（工程热物理专业论文）ca6dl130柴油机喷射策略与燃烧过程研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文对k i v a - 3 v 程序的基本结构、主要计算模型以及数值计算方法进行了研究分 析。在源程序基础上，添加了程序代码并进行了调试。利用修改过的程序，对 c a 6 d l l - 3 0 增压柴油机燃烧过程和排放特性进行了数值模拟研究。 针对不同喷射策略( 单级喷射、引导喷射及两级燃烧方式) ，对c a 6 d l l - 3 0 增压 柴油机燃烧与排放的影响进行了数值计算分析。研究内容和结果主要包括： 1 获得了单级喷射策略下，缸内气体压力变化曲线、温度分布和n o x 分布 规律；以及不同喷油提前角、不同负荷下，n o x 的排放特性。 2 获得了引导喷射方式下，缸内气体压力变化曲线、温度分布和n o x 分布 规律；对引导喷射正时进行了优化，获得了最佳引导喷射提前角，将n o x 排放 降至最低。 3 获得了两级燃烧方式下，缸内气体压力变化曲线、温度分布和n o x 分布 规律；对两级燃烧方式的喷射正时进行了优化，获得了最佳喷射提前角，将n o x 排放降至最低。 通过本文的研究，对c a 6 d l l - 3 0 增压柴油机的喷射策略进行优化提供了具 有指导意义的方法和依据。 关键词：柴油机，数值模拟，燃烧，排放，喷射策略 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a k e sr e s e a r c ho nt h eb a s i cs t r u c t u r e ，m a i nc o m p u t a t i o n a lm o d e la n d n u m e r i c a lm e t h o do ft h ek i v a - 3 vp r o g r a m t h ea u t h o ra d d ss o m en e wc o d et ot h eb a s i c k i v a - 3 vp r o g r a ma n dm a k e sc o m p i l a t i o no fi t b a s e dt h em o d i f i e dp r o g r a m ，t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt 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 co ft h e c a 6 d l l - 3 0t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n ei sc a r r i e do u t t h ee f f e c to fd i f f e r e n ti n j e c t i o nm e t h o d si n c l u d i n gt h es i n g l ei n j e c t i o nm e t h o d ，p i l o t i n j e c t i o nm e t h o da n dd o u b l e p o l a rc o m b u s t i o nm e t h o do nt h ec o m b u s t i o np r o c e s sa n d e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h ed i e s e le n g i n ea r em a i n l yr e s e a r c h e d t h er e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： 1 t h ec u r v eo ft h ep r e s s u r ei nt h ec y l i n d e ra n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r ea n d n o xw i t ht h es i n g l ei n j e c t i o nm e t h o d ，a n dt h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co fn o xw i t h d i f f e r e n ta d v a n c ea n g l e so rd i f f e r e n tl o a d sa r eo b t a i n e d 2 t h ec u r v eo ft h ep r e s s u r ei nt h ec y l i n d e ra n dt h e t i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r ea n d n o xw i t ht h ep i l o ti n j e c t i o nm e t h o da r eo b t a i n e d a l s o ，t h ep i l o ti n j e c t i o nt i m i n gi s o p t i m i z e dt og e ta no p t i m u m a d v a n c ea n g l eo ft h ep i l o ti n j e c t i o n ，w h i c hl e a d st ot h el e a s t n o xe m i s s i o n 3 t h ec u r v eo ft h ep r e s s u r ei nt h ec y l i n d e ra n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r ea n d n o xw i t ht h ed o u b l e - p o l a ri n j e c t i o nm e t h o da r eo b t a i n e d a l s o ，t h ei n j e c t i o nt i m i n go ft h e d o u b l e p o l a ri n j e c t i o nm e t h o di so p t i m i z e dt og e ta no p t i m u ma d v a n c ea n g l e ，w h i c hl e a d s t ot h el e a s tn o xe m i s s i o n t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o no ft h i sp a p e r , s o m ei n s t r u c t i o n a lm e t h o d st oo p t i m i z et h e i n j e c t i o nm e t h o do f t h ec a 6 d l l - 3 0t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n ea r eo b t a i n e d 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 n ；e m i s s i o n ；i n j e c t i o n m e t h o d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以 将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名：孱名磊指导薮师签名：魑 沙，汐年多月2 日少年月2 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内 容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 学位论文作者签名： 日期：矽肜年月，z 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 内燃机是工农业生产和交通运输中应用最广泛的动力机械。据统计，内燃机所消 耗的能源占世界石油总消耗量的6 0 9 6 。研制高效率、低污染的发动机是长期以来世界 各国科学界及工程界所极力追求的目标，并为此投入了大量的人力和财力。内燃机的 燃烧过程与其主要工作特性、功率、效率和排放，以及部件的机械负荷、热负荷、噪 音、振动等紧密地相耦合，欲改进和完善发动机的总体性能和某些局部特性，都必须 首先在燃烧过程的改善和优化方面下功夫。2 0 世纪7 0 年代以来，世界范围的能源短 缺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了对内燃机燃烧的 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指标和严格的排放法 规的限制下，设计出性能优越，具有市场竞争力的发动机，成为世界各国的发动机专 家和设计师们所面临的一个严峻的挑战。这样，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一种新兴的、强有 力的工具( 燃烧过程的数学模型) 【1 1 。 1 2 内燃机燃烧模型的发展 内燃机工作过程模拟研究的首创者是英国的d c l e r k ，他于1 8 8 2 年用空气标准循 环分析方法比较了各种内燃机的热效率。不久，德国的r d i e s e l 提出了一系列具有不 同燃烧方式的内燃机的循环模型。但在此后的8 0 年中，在这方面的研究并没有重大 的突破，研究工作主要集中在改进未燃和已燃混合气热力性质的计算精度上。其中， c h o t t e l 等人的工作是一个重大进步。他们假定各种燃烧产物处于热力平衡状态，从 而制定了已燃混合气的热力性质图表，为内燃机的性能计算提供了一个极有用的工具。 2 0 世纪6 0 年代出现了首批基于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，有关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，以致在近4 0 年时间内内燃机燃烧模型的研究已经 先后经历了放热率计算、零维模型、准维模型和多维模型这样4 个阶段【1 1 。 江苏大学硕士学位论文 1 2 1 放热率计算 放热率计算是根据实测的示功图估算实际放热率。这种计算一般不涉及严格意义 的数学模型。但它是研究内燃机燃烧模型，特别是研究零维模型和准维模型的一个重 要基础，并且在特定的情况下可以在循环过程计算中起燃烧模型作用。 1 2 2 零维模型和准维模型 零维模型和准维模型都是用热力学原理分析燃烧过程，对所涉及的流体力学过程 不予考虑，或只是做简单的处理，其控制方程是以时间为唯一的自变量的常微分方程。 零维模型把整个气缸视为均匀场，不考虑参数随空间位置的变化。准维模型则对空间 作分区处理，各区之间参数互不相同，从而能在一定程度上反映缸内参数随空间的变 化。对于特定的机型，零维和准维模型可以较为准确地预测其燃烧过程的主要性能参 数，准维模型由于燃烧空间上的分区，还能在一定程度上预测排放。这两类模型方法 简便，计算成本低，目前在工程上应用较多。但是，由于内燃机的燃烧是多种现象相 互耦合的、瞬变的、多维多相的、极其复杂的物理化学过程，所以零维和准维模型都 不能从本质上反映其机理，也不能对发动机的性能做详尽的分析和预测，其应用也缺 乏普遍性。 1 2 3 多维模型 多维模型是用数值方法求解描述燃烧过程的质量、动量、能量和化学组分的多自 变量的偏微分方程组。根据空间坐标数不同，分为一维、二维和三维模型，一般由模 拟缸内各个物理化学过程的若干子模型组成：如湍流流动模型、燃油喷雾模型、燃烧 排放模型等。 湍流流动模型包括单方程模型、双方程模型、雷诺应力模型、湍流的大涡模拟和 湍流的直接数值模拟等。 燃油喷雾模型包括连续液滴模型( c d m ) 和离散液滴模型( d d m ) 。它们都从燃油 喷雾具有气液两相结构这一基本事实出发，着重模拟发生在气液交界面上的相互作用， 即两相之间的质量、动量和能量交换过程。但是c d m 的计算量太大，为了克服这一困 难，产生了d d m 。d d m 不考虑全部油滴，而只是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。用拉格朗日方式跟踪这些 2 江苏大学硕士学位论文 油滴样本的运动，即求解描述其运动轨迹和传热传质过程的一组常微分方程。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中。交替求解气液两相的 方程，就可得出每一时刻缸内各组分浓度分布和其他参数。l o sa l a m o s 国家科学实 验室和英国帝国理工学院于1 9 8 0 年各自独立发展了这种方法，获得了较满意的结果。 湍流燃烧模型主要包括涡团破碎模型、涡团耗散概念模型、特征时间模型、层流 小火焰模型、条件矩封闭模型以及基于湍流火焰几何描述的模型和湍流火焰传播的分 形模型等。 n 0 x 模型目前大都采用扩充的z e l d o v i c h 机理。 s o o t 模型目前大都采用广安的生成模型和n a g e l 的氧化模型，另外还有f u s c o 模型、m o s s 模型以及f r e n k l a c h - m a u s s 模型等。 1 3k i v a 3 v 程序的发展 美国l o sa l a m o s 国家科学实验室长期以来集中了众多优秀的专家，致力于计算 流体力学和计算热物理的研究，在该领域内敛了许多开创性的工作。自2 0 世纪7 0 年代中期就着手内燃机燃烧过程多维数学模型的研究和开发，取得了一系列世人瞩目 的成果。其中具有代表性的有：1 9 7 9 年开发成功的c o n c h a s t 2 ，这是世界上第一个公 开发表的用于内燃机缸内流动和燃烧过程的二维计算程序；1 9 8 2 年发表的c o n c h a s - - s p r a y p l ，这是在前者的基础上纳入了燃油喷雾的两相流模型；1 9 8 5 年推出用于内燃 机反应流模拟计算的大型三维程序k i v a 4 1 ：1 9 8 8 年推出了其改进型k i v a i i 【5 1 ；1 9 9 3 年，k i v a - - 3 1 6 正式发布，3 型较之i i 型最大的改进是采用了分块结构性的网格系统； 1 9 9 7 年，又推出了3 型的新版本k i v a - - 3 v q ，主要增加了迸排气阀实时运动的模型。 之后，陆续发布了k i v a 一3 v r e l 2 【8 】等版本。迄今为止，从国际上公开发表的论文来看， 内燃机多维燃烧模拟方面的研究大约有8 0 是利用k i v a 系列程序计算的。 1 4 选题目的与意义 本文利用k i v a - 3 v 程序对c a 6 d l l 3 0 柴油机的燃烧过程进行数值模拟研究。着 重研究了喷射策略对c a 6 d l l 3 0 柴油机燃烧与n o x 排放的影响，为开发和改善该机 的性能提供参考，并降低了实验费用与开发时间。 3 江苏大学硕士学位论文 1 5 本文的研究内容 1 5 1k i v a - 3 v 程序的语句添加与调试 本文首先对k i v a 一3 v 程序进行了代码添加与调试，以供内燃机燃烧过程的数值模 拟使用。 1 5 2c a 6 d l l 3 0 柴油机计算模型的建立及验证 建立了c a 6 d l l 3 0 增压柴油机的计算模型，对其燃烧过程进行了数值模拟研究， 并将计算结果与实验数据相比较，验证了所建模型的可靠性。 1 5 3c a 6 d l l 3 0 柴油机喷射策略研究 研究了不同喷射策略下( 包括单级喷射、引导喷射及两级燃烧方式) ，c a 6 d l l 3 0 增压柴油机的燃烧与排放特性。对引导喷射以及两级燃烧方式进行了优化，将n 0 x 排放降至最低。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章k i v a 3 v 程序研读与调试 2 1k i v a 3 v 的程序结构 2 1 1 前处理 k i v a - 3 v 程序的前处理器为k 3 p r e p 。i p r e p 文件为k 3 p r e p 的输入文件，其中包 含了发动机的基本几何参数( 缸径、行程等) 以及为生成计算网格所划分的各个逻辑 块的信息。k 3 p r e p 读取i p r e p 文件，生成一个包含网格信息数据的文件o t a p e l 7 ，供 k i v a 一3 v 求解器直接读取。 2 1 2 求解器 k i v a 一3 v 求解器读取i t a p e l 7 、i t a p e 5 和i t a p e l 8 文件，对内燃机的燃烧过程 进行数值计算。其中，i t a p e l 7 文件有o t a p e l 7 文件改名而来：i t a p e 5 文件包含了发 动机的基本技术参数( 缸径、行程、转速等) 、计算初始条件( 缸内初始压力、温度 等) 、燃油喷射参数以及计算起止时间等；i t a p e l 8 文件中包含了气门升程数据，供 k i v a - 3 v 求解器调用。 计算结束后，k i v a - 3 v 求解器输出以下文件，供后处理使用。o t a p e 9 文件，包含 了气缸中各点的指定曲轴转角下的性能数据( 缸内温度、n o x 排放等) ；o t a p e 8 文件， 包含了重新计算所需的信息；o t a p e l 2 文件，包含了程序运行过程中的错误信息、气 缸中各种组分的相关信息，如果程序运行失败，可根据o t a p e l 2 文件进行检查分析； p l o t g m v 图形文件，可通过三维可视化图形处理工具g m v 来处理；d a t 木文件，给出 随曲轴转角变化的性能曲线数据( 缸内压力、温度、涡流比等) 。 2 1 3 后处理 本文利用o r i g i n p r 0 7 5 和f i e l d v i e w 8 0 对模拟计算结果进行了可视化后处理， 得到各种参数的分布图及性能曲线。 2 2k i v a 3 v 的程序代码添加与调试 本文在k i v a - 3 v 程序基础上，添加了程序代码，计算了n o x 的比排放量与每循环 5 江苏大学硕士学位论文 排放量，并分别用e m i s s i o ni n d e x 与e m i s s i o np e rc y c l e 文件输出其计算结果。 添加的程序代码主要部分如下： c + + +c a l c u l a t et h et o t a lm a s so ft h ef u e li n j e c t e d t s p s u m = o 0 if ( n u m i n j g t 0 ) t h e n d o5i = l ，n u m i n j r e a d ( 5 ，6 1 0 ) i d ( 1 ) ，t s p m a s ( i ) w r i t e ( 1 2 ，6 2 0 ) t s p m a s ，t s p m a s ( i ) ts p s u m = t s p s u m + ts p m a s ( i ) 5c o n t i n u e ts p s u m = t s p s u m + ts p m a s ( i ) e n di f c t + + c r e a t et h ef i l eo fe m i s s i o ni n d e xa n de m i s s i o np e rc y c l e o p e n ( u n i t = 9 5 。f i l e = d a t e m i s s i o ni n d e x ) o p e n ( u n i t = 9 6 ，f i l e = d a t e m i s s i o np e rc y c l e ) w r i t e ( 9 5 ，8 4 ) d e g r e e s ，g k g f u e l w r i t e ( 9 5 ，8 4 ) c r a n k ，n o x w r i t e ( 9 6 ，8 2 ) d e g r e e s ，g c y c l e w r i t e ( 9 6 ，8 2 ) c r a n k ，n o x c + + +i n i t i a l i z a t i o n n o x m e s h = o 0 n o x a l l = 0 0 n o x k g f = o 0 c + + +c a l c u l a t et h em a s so fn o xo ft h em e s hc r e a t e d d o6 0i 4 = i f i r s t ，n c e l l s i f ( i d r e g ( i 4 ) e q 1 ) t h e n n o x m e s h = n o x m e s h + s p d ( i 4 ，1 2 ) , v o l ( i 4 ) e n di f 6 0c o n t i n u e 6 江苏大学硕士学位论文 c + + +c a l c u l a t et h et o t a lm a s so fn o xo ft h ec y li n d e r n o x a l1 = n o x m e s h ，l c f a c s e c w r i t e ( 9 6 ，( 6 ( 1 p e l 3 5 ) ) ) c r a n k ，n o x a l l c + + +c a l c u l a t et h et o t a lm a s so fn o xp e rk gf u e l n o x k g f = ( 1 o e + 3 * n o x a l l ) t s p s u m w r i t e ( 9 5 ，( 5 ( 1 p e l 3 5 ) ) ) c r a n k ，n o x k g f ，t s p s u m 其中，i f i r s t 表示第一个网格单元位置标志；n c e l l s 为网格单元总数；i d r e g ( ) 表示网格单元所处区域标志，i d r e g - - 1 表示网格单元位于气缸内；s p d ( ，1 2 ) 表示网 格单元中n o 浓度；v o l0 表示网格单元体积；n o x m e s h 表示所建网格中n 0 质量； n o x a ll = o 0 表示n 0 每循环排放量；n o x k g f 表示n o 比排放量；f a c s e c 表示所建网格 占总气缸的份数；t s p s u m 为循环喷油量。 2 3k i v a 3 v 的计算模型 2 3 1 控制方程 燃烧是包含化学反应的流动过程。无论燃烧过程多么复杂，具体表现形式如何千 变万化，它们都遵循自然界的一些基本定律，即质量、动量、能量和组分的守恒定律。 体现这些规律的数学表达式就是燃烧过程的基本控制方程。这些方程是对流动和燃烧 过程进行计算机模拟的基础。 在直角坐标系中各基本方程如下。 1 质量方程 警+ 昙( 舢) - 0 ( 2 1 ) 2 动量方程( 以i 方向为例) 掣+ 昙( 舢幼) = 一考+ 等+ 黟一 c 2 式中，p 为流体混合物密度；p 为压力；撕为i 方向的速度；黟和乒分别为重力和 其他阻力在i 方向的分量；铆为黏性应力张量。 7 江苏大学硕士学位论文 3 能量方程 丁a ( p h o ) + 毛( 脚。) = 暑( 盯驴) + 毛( 五薏 + 仲+ 毒 军正，一聊詈 c 2 3 ， 式中，j i l o 为滞止焓即总焓，h o = h + u a t j 2 ， l = m 拓，m s n h ，分别是组分z 在混合 物中的质量分数和比焓，n 和f h 分别是组分z 和焓的运输系数或交换系数，q r 为辐射 热。 4 组分方程 昙( 册f ) + 亳( 伪叫= 亳( r ，等) + 愚 c 2 4 ， 式中，r t 是由于化学反应引起的组分z 的产生率。 这些控制方程可表示为统一的通用形式： 昙( 胛) + 毛( ，聊) = 三( r 妒警) + & ( 2 5 ) 式中，矿代表通用的因变量( u i ，h o ，肋) ，d 和s 矿分别为与因变量伊相应的变换系数 和源项。 2 3 2 湍流模型 k i v a 一3 v 程序中提供了以下湍流模型：标准k 一占模型【9 】； r n gk s 模型【1 0 1 。 k 一占模型是由l a u n d e r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出的，是目前在工程上应用最广 泛、积累经验最多的湍流模型。它在许多场台都取得了圆满的或者基本的成功。其表 达式为： p 警+ ，考= p + g 一占+ 毒( + 箦考) c 2 p p 告= b p + e ，g + c 4 七警一c ：刁丢+ 毒匕考 q 乃 式中，p = 一瓦等，g 2 喝丛a , 望o x j ，舻q p 了k 2 。经验系数如表2 - 1 所示。 8 江苏大学硕士学位论文 表2 - 1k s 模型经验系数 m l b 2 1c o e f f i c i e n to fk sm o d e l e e 。c 。2c 3 c s 4吒 o g o o 0 0 91 4 41 9 20 80 3 311 30 9 但是，k s 模型是针对湍流发展非常充分的湍流流动来建立的，它是一种针对高 雷诺数的湍流计算模型。当雷诺数比较低时，例如，在近壁区内的流动，湍流发展不 充分，流动可能处于层流状态。近壁区内的流动计算采用壁面函数法。 壁面函数法的基本思想是：对于湍流核心区的流动使用k - 6 模型求解，而在壁面 区不进行求解，直接使用半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区内的求解变量联 系起来，直接得到与壁面相邻控制体积的节点变量值。壁面函数法针对各输运方程， 分别给出联系壁面值与内节点值的公式【1 1 】。 动量方程中变量u 的计算式：当与壁面相邻的控制体积的节点满足y + 11 6 3 时， 流动处于对数律层，此时节点的时均速度表示为： u p = f 棚。，t - i c 一u 4 k p m ( 2 8 ) 甜+ = ! k l n ( 砂+ ) ( 2 9 ) 、 。 ， ) ，+ ：剑 ( 2 1 0 ) f w = 麟4 形2 u p u + ( 2 1 1 ) 式中，岛是节点的湍动能，a y p 是节点到壁面的距离，是流体的动力粘度，矿和y + 是无量纲参数，一分别表示速度和距离： 口+ ：竺旦( 2 1 2 ) h 7 y + ：, , y m r ( 2 1 3 ) - - ( 1 w p ) ( 2 1 4 ) 式中，砧，是壁面摩擦速度，f w 是壁面切应力，a y 是到壁面的距离。 当与壁面相邻的控制体积的节点满足y + 1 1 6 3 时，控制体积内的流动处于粘性 底层，节点的时均速度表示为： 9 江苏大学硕士学位论文 ：口，aypurup( 2 1 。5 )= 口，0 z b ， 能量方程中温度t 的计算式：能量方程以温度t 为求解未知量，为了建立计算网 格节点上的温度与壁面上的物理量之间的关系，定义新的参数丁+ 如下： n ( 圣二墨! 丝竺竺 ( 2 1 6 ) 式中，乙是与壁面相邻的控制体积的节点p 处的温度，l 是壁面上的温度，p 是流 体的密度，c p 是流体的比热容，吼是壁面上的热流密度。 壁面函数法通过下式将计算网格节点上的温度t 与壁面上的物理量相联系： r + = p 弓 昙m ( 砂+ ) + 尸 c 2 1 7 ， 脚悯小+ o 撒) 泣 p r 是分子p r a n d t i 数( c p ) ，七，是流体的热传导系数， 是湍动p r a n d t l 数( 在壁面上，推荐为0 9 【1 2 】) ， 湍动能方程与耗散率方程中k 和占的计算式：k 方程是在包括与壁面相邻的控制 体积内的所有计算域上进行求解的，在壁面上湍动能k 的边界条件是： 婺：o ( 2 1 9 ) 其中，1 3 是垂直于壁面的局部坐标。 在与壁面相邻的控制体内，构成k 方程源项的湍动能产生项g 及耗散率s ，按照 局部平衡假定来计算，即在与壁面相邻的控制体积内g 和占都是相等的。 g 2 。万o u w 面露r 瓦 2 2 0 ) 卵庀p c ：。庀：v f ：罟c # 3 1 4 k 3 2 ( 2 2 1 ) r n gk 一占模型：r n g ( r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ) 重整化群是一种用于构筑许多 物理现象模型的通用方法。它的基本思路是通过在空间尺度上的一系列连续的变换， 对原本十分复杂的系统或过程实现粗分辨率或粗粒化的描述，从而使问题得到简化而 1 0 江苏大学硕士学位论文 易于处理。诺贝尔物理奖获得者k g w il s o n 在1 9 8 5 年说：“当求解基本方程所要求 的网格小得令人无法接受时怎么办? 怎样才能把网格尺寸增大到超出直接数值求解 所要求的范围，而又能保持基本方程所提供的真实可靠性? 重整化群就是能够解决这 一问题的一个基本途径。”由于湍流的模拟与计算所面临的正是这一困难，从2 0 世纪 7 0 年代后期开始，人们把l i n g 方法引入到湍流研究领域。y a k h o t 和o r s z a g 于1 9 8 6 年应用r n g 方法建立了第一个湍流模型，并显示了它较之传统湍流建模方法的若干显 著的优越性和发展潜力。其模型方程为： o 国k + u ，瓦o k = 亳( 口。善 + p 2 一g c 2 2 2 ， 国锄锄锄j 。 等+ 嗜2 毒c 伽堡o x j ) 1 一尺+ c 1 三v , s 2 _ c 2 k k ( 2 m )a。缸：锄：i 1 式中，各常数并非用经验方法确定，而是利用l i n g 理论推导出来的精确值。c = 1 4 2 ， c ，= 1 6 8 ，a = 1 3 9 。r 代表平均应变率对g 的影响， 尺2 碱鲁瓦o u t = ( 1 一) 占z ! + l t r l 3 k ( 2 2 4 ) 式中，7 = s 是平均流时间尺度与湍流时间尺度之比，s = ( 2 s s ) v 2 是应变率张量 的范书。是r 在均匀剪切流中的典型值，取为4 3 8 ，= 0 0 1 2 。湍流粘性系数屹 = c ，k 2 e ，r n g 理论给出的常数c 。= 0 0 8 4 5 。 此模型的主要优点是： 1 该模型中不包含任何经验常数，模型常数是利用l i n g 理论精确推导出来的， 因此是通用的，不需要针对特定的问题进行调整和修正。 2 该模型适用于各种雷诺数范围，包括层流、转捩过渡区以及充分发展的湍流， 它可以考虑壁面和界面的影响而无需求助壁函数之类的经验关系式。 3 该模型能较好地反映各向异性和非平衡过程等效应，对于带有分离、分层、 旋转和冲击等效应的湍流均能做出比较满意的预测。对于与时间相关的大尺度运动， 也能给出较真实的模拟。 4 该模型在数值计算上具有较好的稳定性和收敛性，与标准k g 模型相比，它 的计算量只增加10 9 6 1 5 ，而计算精度和适用范围却有很大改善。 江苏大学硕士学位论文 2 3 3 喷雾模型 k i v a - 兀在离散油滴模型( d d m ) 的基础上，纳入了关于初始滴径随机分布、油滴 的湍流扩散以及油滴的相互碰撞、聚结和分裂等子模型。k i v a - 3 v 在k i v a 一兀的基础 上增加了油滴碰壁的子模型，包括壁面油膜形成及反弹，飞溅等情况。 2 3 4 燃烧模型 k i v a - i i 程序采用部分平衡流方程模拟燃料的氧化和污染物的形成。部分平衡流 将全部化学反应分为平衡反应和动力学反应两类，前者反应速度很快，可认为总是处 于化学平衡状态，如某些组分的离解反应；后者进行较慢，按化学反应动力学处理， 采用 x r e h e n i u s 类型的公式( 2 4 ) 计算其反应速率： r 卢- - - a p 2 y 。e x p ( 一e r t ) ( 2 2 5 ) 式中，k 和匕分别是燃料和氧化剂的质量分数。k i v a i i 中化学反应机理和流动状 态无关，没有考虑湍流对平均化学反应率的影响。k i v a 一3 v 程序在燃烧模型中增加了 基于e d c 模型的湍流燃烧特征时间模型【1 3 1 。 在层流情况下，燃烧一般是受化学动力学控制的，燃烧反应速率用式( 2 4 ) 计算。 在湍流情况下，m a g n u s s e n 提出的涡团耗散概念模型( e d c ) 可同时用于预混合燃烧 和扩散燃烧。其基本思想是燃烧率是由燃料和氧化剂在分子尺度水平上相互混合的速 率决定的，即由两种涡团的破碎率和耗散率决定。对扩散燃烧，燃料和氧化剂分别形 成两种涡团；对预混燃烧，两种涡团则是由已燃气体形成的“热 涡团和未燃混合气 形成的“冷 涡团。燃烧总是在两种涡团的界面上进行。基于此模型的燃烧率可表示 为半经验关系式： 一r 。- - 竽曲 瓦，等，鲁 c 2 舶， 式中，b 、c 为经验系数，、匕、分别为燃料、氧化剂和燃烧产物的平均质量 分数，s 是氧化剂的化学计量系数。此公式适应范围较广，甚至可用于部分预混、部 分扩散燃烧的复杂情况( 如柴油机) ，只需对系数加以调整。 湍流燃烧特征时间模型( 或混合模型) 兼顾了层流和湍流两种情况，反应速率按 下式计算： 江苏大学硕士学位论文 露= 落豢三 弦2 7 ， 厂为化学动力学时间尺度f ，与湍流时间尺度之比，7 = _ a p e x p 七( - e r r ) - 。 2 3 5 排放模型 k i v a 一3 v 程序中的n 0 x 模型采用扩充了的z e l d o v i c h 机理【1 4 1 ： n 2 + o 。k , _ _ - 当：- - - n o + n + d 2 ；善兰0 + d 4 n 七o h k 。 n o h 6 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) n o 生成率表示为： d 丁t n o = , i n z l o l k 4 n o i n + k 3 0 v o z l 一七 n o i o i + 七s n i o h 一七s n o i i h 式中，方括号表示组分的浓度，岛( i = 1 ，6 ) 是反应率常数。 2 4k i v a 3 v 的计算方法 2 4 1s i m p l e 算法 ( 2 3 1 ) 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 el i n k e de q u a t i o n s ) 算法，即解压力耦合 方程的半隐式法，是由p 砒l i 出e r 和s p a l d i i l g 在1 9 7 2 年处理三维抛物线型流动问题时建立 的【1 5 】。动量方程的求解需要预先知道压力场p 。如果压力场已知，流场的求解便没有 问题。通常压力场未知，而且压力没有独立的控制方程可以求解，所以用迭代的方法 求解速度场。先假定一个压力场p ，代人动量方程中求得速度场群幸，矿，w 幸，如果该 速度场满足质量方程，则流场求解完毕：如果求得的速度场“，矿，w 奎不满足质量方程， 表明假定的压力场p 毒不正确，需要重新假定一个压力场p 幸，直到由该压力场得到的 速度场“，伊，w 满足质量方程为止。 江苏大学硕士学位论文 2 4 2 a l e 算法 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 r i a nm e t h o d ) ，即任意拉格朗日一欧拉法是最著名 的用于计算内燃机中的流动和燃烧过程的方法。该方法是美国l o s a l a m o s 国家实验室 h i r t 等人于1 9 7 4 年提出的【1 6 1 。后来由于被该实验室陆续开发的用于内燃机燃烧模拟的 大型计算程序k i v a 系列所采用，自2 0 世纪8 0 年代中期以来，很快流行于国际内燃机 界，在内燃机燃烧多维数学模拟这一领域中，形成与有限容积法双峰对峙的局面。 a l e 方法本质上也是一种基于控制体积的有限差分法，但与一般差分法相比，它的差 分网格单元不必是矩形，可以是任意四边形或任意六面体，速度定义在单元角点上， 其他参数定义在单元的几何中心，所以动量方程和其他因变量方程的网格系统是相互 交错的；另外，- 6 衄的差分网格具有可按规定速度运动的灵活性。当网格按当地流体 速度运动时，计算是拉格朗日方式，当网格固定不动时，计算是欧拉方式。灿- 正方法 特别适用于求解像内燃机气缸中这类几何形状不规则而体积又不断变化的流动问题。 a l e 方法的计算步骤为：第一阶段，将组分方程离散化，获得离散化的差分方 程组；第二阶段，用隐式迭代法求解压力，得到压力值的收敛解后，利用能量方程和 动量方程分别求出速度和内能值，再利用最努求出的速度场计算本时刻网格点的位置； 第三阶段，重新划分网格，将原来的网格点移动到新位置，同时计算由此产生的流体 相对于网格的对流通量。 2 5k i v a 3 v 的初边界条件 控制方程给出后，要求出具体燃烧问题的解，还必须有特定的定解条件：初始条 件和边界条件。初始条件包括计算开始时刻缸内组分的组成、密度、压力等。边界条 件包括进出口边界条件、壁面边界条件等。对于壁面边界条件，有静止边界( 缸盖) 、 运动边界( 气阀、活塞) ；有显著的热量传递的边界、热流很小或绝热状态的边界( 低 散热发动机或绝热发动机) 。k i v a - 3 v 中采用壁面律( l a wo f t h ew a l l ) 壁面边界条件， 它是指根据实验和半经验理论导出的用于计算固壁附近流体参数的输运系数和壁面 通量的代数关系式，它跨域粘性底层，将壁面和湍流核心区的流体参数直接联系在一 起。采用壁面律时，在边界层的粘性底层内不设置网格节点，将与壁面相邻的第一个 节点布置在充分发展的湍流区。 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 6 本章小结 本章主要对k i v a - 3 v 程序进行了研读与调试。在源程序的基础上，添加了代码计 算并输出n o x 排放量；对k i v a 3 v 程序中纳入的湍流模型、喷雾模型、燃烧与排放模 型，k i v a 3 v 程序的初边界条件以及数值求解方法进行了较详细的介绍。 江苏大学硕士学位论文 第三章c a 6 d l l - 3 0 柴油机计算模型的建立与验证 3 1c a 6 d l l - 3 0 柴油机简介 本文针对无锡柴油机厂生产的c a 6 d l l - 3 0 增压柴油机，建立了计算模型，对其燃 烧过程和排放特性进行了模拟研究。柴油机主要参数如表3 - 1 所示。燃烧室结构如图 3 - 1 所示。 表3 - 1 柴油机主要参数 t a b 3 1s p e c i f i c a t i o n so ft h ed i e s e le n g i n e 缸径m m 1 1 0 行程m m 1 3 5 连杆长度m m 2 1 7 排量l 7 7 压缩比1 7 5 燃烧室缈型 额定转速( r r a i n ) 2 3 0 0 额定功率k w 2 2 0 最大转矩n m 1 1 0 0 气缸数 6 喷孔x 直径m m 6 x 0 1 6 7 喷嘴凸出高度m m 2 5 图3 - 1 燃烧室结构 f i g 3 - 1t h es t r u c t u r eo fc o m b u s t i o nc h a m b e r 1 6 江苏大学硕士学位论文 3 2 网格的划分 3 2 1 网格划分基本规则 k i v a - 3 v 程序中采用了分块结构化的网格系统。结构化网格在空间上比较规范， 如对一个四边形区域，网格往往是成行成列分布的，行线和列线比较明显，网格中任 意一个节点的位置都可以通过一定的规则予以确定；非结构化网格在空间分布上没有 明显的行线和列线，节点的位置不能用一个固定的法则予以有序地命名【1 7 1 。结构化网 格易于生成，但由于对全部网格都采用同一规则生成，对复杂的计算域难以适应；非 结构化网格需要专门的生成技术，计算量增大，但是不受同一的法则限制，以此灵活 多变，特别适应于复杂的几何结构。分块结构化网格介于这两者之间，它把整个计算 域分成若干块，对每一块子域采用各自的一套规则进行网格划分。与结构化网格相比， 分块结构化网格的几何适应性大大增强，计算效率也随之提高。 k i v a 一3 v 程序三维网格的生成步骤如下【1 8 】： 1 根据选定的径向和轴向网格数n x 和n z ，将轴向半剖面划分为等间距的矩形 网格。 2 根据活塞凹坑上的边界型值点，按式：x ；，k = ( x ；忆。+ x 。) 2 ，z i k - ( z i k + 1 + z 。，k 1 ) 2 对节点坐标不断修正( 网格节点的编号在x ，y ，z 三个坐标方向上均从l 开始，分别以 n 。+ 1 ，n y + l ，n ：+ 1 结束) ，生成适应给定边界条件的二维轴对称网格。 3 按照选定的周向网格数n ，将上述轴向网格回旋生成轴对称三维网格。 4 如果燃烧室凹