优化判断，因而能生成高质量的网格，很容易控制网格的大小和节点的密 度，它采用随机的数据结构，有利于进行网格自适应。一旦在边界上指定网格的 分布，在边界之间可以自动生成网格，无需分块或用户的干预，而且不需要在子 域之间传递信息。因而，近年来非结构网格方法受到了高度的重视，有了很大发 展。非结构网格方法的一个不利之处就是对于相同的物理空间，网格填充效率不 高，在满足同样流场计算条件的情况下，它产生的网格数量要比结构网格的数量 大得多( 一个长方体要划分为5 个四面体) 。随机的数据结构也增加了流场参数 交换的时问，因此此方法要求较大的计算机内存，计算时间长。在物面附近，非 结构网格方法，特别是对于复杂外形如凹槽、细缝等处比较难以处理。 非结构网格与结构网格一样都属于贴体网格，模型表面网格的好坏直接关系 到空间网格的质量，因而它们的模型表面网格必须同时与网格拓扑结构和当地的 几何外形特性相适应，为了更好地适应其中一方面，有时不得不在另一方面作出 让步，因而往往顾此失彼。因此，在生成非结构网格和结构网格时，处理模型表 面又成为一个关键而费时的工作。 3 、笛卡尔网格方法 笛卡尔网格是c f d 计算中最早使用，也是最易生成的一种网格，它不同于 传统的贴体网格，笛卡尔网格中的单元基本按照笛卡尔坐标方向( x ，y ，z ) 排 列，流场可以采用有限体积法进行模拟计算，在与模型表面相交的单元处需要给 出特殊的处理，为此，必须准确计算和判断网格单元与模型表面的相交情况。笛 卡尔网格可以通过简单的再划分来达到准确拟合几何物面的目的，当前，采用笛 卡尔网格的计算方法虽不如采用前两种网格的计算方法那样众多，但该方法具有 网格建立简单、快速、数据结构简单、网格自适应容易等特点，而且可以实现网 格生成的自动化，故而在近几年受到人们更多的关注。笛卡尔网格技术的发展应 用为c f d 的非专业化、工程实际应用化提供了一种新的思路，使为工程设计人 员提供操作简单、计算快速的c f d 分析软件成为可能。 近年来人们开始采用白适应( a m r ：a d a p t i v em e s hr e f i n e m e n t ) 的笛卡尔 网格来计算复杂几何形状的流场，即在原始的均匀笛卡尔网格基础上根据几何外 形特点或流场特点在局部区域内不断进行网格细化，得到精度符台要求、分布又 是最理想的非均匀笛卡尔网格，达到准确模拟外形和捕捉激波等目的。相比于结 2 6 浙江大学硕士学位论文第三幸边界条件和初始条件的选择及网格划分 构网格和非结构网格，采用笛卡尔网格和实现网格自适应具有以下优点： 1 ) 由于笛卡尔网格的生成不是从模型表面出发，而是采用先空间后物面的 方式，模型表面网格仅仅用于物理外型的描述，因此对模型表面网格的 要求不如结构网格和非结构网格那样严格，对于多部件模型，可以采用 模型部件分开描述的方式，容易重新移动、旋转部件，而且不用考虑部 件之间的相互关系，可咀一次性生成计算所需的计算网格，使网格生成 过程简单、省时。 2 ) 相比于贴体结构网格，不需要从物理空间向计算空间的转换，不需要在 分块网格之间交换复杂的流场信息，使流场计算简单，节约计算时间。 流场计算中实现自适应也比较容易，较简单。 3 ) 笛卡尔网格不存在分区结构网格中不同外形有不同的网格拓扑结构的 要求，网格生成过程容易统一，对模型表面处理的依赖程度较低，因而 容易写出通用的网格生成程序，网格生成过程中不需要入为干预，因而 可以实现网格生成的自动化。 4 ) 笛卡尔网格对流场空间的填充效率高，能够缩短流场计算时间。相对于 贴体结构网格和非结构网格，笛卡尔网格虽然在数据交换、数据结构、 空间网格生成等方面有优势，但它在生成贴近物面的一层网格( 物面层 网格) 时却需要做大量的工作，换句话说，在编制笛卡尔网格生成程序 时，以处理物面层网格的复杂性、多样性，替代了分区结构网格中网格 拓扑结构的复杂性、多样性。但一个非常重要的结果是它可以实现网格 生成的自动化。