（动力机械及工程专业论文）涡流室式增压柴油机三维流动过程数值分析.pdf

a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering three dimensional flow numerical analysis in a swirl chamber type supercharged diesel engine candidate : zhang xuming major : power machinery &engineering supervisor : prof. chen guohua huazhong university of science & technology wuhan, 430074, p. r. china january, 2012 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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： 年 月 日 学位论文版权使用授权书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，即：学校有权 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。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描复制保存手段和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 i 摘摘 要要 对于小型农用柴油机而言，优化柴油机工作过程是改善柴油机性能的重要方法。 在工作过程中，进气系统的好坏是决定燃烧过程优劣的重要因素之一。进气和压缩 过程中的气体流动对燃油雾化、油气混合以及燃烧过程有非常重要的影响。本文以 s185k 发动机为例，采用三维数值模拟方法对涡流室式增压柴油机的气体流动过程 进行了模拟研究。 文中采用三维建模软件 ug 建立了包含进、 排气道-气门-燃烧室在内的三维实体 模型， 利用 fire 的网格划分工具 fame 进行网格划分， 建立了适用于计算的三维实 体网格，并运用 fame 的 fep 功能进行移动网格的划分。并对三维流动计算中所需 要的初始和边界条件进行了分析，确定模拟计算所需要的边界。 为了获得用于模拟计算的初始条件和边界条件，结合该机工作性能实验，借助 于内燃机性能仿真软件 gt-power，对该机工作过程进行计算，得到用于 cfd 计算 的初始和边界条件。 本文还应用 cfd 模拟软件 fire 对涡流室式增压柴油机的进气-压缩过程进行了 三维数值模拟，得到气体的速度场、压力场分布以及湍动能等流动参数随曲轴转角 的变化，并研究了缸内气体的流动状态及压缩过程中涡流室内的气流运动。此外还 进行了配气相位和连接通道参数的改进，比较改进前后缸内气体流动参数的变化。 模拟结果可以为进一步优化单缸 s185k 柴油机的结构、性能参数提供理论参考。 关键词：关键词：农用柴油机 数值模拟 fire 涡流室 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 ii abstract for a small agricultural diesel engine, optimizing the working process is the main method to improve diesel engine performance. in this process, the intake system produces important effects on the combustion progress. the air flow of in the intake and compression produces an important effect on the process of fuel atomization /mixture formation and combustion. in this paper, simulation on the air flow of intake and compression process of the swirl chamber type supercharged diesel engine. in this paper, the entity including intake and exhaust port, valve, swirl chamber was established by using 3d drawing software ug, the use of meshing tools fame of fier, the entity grid was established to calculation, and the use of famefep functions into moving grid. the initial and boundary conditions was analyzed to in the three dimen -sional flow calculations, it was required to determine the boundaries. in order to get used to simulate calculation of initial and boundary conditions，the author made a experiment with the aircraft performance，with the ice performance simulation software gt-power , the diesel engines working process is calculated. the results can be used for cfd calculate using the cfd simulation software fire to research the intake/compression processs the gas flow of a swirl chamber turbocharged diesel engine. the velocity field, pressure field and turbulent energy with the crank angle change were calculated. the work was studied on the gas flow in in-cylinder and the swirl chamber during compress stage. in addition, also carried out with the valve timing and modify the connecting channel, to comparing the gas flow parameters in cylinder. the simulation results can be further optimized single-cylinder s185k engine structure, performance parameters and provide a theoretical reference. key words: agricultural diesel engine numerical simulation fire swirl chamber 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 i 目目 录录 摘摘 要要 . i abstract . ii 1 绪论绪论 1.1 选题的背景与意义（引言） . (1) 1.2 内燃机气道-缸内气体流动数值模拟研究现状 . (2) 1.3 本文的主要研究内容 . (4) 2 柴油机中气体流动多维数值模拟模型柴油机中气体流动多维数值模拟模型 2.1 数值模拟方法的通用流程 . (5) 2.2 柴油机中气体流动数值模拟的理论基础 . (6) 2.3 湍流模型 . (8) 2.4 气体流动数值模拟计算的方法 . (10) 2.5 本章小结 . (11) 3 涡流室式单缸柴油机三维流动计算模型的建立涡流室式单缸柴油机三维流动计算模型的建立 3.1 涡流室式单缸柴油机的基本参数 . (12) 3.2 几何模型的建立 . (13) 3.3 计算网格的划分 . (14) 3.4 初始条件的设定 . (18) 3.5 边界条件的设置 . (18) 3.6 本章小结 . (19) 4 涡流室式增压柴油机工作过程模拟涡流室式增压柴油机工作过程模拟 4.1 涡流室式增压柴油机工作过程计算 . (20) 4.2 涡流室式单缸增压柴油机工作过程准维模型 . (23) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 ii 4.3 模拟计算结果的提取 . (23) 4.4 本章小结 . (28) 5 涡流室式增压柴油机气体流涡流室式增压柴油机气体流动过程三维数值分析动过程三维数值分析 5.1 流场速度分布. (29) 5.2 流场压力与湍动能分布 . (38) 5.3 缸内气体参数宏观描述 . (47) 5.4 涡流室连接通道改进与发动机配气相位的调整 . (49) 5.5 改进后的缸内流场分析 . (50) 5.6 改进后的缸内参数对比分析 . (55) 5.7 本章小结 . (57) 6 总结与展望总结与展望 6.1 全文总结 . (59) 6.2 展望 . (59) 致致 谢谢 . (60) 参考文献参考文献 . (61) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 1 绪绪 论论 1.1 1.1 选题的背景与意义（引言）选题的背景与意义（引言） 涡流室式单缸柴油机在我国具有非常广泛的用户群体，对我国国民经济发展有 非常重要的作用。作为拖拉机、农用水泵、小型农机、小型工程机械等的动力，广 泛应用于交通、农业、机械工业等各个领域。作为世界第一农业大国，我国小型农 用单缸柴油机发展快，产量大，年产量在 700 万台左右，其总功率占国内柴油机的 四分之一，是我国内燃机发展的一个明显特色1。但是，我国小型柴油机与国外其他 国家的差距还是很大的，从整体技术水平上来说，要落后国外几十年，主要的差距 表现为存在燃油经济性差、噪音大、起动困难、寿命短等缺点2。农机产品的耗能问 题也越来越受到社会的关注，同时为适应未来排放法规的严格要求，加快发展节能 型农用机械，特别是单缸柴油机的能耗和排量对促进我国农业的可持续发展，能够 起到非常重要的作用。 由于涡流室式柴油机的燃烧系统自身特有的设计结构，运行时排放和噪音低而 且具有良好的高速适应性。近年来，由于新材料的应用和燃烧过程的不断改善，以 及增压技术的发展，使得柴油机经济性和动力性得到了很大的提高。但与直喷式柴 油机相比，涡流室式柴油机普遍存在一些缺点，比如油耗率高、启动困难等。因此 深入研究涡流室式柴油机的工作过程，通过结构的优化设计提高其性能，对进一步 发挥优点有着十分重要的意义3。 涡流室柴油机工作过程的一个非常重要环节就是燃烧过程的合理组织，燃烧的 优劣决定了柴油机动力性、经济性的好坏。其实对于燃烧过程的研究就是对影响燃 烧的主要因素-燃油、空气、燃烧室三者之间匹配关系的研究。合理组织进气过程对 促进燃油雾化和燃烧过程的改善有着至关重要的作用，从而可以进一步提高柴油机 经济性、动力性等指标。 柴油机进气、压缩过程是一个非常复杂的非稳态流动过程，并且进程是多变的。 其流速和流体的状态参数是随着位移和时间变化的函数，涉及了空气动力学、热力 学和流体力学方面的知识。目前对柴油机缸内的气体流动的研究方法主要有实验研 究和数值模拟两种方法。实验研究是研究内燃机工作过程十分重要的手段之一，但 是考虑到内燃机进气压缩过程是一个极其复杂的综合过程，而且要求有专门的实验 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 设备、周期长，况且有些实验数据无法从实验中获得，因此单独采用实验研究难以 完全了解缸内流动信息。 从上世纪 60 年代以来，随着计算机技术的快速发展及计算流体动力学、化学动 力学等基础学科研究的不断深入，发动机工作过程数值模拟的研究工作得到了飞速 发展。 发动机中的气体流动过程数值模拟已经发展成为一个独立的分支4。数值模拟 主要通过计算机把实验、理论科学有机结合起来。与实验研究相比，具有参数调整 方便，速度快，费用低等优点，可以方便的找出关键的因素，优化产品设计，降低 产品开发周期和费用，已成为分析、设计发动机的重要工具。通过数值模拟能全面 详尽的分析发动机缸内流场，燃油雾化过程及排放特性。因此，为详细了解涡流室 式柴油机缸内及涡流室内气体流动过程，完成进气道-气门-燃烧室系统三维 cfd 流 动模型的建立并进行三维数值模拟计算。可以为现有的发动机零部件结构的改进优 化设计和开发新的燃烧系统提供参考。 1.2 1.2 内燃机气道内燃机气道- -缸内气体流动数值模拟研究现状缸内气体流动数值模拟研究现状 随着计算机技术的快速发展，从上世纪 80 年代以来，内燃机工作过程的数值模 拟得到了高速的发展。由二维发展到现在全面应用了三维数值模拟，由单一的内燃 机缸内流动模拟发展到包含进气道-气门-燃烧室在内的缸内系统流动模拟，模拟计 算的模型也越来越全面，从简单的进气过程发展到包括进气-压缩-燃烧过程整个系 统的模拟。 国外在利用数值模拟研究内燃机进气及压缩过程中气体流动状态方面已经基本 掌握了相关的关键技术并取得了一些成就。 1982 年， k.meintjes 等对 ricardo comet v 涡流室作了二维平面计算研究5，计算中利用增加的层流输运系数来计算湍流扩 散，通过计算不同形状涡流室的流场发现其主要受连接通道进入涡流室流场的影响。 1983 年，m.m.elkotb 等对球型涡流室内流场进行了二维数值模拟计算，研究了涡流 室形状对其内部流场的影响，并通过分析修正了湍流的模型6。1985 年，p.pinchon 等使用改进的 conchas-spray 程序对 ricardo comet v 型涡流室式柴油机进行燃油 空气混合的二维数值模拟计算7。1987 年，小松源一、池上洵通过二维数值模拟研 究了涡流室形状及连接通道位置对球型涡流室内流场的影响，在计算时通过湍流扩 散率模型求得涡粘性系数， 近壁面网格点采用 blasius 公式并考虑了摩擦应力。 1987 年， gosman 和 ahmed 通过使用热线法实验获得了在气门不同升程下的气体流量系数、 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 气体平均速度和湍流雷诺应力场的分布，并结合模拟计算研究了进气道-气门-缸内 系统的稳态流场8；同一时期 shigeki sugiura 等通过计算包括进气道-气门-缸内系 统的二维和三维稳态流场，研究了柴油机进气结构对发动机进气质量流量和气体流 线流型的影响9。1995 年，kang y.huh 等人通过修改后的 kiva-2 计算了内燃机螺旋 进气道-气门-缸内的气流运动进行了稳态三维数值模拟10。1996 年，mit 的 wolf bauer 和 j.b.heywood 采用 star-cd 预测一台单缸 2 气门汽油机的瞬态流场， 并通过 模拟计算与实验测量获得的结果进行比较，研究整个进气过程的流场分布11。1998 年，clemson 大学与 caterpillar 公司合作在通过使用 fluent 软件模拟计算柴油机 这个进气结构的稳态流场12。2005 年，ugurkesgin 在采用 avl 公司的软件基础上模 拟计算并进行了柴油机整个进排气系统的研究， 已提出对改进其结构设计的方法13。 伴随着内燃机研究工作的不断推进，国外在数值模拟方面做了大量的工作，成功研 究出来了一些用于通用模拟计算的软件， 较为成功的代表有 adapco 公司的 star-cd， 以及 avl 公司的 fire 还有得到越来越多使用的 kiva 等软件，为内燃机的研究工作 地模拟计算在软件上提供了更多的便利。 国内在内燃机工作过程特别是流场的数值模拟研究方面开展的时间相对较晚， 而且主要集中在一些高校和科研院所中。1998 年，华中理工大学的杨玟模拟计算了 包括螺旋进气道、气门、缸内等系统的三维流场，深入的研究了发动机螺旋气道的 气流特性，并在稳流实验中测量了气体的流动参数14。2003 年，天津大学的刘书亮 等模拟计算了汽油机进气、压缩冲程的流场分布，研究了滚流的形成及其演变规律 15。 王海刚等使用 kiva-iii 程序进行了柴油机进气道和缸内流场三维数值模拟计算 16。夏兴兰用改进的 kiva 程序进行了涡流室柴油机燃烧室内流场的三维数值模拟， 研究了气流速度在不同截面上的分布规律17。北京理工大学的王樵等人使用 fluent 程序模拟了双进气道发动机的流场，并进行实验对比分析计算得到的进气门流量系 数来验证了三维数值模拟计算的可行性18。罗马吉利通过使用 ale 法模拟发动机的 进气过程流场来研究进气过程中三维瞬态流动的特性19。我国与国外数值模拟研究 的差距主要体现在，包括进气道-气门-缸内整个系统的三维数值模拟主要为稳态模 拟，在瞬态模拟方面做的工作还不够多。 针对涡流室式柴油机而言，在进行缸内流场多维数值模拟研究时，注重研究影 响涡流室内流场计算精度的因素。包括湍流模型、合适的通用网格生成方法等。总 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 4 的来说，随着研究的不断深入和技术不断发展，内燃机工作过程数值模拟将会有更 进一步的发展。 1.3 1.3 本文的主要研究内容本文的主要研究内容 本文以一台小型单缸 s185k 柴油机为例来进行三维流动过程的研究。该机型是 为了满足小型农用机械的特殊要求，在满足外形尺寸的条件下，使其发动机功率增 加，并控制油耗在适当的水平。为了达到要求，需要采取增压方式，并对其结构进 行相应的改进。其进气系统、燃油系统及燃烧室三者之间的合理匹配是此项工作的 主要技术措施之一。 本文运用内燃机流体分析软件 avl 公司的 fire 及其网格生成工具 fame 建立 单缸 s185k 柴油机计算模型，对此柴油机的进气、压缩过程中的气体流动进行数值 模拟及分析研究。 本文的研究内容主要包括了下面几个方面： （1） 根据单缸 s185k 柴油机的主要参数，利用三维建模软件 ug 建立涡流室式柴 油机进、排气道-气门-涡流室系统的实体模型，然后采用 fire 软件自身的网格工具 fame 对其进行网格划分，包括初始模型网格和三维计算所需的运动网格。 （2） 基于单缸 s185k 柴油机的一些参数和实验数据，并结合内燃机性能分析软件 gt-power，进行涡流室式柴油机的工作过程模拟计算，为进行气体流动三维数值 模拟计算提供所需要的初始条件和边界条件。 （3） 运用三维流体分析软件 avl-fire 对涡流室式柴油机进气、压缩过程进行三 维数值模拟计算，并进行结果分析。主要研究的是进气、压缩过程的气体流动过程， 因此主要分析气体的速度分布、压力场、湍流动能等几个参数变化，分析了缸内及 涡流室内涡流等的演变，并对缸内宏观参数（缸内气体质量、平均压力、平均温度） 等进行了分析。 （4） 研究涡流室连接通道结构对涡流室内流场的影响以及配气相位对柴油机充气 效率的的影响，分析了改进后缸内气体速度、压力和湍动能的分布，对比了改进前 后缸内宏观参数的变化。为进一步改进涡流室式柴油机的设计提供了一些理论参考。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 5 2 2 柴油机中气体流动多维数值模拟模型柴油机中气体流动多维数值模拟模型 2.1 2.1 数值模拟方法的通用流程数值模拟方法的通用流程 内燃机中的气体流动过程分析是一个非常典型的流体力学问题。可从理论研究、 试验测量和数值模拟计算等几个方面进行着手，主要涉及到理论为流体力学和数值 分析等2022。cfd 主要是借助于计算机，采用适当的数值分析方法，通过离散并求 解流体力学控制方程的方法来达到模拟工程中的流体运动过程。 cfd 数值模拟与理论研究及实验测量有着明显的区别2024，分别表现为：与理 论研究相比，cfd 数值模拟求解得到的是流体所流经区域内的离散解，并非通常意 义上的解析解；与试验测量相比，如果给出的数学模型包括边界条件都是正确的， 那么 cfd 数值模拟方法可以较快地给出在特定参数条件下缸内流场的信息，从而比 实验测量更加方便。 cfd 通用求解流程由建模、网格生成、离散化、求解和后处理分析等几个部分 构成，其流程图如图 2-1 所示2324。 首先，结合具体研究的流体流动问题（是稳态还是瞬态、有无粘性、是否有可压缩 性、层流还是湍流）来建立模型，确定流体控制方程，同时需给出所计算流体的一 分析计算结果 是 后处理分析 否 求解 离散化 给出求解控制参数 求解离散方程 建立离散方程 离散初始条件和边界条件 确定初始调节和边界条件 划分子区域，生成计算节点 建立控制方程 建模 网格生成 图 2-1 cfd 通用求解流程 是否收敛 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 6 些参数、初始与边界条件。其次，网格的生成就是把空间计算区域划分为多个子空 间，从而可以确定出每个子空间内的坐标25。在网格划分过程中，需要消耗很多的 时间，大约占整个计算工作量的一半以上，因此网格划分技术在 cfd 计算中是一个 非常重要的环节2627。 内燃机气体流动过程数值分析是基于流体力学的基本理论，采用偏微分方程的 形式来描述气体流动过程中缸内的气体流动信息，并在给定边界条件下通过数值计 算方法对这一系列偏微分方程进行求解，求解出的数值解可以对气道及缸内流场进 行详尽的描述，如缸内气体的速度、压力、温度、湍动能等分布。 2.2 2.2 柴油机中气体流动数值模拟的理论基础柴油机中气体流动数值模拟的理论基础 柴油机中气体流动过程是强瞬变过程。这里由于：缸内工质随着活塞的往复运 动伴随着较高的压缩比；在发动机缸内几乎同时存在气流运动和带有涡核的无规则 湍流运动；柴油机进排气门的规律性开启和关闭以及活塞周期性压缩运动产生的运 动边界对于问题的求解增加了困难28。然而不论其运动如何复杂多变，都遵循流体 运动最基本的三大守恒方程，即遵循能量守恒方程、质量守恒方程和动量守恒方程。 2.2.1 2.2.1 基本控制方程基本控制方程 对上述守恒方程分别进行数学描述并构成一个控制方程组-n-s 方程2930。每个 控制方程都可以表示为式(2-1)的形式。 divudivgrads t （2-1） 上式中：为普通变量，可以用来代替u、v、w、t等几个变量； 表示扩散性系 数；s代表源项。方程中各项依次为瞬态向、对流项、扩散项和源项。针对每个给定 方程，、 、s有各自特殊的表达形式。 （1 1） 质量守恒方程质量守恒方程 针对质量守恒方程来说，上述通用形式中1、0、0 s 0 uvw txyz （2-2） 上式中： t 表示单位时间、单位体积内质量的增加量； u x 、 v y 、 w z 各 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 7 表示沿各自方向单位体积内净流出的质量流量。 （2 2） 动量守恒方程动量守恒方程 针对动量守恒方程来说，上述通用形式u，uuvw ，其中, ,u v w各自代 表在 x、y、z 方向速度的分量，因此上述总方程又可以演变为以下三个方程，如下 所示： xy xxxz uuuuvuwp txyzxxyz （2-3） yxyyyz vvuvvvwp txyzyxyz （2-4） zy zxzz wwuwvwwp txyzzxyz （2-5） 其中式中： xx 、 xy 、 xz 为粘性应力在每个方向上的分量。其中每项的表达式分别 为下列各式： 2 2 3 xx uuuu xxyz （2-6） 2 2 3 yy vvvv yxyz （2-7） 2 2 3 zz wwww zxyz （2-8） xyyx uv yx （2-9） xzzx uw zx (2-10) yzzy vw zy (2-11) （3 3） 能量守恒方程能量守恒方程 针对于能量守恒方程来说，上述通用形式 p c t，所以能量守恒方程的表达形 式又可以变为如下形式所示： 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 8 pppp c tc utc vtc wt txyz ttt xxyyzz (2-12) 其中上式中：为粘性耗散项，与流体粘性相关，表示流体热源及由于粘性力所作 的功转化为热能的部分。所以此变量又可以用下式表达： 22 22 2 2 1 2 2 2 3 11 22 uvwuv xyzyx uvw xyz vwwu zyxz (2-13) （4） 附加方程附加方程 对于可压缩流体而言，需要气体状态方程和热力学公式来作为上述控制方程的 补充： m m m w trp 0 （2-14） ttcti vm m （2-15） titi m m m （2-16） m m w r tit 0 m h （2-17） tct pm m m p c （2-18） 在上述表达式中， 0 r 作为气体常量，常用值为kkmolj/3 .8314； m w为组分m的分子 量； m i 为组分m的比内能；vmc、cpm分别为组分m的定容和定压比热。 2.3 2.3 湍流模型湍流模型 湍流作为生活中较为常见的一种流动，然而没有一个准确的定义31。直到 1986 年出现了雷诺方程，从此对湍流现象的研究也有了一个较为准确的判断标准，就是 利用雷诺数来判定。流体的雷诺数不同，流体的流动特征将发生本质变化，流动将 变得杂乱无章，更为无序。此时即使所给定的外界条件不变，速度等这些参数也都 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 9 会随机而变，就把此刻的流体流动状态就定义为湍流运动。由于湍流本身十分复杂， 目前对于流体力学研究者来说所遇到的困难比较大32。 对于湍流的模拟，在工程应用中通常采用近似或简化的湍流模型。在研究内燃 机缸内气体流动数值模拟过程中，较为常见的湍流模型有以下几个模型：大涡模拟 的亚网格尺度（sgs）模型、标准-模型、rng-模型。 sgs 模型的基本思想是把尺度不相同的湍流涡团分割开来，根据尺度的大小来 划分把涡团划分为两种尺度量。一种是可解尺度量，这种能够被计算网格分辨，即 可以直接求解三维非定常流动控制方程；后者由于小于网格尺度，需要通过一定假 设来模拟为可求解尺度量的函数3334。 sgs 模型对湍流的计算量明显减少， 但是由于湍流的尺度是认为给定和假设的， 这需要依靠经验公式，对较为复杂的流动分析带来困难。而且模型精度很差。考虑 到不同模型的精度，在不同的模型中选择较为合适的精度模型，可选用标准-双 方程模型。 -n-sn-s 标准模型是在脉动速度的方程的基础上建立起来的，是在完整的方 n-s程基础之上减去雷诺平均的方程获得，具体公式为28： g x k xx ku t k jk eff jj j )( )（ （2-19） 21 )( t )( cgc kx u xx u j eff jj j （2-20） 式中： 1 2 ij k uu 为湍流动能； 2 ii j u x 为湍动能的耗散率； k 为k的湍流普 朗特数； 为的湍流普朗特数；g为湍流动能的产生项； j i i j j i i x u x u x u g 其中 i 为湍流粘性系数。 -湍流模型中的常数为：0 . 1 k ，3 . 1 ，44. 1 1 c， 92. 1 2 c，09. 0 c。 rngk模型是在rng模型基础之上， 在尺度变换的条件下要对原方程的气体 粘性系数给予新的定义，通过对粘度系数进行修正，并把气体流动中的各种旋转情 况一并考虑进去35。rngk模型可以较好的体现大剪切率所产生的强烈的各向异 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 10 性效应以及非平衡效应36。在处理高应变率及弯曲程度较大的流动时非常有效。对 于近壁区域流动和雷诺数较低的流动，需要采用低雷诺数的-模型。 对于内燃机进气和压缩过程的模拟，采用标准的-模型模拟的结果具有很好 的一致性。考虑到本文是对进气和压缩过程进行模拟，因此在湍流模型的选择上， 选择标准-湍流模型。 2.4 2.4 气体流动数值模拟计算的方法气体流动数值模拟计算的方法 当前在内燃机工程领域应用的最常用的求解方法有两种37：一种是有限体积法 (fvm)；一种是(ale)任意拉格朗日欧拉法。从对方程离散化原理上来说他们都属于 有限差分法。他们都是在最为基本的有限差分法的基础上进行了一系列的改进，从 而能够更好的适应内燃机工作过程复杂的求解情形38。 在这两种方法中，前一种方法由于在表达概念上比较清晰，有较强的通用性， 在实际工程领域得到十分广泛的推广。对于能源与动力领域尤其是对于内燃机来说， 这中方法得到许多研究者的推崇，应用十分广泛。有限容积法的优点就在于：通过 采用上述方法对偏微分方程进行离散，这样就能保证方程始终守恒，同时使得离散 后的方程的各项所代表的含义更为清晰。 鉴于本文建模过程中采用的 cfd 软件 fire 本身就是基于有限体积法，因此下 面着重对此种方法进行详细的介绍。有限容积法的基本思路是将所要计算的空间划 分较为连续的控制容积，用节点连代表这些划分好的连续容积，然后对控制方程进 行离散，从而可以获得离散后的守恒方程。 在对能量总项也就是对流项和扩散项在进行离散化的时候要注意的是，离散格 式的选择也就是选择合适的差分格式。其对离散的方程有很重要的影响，不仅对计 算收敛性、准确性有影响，还对所得到数值解是否真实反映该物理特性。因此要对 差分格式有一个简单的了解。差分格式主要有迎风、中心和混合差分格式。迎风差 分格式的优点是其差分方式构造非常简单，缺点是精度只有一阶；中心差分格式的 优点是精度较高，缺点是遇到流体速度较快的流动过程计算时发生数值解振荡的情 况；混合差分格式把上述两者的优点都汲取进来，构造格式简单同时又可保证结果 具有二阶精度，然而却存不稳定的缺点。 为了解决以上几种差分格式存在的问题，在此基础上出现了高阶差分格式。较 好的解决了上述几种差分格式所存在的问题。二阶迎风差值格式具有三阶精度的截 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 11 差，并且能够较好的保证控制方程的守恒，因此在本文中采用此种方法。 不同变量之间耦合的求解算法 不同变量之间的耦合求解在内燃机中较为普遍，尤其是在求解气体流动问题中 速度、压力、温度等。都需要进行耦合求解。尤其是气体流动速度与气体压力两者 之间的耦合，对于求解流体流动问题来说困难很大。特别是对内燃机气体流动过程 数值模拟这一问题，压力作为求解中的一个极其关键的参数，但压力本身只是一个 不可输运的物理量，不能建立一个独立的方程。为了满足这一条件，必须通过一定 的技术手段解除气体流动速度与气体压力的耦合问题。因此也就出现了 simiple 算 法。 simple 算法是解气体流动速度与气体压力耦合方程的一种有效方法， 采用的是 半隐式法37。这种算法的求解思路是在求解速度场时采用迭代法，事先假定任意一 个初始压力，导入到动量方程进行求解得到速度场，若求得速度场带入到连续性方 程中能够守恒，则速度场求解结束；若求得的速度场不能使方程守恒，则说明假定 的压力不符合实际情况，就要重新对压力进行校正，如此迭代直到满足所有方程， 计算速度场才终止。 simple 算法在能源与动力领域应用比较广泛， 但也有其劣势的一面， 主要表现 在收敛性上，对于有些求解问题，收敛性差。随后又出现了其改进型，克服了其上 所说的缺点。 2.5 2.5 本章小结本章小结 （1） 介绍了 cfd 通用的求解过程。 （2） 简单介绍了流体力学控制方程的通用形式及能量方程、动量方程和质量方程 以及附加方程。 （3） 主要介绍下用于求解湍流的几种湍流模型，并着重介绍了所选用的标准- 模型。 （4） 简述了本文计算求解过程所选用的有限容积法以及对方程离散化的方法。 （5） 介绍了用于求解流场速度压力耦合的算法 simple 算法。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 12 3 3 涡流室式单缸柴油机三维流动计算模型的建立涡流室式单缸柴油机三维流动计算模型的建立 内燃机工作过程中的气体流动对混合气形成有重要影响，进而会影响燃烧过程。 本文基于 avl 公司的 cfd 软件 fire，应用软件成熟的动网格生成技术，建立了该 型柴油机的三维计算网格，包括从进气到压缩上止点的过程，计算以小型单缸柴油 机 s185k 为例，研究了该柴油机进气-压缩过程中缸内及涡流室内的气体流动过程。 3.1 3.1 涡流室式单缸柴油机的基本参数涡流室式单缸柴油机的基本参数 3.1.1 3.1.1 基本参数基本参数 气缸直径：85dmm 活塞行程：80smm 连杆长度：130lmm 压缩比：21 气门升程：6.98mm 增压比：1.25 燃烧室：涡流室 配气相位：进气门开：上止点前15 ca 进气门关：下止点后35 ca 排气门开：下止点前40 ca 排气门关：上止点后12 ca 压缩上止点与缸盖底的余隙为4mm,气门