（动力机械及工程专业论文）柴油机缸内气流运动规律的数值研究.pdf

中文摘要 内燃机缸内气流运动对可燃混合气的形成及燃烧过程有着至关重要的作用， 它影响着内燃机的整体性能，一直是内燃机研究的一个重要方向。数值研究方法 具有成本低、信息量丰富等特点，是研究缸内气流运动的重要手段。 本文基于k i v a 3 v 计算平台，编写了求解流场参数的子程序，建立了发动机 缸内流场计算模型，并将模拟结果和实验数据进行了对比，确保所采用的计算模 型能够很好地模拟柴油机缸内流场的变化。 为了明确燃烧室结构参数对缸内流场的影响，本文采用简化燃烧室进行研 究。主要研究了燃烧室结构参数对涡流比、湍流强度以及湍流结构的影响规律， 并得到以下结论： 上止点附近缸内平均涡流比主要取决于气体旋转半径、流体的初始角动量、 以及运动中的摩擦耗散。横截面上的平均涡流比除受上述三种因素影响外，还受 燃烧室内涡环的影响，而涡环的强弱决定于活塞凹坑开口形式。不同横截面受涡 环影响的程度不同，切向速度分布也各不相同，并且不能简单归结为刚体流与势 流的组合。 缸内平均湍流强度主要受缸内平均涡流比、燃烧室形状因数和挤流强度影 响，并且任一因素增大时，湍流强度都得到加强。随活塞上行，平均涡流比的影 响程度呈线性下降，挤流强度的影响程度呈线性上升，燃烧室形状因数的影响程 度趋于恒定。如果这三个因素均发生变化，则缸内湍流强度的总变化量要大于各 因素贡献量之和，这说明缸内湍流强度不是各因素贡献量的简单线性叠加。 缸内平均涡流比、燃烧室形状因数和挤流强度决定着缸内高湍流强度区域的 特性。燃烧室形状因数和初始涡流比增大时，高湍流强度部分的体积百分数增大， 而高湍流强度部分的强度增幅较小；挤流强度增加时，高湍流强度部分的体积百 分数减小，而高湍流强度部分的强度增幅急剧上升。 如果设计的燃烧室轮廓和湍流强度等值线相符合，则能在不改变缸内高湍流 强度区域特性的情况下，提高进气充量的利用率。 本文采用简化燃烧室分析了柴油机缸内气流运动的规律，从而为燃烧室设计 提供了理论依据。 关键词：涡流；湍流；燃烧室；柴油机；数值模拟 a b s t r a c t t h ei n - c y l i n d e rf l o wp l a y sa l li m p o r t a n tp a r ti nf u e l a i rm i x t u r ef o r m a t i o na n d c o m b u s t i o n p r o c e s sf o r i n t e r n a l c o m b u s t i o n ( i c ) e n g i n e ，a n di n f l u e n c e s t h e p e r f o r m a n c eo fi ce n g i n e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hl o wc o s t sa n dd e t a il e d i n f o r m a t i o ni sa ni m p o r t a n tm e t h o df o ri n - c y l i n d e rf l o wr e s e a r c h t h em o d i f i e dk i v a 3 vc o d ei se m p l o y e dt os i m u l a t et h ei n - c y l i n d e rf l o wf i e l di n t h i sp a p e r n es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n td a t a n ec o m b u s t i o nc h a m b e rw i t hs i m p l i f i e ds h a p ei s a p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h e i n f l u e n c eo fc o m b u s t i o nc h a m b e rc o n f i g u r a t i o no nt h ei n - c y l i n d e rf l o wf i e l d ，a n dt h e m o s tr e s u l t sa r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： a r o u n dt o pd e a dc e n t e r ( t d c ) ，t h es w i r l r a t i oi sd e t e r m i n e dm a i n l yb yt h e i n i t i a la n g u l a rm o m e n t u m ，t h em e a nr o t a t i o nr a d i u sa n df r i c t i o no ff l u i d ，b u tt h e v o r t e xi nt h es t r a i 曲t - c u ts e c t i o nt e n d st o c h a n g et h em e a ns w i r lr a t i o i nt h e c o m b u s t i o nc h a m b e r t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es h a p eo f c o m b u s t i o nc h a m b e rh a v e as i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ev o r t e xi nt h es t r a i g h t - c u ts e c t i o n t h et a n g e n t i a lv e l o c i t y f i e l di nc r o s s s e c t i o ni st o oc o m p l i c a t e dt ob es i m p l i f i e d 觞ac o m b i n a t i o no f s o l i d b o d yr o t a t i o na n dp o t e n t i a lf l o wb e c a u s eo f t h ee f f e c to f t h ev o a e x t u r b u l e n c ei n t e n s i t yi sm a i n l yd e t e m i n e db yt h em e a ns w i r lr a t i o ，c o m b u s t i o n c h a m b e rc o n f i g u r a t i o na n ds q u i s h i n t e n s i t y e i t h e ro n eo ft h e f a c t o r sc h a n g e d ， t u r b u l e n c ei n t e s i t yi ss t r e n g t h e n e d a st h ep i s t o nm o v e st o w a r d st h et d c ，t h ee f f e c t o fs w i r l r a t i oo nt u r b u l e n c ei n t e n s i t yi sl i n e l yw e a k e n e da n df o rt h es q u i s hc a s ei s i i n e l ys t r e n g t h e n e d ，w h i l et h ee f f e c to fc o m b u s t i o nc h a m b e rc o n f i g u r a t i o no n t u r b u l e n c e i n t e n s i t yk e e p su n c h a n g e d w h e nt h et h r e e f a c t o r sa r e c h a n g e d s i m u l t a n e o u s l y , t h et o t a li n c r e m e n to ft u r b u l e n c ei n t e n s i t yd o e s n te q u a lt ot h es u mo f t h ec h a n g ec o n t r i b u t e db yt h et h r e ef a c t o r s t h ef e a t u r eo f h i g ht u r b u l e n c ei n t e n s i t yr e g i o ni sa l s od e t e r m i n e db yt h et h r e e f a c t o r s w h e ne i t h e rt h es w i r lr a t i oo rc o m b u s t i o nc h a m b e rf a c t o ri se n h a n c e d t h e v o l u m ep e r c e n t a g eo fh i g ht u r b u l e n c ei n t e n s i t yr e g i o ni n c r e a s e s ，b u tt h ea m p l i t u d eo f t h e mb e c o m e ss m a l l e r a n dw h e nt h es q u i s hf l o wi se n h a n c e d ，t h ev o l u m ep e r c e n t a g e o fh i g ht u r b u l e n c ei n t e n s i t yr e g i o nd e c l i n e s ，b u tt h ea m p l i t u d ea s c e n d s q u i c k l y w h e nc o m b u s t i o nc h a m b e ro u t l i n ei sd e s i g n e dt of i tt h et u r b u l e n c es t r u c t u r e ，t h e u t i l i z a t i o no ff r e s ha i ri nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e ri si m p r o v e d ，w i t ht h ef e a t u r eo ft h e h i g ht u r b u l e n c ei n t e n s i t yr e g i o nk e p tf i x e d b a s e do nt h es i m p l i f i e dc o m b u s t i o nc h a m b e r , t h ei n - c y l i n d e rf l o wo fd i e s e l e n g i n eh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ，a n dv a l u a b l eg u i d a n c et ot h ec o m b u s t i o nc h a m b e r d e s i g nh a sb e e ng i v e di nt h i ss t u d y k eyw o r d s ：s w i r l ，t u r b u l e n c e ，c o m b u s t i o n c h a m b e r 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 i t o n 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，也不包含为获得苤洼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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：善霹绎 签字日期：如哆年，月工罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕壅态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞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绊和磁盘。 ( 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：差孝挈 签字日期：多哆年f 月上7 日 导师签名： 瓤阢 签字日期：加口7 年1 月刀日 天津大学硕上学位论文第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 自7 0 年代以来，柴油机技术有了长足的发展和进步。增压中冷、e g r i l t 2 ，3 1 、 高压喷射技术、v g t 技术的应用，满足了目前排放法规的要求。但是各国排放 标准在逐步提高，而能源问题进一步严重，研制高效率低污染的发动机成为各国 追求的目标，对燃烧系统的研究乃是改善柴油机性能的主要方法之一，也是柴油 机领域研究的重点。 在柴油机燃烧过程中，缸内气流运动占有十分重要的地位，它是柴油机燃烧 系统三要素( 燃油、空气、燃烧室) 之一，它决定着各种量在缸内输运及空间分布， 并对可燃混合气的形成、火焰传播速率、缸壁的传热及污染物的形成具有直接的、 本质的影响。对于高速运动的柴油机，其可供燃烧的空间小，燃烧持续时间短( 只 有2 - - 5 m s ) ，因此合理地组织气流运动对改善燃烧过程相当重要。 1 2 内燃机缸内流场研究方法及国内外研究现状 内燃机缸内流场的研究主要有实验研究和数值模拟研究。实验方法主要是利 用相关的测试技术，如热线风速仪法( h w a ) 、激光多谱勒测速法( l d v ) 、速 度粒子成像法( p i v ) 等，在模型机或试验机上进行实验研究，是理论研究的前 提和基础。基于计算流体动力学的数值模拟研究可以获取更深层的物理现象、更 丰富的流场信息。 1 2 i 内燃机缸内流场的实验研究 热线风速仪法主要应用于气道实验，研究进气过程的气流运动1 4 j ，6 7 ，ew 。 最初的缸内流场动态测量应用l d v 测量技术。k yk a n g 等人利于l d v 技术对 一四气门汽油机在不同转速和不同气道时的缸内滚流进行了测量，研究滚流对湍 流的影响及湍流的分布i l 们。h b e l m a b r o u k 等应用l d v 对湍流长度尺度进行评 估，研究涡流对湍流长度尺度的影响，1 2 u j 。k yk a n g 等应用l d v 测量一台 四气门柴油机在不同进气道布置方式时的缸内涡流1 1 4 j ；他们也对一四气门汽油 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 机的缸内流场进行了测型”j 。 l d v 测量技术为单点测量，并且信号随机采样、信号不连续。8 0 年代初兴 起的p i v 测量技术是一种新型的流场测景技术，它能对空间瞬态流场进行实时测 量。g 6 r a nj o s e f s s o n 等人应用p i v 技术对发动机缸内的湍流强度和湍流长度尺度 进行测量，并和l d v 的测量结果进行了对比。结果表明p i v 的单点测量结果和 l d v 同样精确l l6 | 。y l i 等人应用p i v 技术在一台双火花点火的四气门汽油机上 对缸内滚流进行了测量，并结合激光诱导荧光法优化油气混合以得到浓度分层的 可燃混合气l j7 1 k h l e e 等人应用p i v 技术对燃油喷射时的流场进行了测量， 并根据测量结果对喷油定时及喷油持续期进行优化，研究可燃混合气分层【1 8 】。 国内不少内燃机研究者也将p i v 技术应用到缸内流场的测量中【1 9 2 0 川。 1 2 2 内燃机缸内流场的数值研究 随着计算机技术和计算流体动力学等相关学科的发展，数值模拟技术在内燃 机研究领域得到广泛应用 2 2 , 2 3 , 2 4 】。数值模拟不受环境和条件的限制，获取数据迅 速、简单、费用低，并能揭示更深一层的物理现象，诸如流场的速度，结构，温 度和压力的分布等等。基于计算流体力学的数值研究是目前内燃机研究的重要手 段。 7 0 年代，a ew a t k i n s 在他的博士论文中模拟了湍流运动 2 5 1 。后来，b o n i 等采用任意拉格朗日欧拉法【2 6 】，模拟了一台发动机的压缩和做功行程【2 7 1 。r d i w a k a r 也进行了类似的研究1 2 引。这些早期的研究为内燃机缸内流动的数值模 拟研究奠定了基础。1 9 8 4 年，a d g o s m a n 等发表了求解缸内三维湍流场的论文， 从此多维模拟进入了一个崭新的阶段【2 9 】。 宋金瓯等人对柴油引燃天然气双燃料发动机的燃烧过程进行了模拟，分析了 不同初始涡流比对燃烧区湍流强度的影响【3 0 1 。姚广涛结合试验观察和数值模拟方 法，研究了在纯空气、天然气空气、c 0 2 空气环境中预混压燃均质混合气的形 成过程【3 l l h t s c h a r k e 等人模拟了直喷柴油机和直喷汽油机缸内流场，并对测量技术和 模拟技术的优缺点及前景做了总纠强j 。sk o n o 等人模拟了缸内涡流强度对喷雾 形成的影响p 引。s u d h a k a rd a s 等人模拟了一台直喷汽油机的缸内流场i m l 。ac h e n 模拟了发动机的整个进气过程和压缩过程，分析了标准k - e 模型的局限性【3 5 】。 bd i l l i e s 等对一台单进气门的柴油机进行了类似的研究【3 6 1 。c a r c o u m a n i s 等模拟 了不同燃烧室压缩过程的流场结构，并和l d v 测量结果进行了对比【3 7 i 。 a n t o n i og i lm e g l a s 等结合稳流台架实验和c f d 方法研究了直喷柴油机在上 止点附近的涡流比p 引。d a ec h o i 等结合l d v 技术和c f d 方法研究了柴油机涡 天津大学硕士学位论文第一章绪论 流比对缸内湍流结构的影响p 引。fp a y r i 等人结合l d v 技术和数值模拟方法研究 了不同燃烧室缸内流场形成过程 4 0 , 4 1 1 。 p a u lm i l e s 等人对一台高速直喷柴油机的缸内流场进行了数值模拟和实验测 量，研究了柴油机缸内大尺度流动和湍能的发展过程1 4 2 1 。h o r n g w e nw u 等人应 用大涡模拟研究了压缩比和初始涡流比对缸内流场和壁面传热的影响f 4 3 】。最近， sm a u f i c i o 等人也应用大涡模拟对一台试验发动机滚流的形成和破碎过程进行了 模拟 4 4 1 0vh u i j n e n 等人将l e s ( 大涡模拟) 和基于不定常雷诺平均的k - 模型 分别植入k i v a - 3 v ，模拟一台实际发动机稳流气道内的流动【4 5 1 。x u e s o n gb a i 结合l e s 模拟和p i v 测量技术研究了一台柴油机的缸内湍流分布和温度圳4 6 1 。 所有这些研究表明，当前的数值方法能够很好模拟实际发动机缸内的流场， 已成为发动机缸内流动研究的、重要手段。 1 3 本文选题意义 目前虽然对内燃机缸内流动做了大量研究，然而对燃烧室形状与流动之间的 相互关系还缺乏规律性认识，而这对合理设计燃烧室具有重要的意义。 1 4 本文研究内容 在压缩冲程初期，缸内涡流及湍流基本均匀，发动机燃烧室形状只在压缩冲 程后期和膨胀冲程初期对流场产生影响1 4 ，因此本文的分析重点将集中在压缩上 止点附近，主要研究内容包括： 1 了解k i v a 3 v 程序，完成流场参数子程序的编写，并将其植入k l v a 3 v 。 2 基于柴油机流场测量结果，选择合理计算模型。 3 选择具有良好可比性的燃烧室，确定研究内容。 4 研究压缩上止点附近缸内涡流的变化规律及切向速度分布。 5 研究压缩上止点附近各影响因素对缸内湍流变化的贡献程度。 6 研究压缩上止点附近缸内湍流结构，探讨燃烧室形状的优化设计方法。 天津大学硕士学位论文第二章k i v a - 3 v 程序简介及计算模型 第二章k i v a 3 v 程序简介及计算模型 k i v a 是由美国l o s a l a m o s 国家实验室推出的用于发动机工作过程仿真的计 算程序。1 9 8 5 年k i v a 程序问世以后，得到不断的发展和完善 4 7 , 4 8 , 4 9 】，陆续出现 了k i 、，a 2 、k i 、，a 3 、k l 、，a 3 v 、k i 、，a 3 v r e l 2 、k l 、，a 3 ve r c 和k i v a 4 。k j 、，a 程序开放源代码，给燃烧过程的数值模拟研究提供了一个框架和基础，内燃机工 作者可以根据自己的需要和愿望对其进行修改和增删，具有很强的可移植性。因 此受到全世界范围内的内燃机工作者的青睐，并得到广泛应用。 本章首先介绍k i v a 3 v 的程序结构和湍流模型；然后介绍本文所选择的计 算模型及计算模型的标定。 2 1k i v a 3 v 程序结构简介 k i v a 3 v 程序的程序结构如图2 1 所示，主要分成三个部分：前处理、主 程序和后处理。前处理的主要任务是根据发动机参数进行网格划分：主程序进行 求解；而后处理则是根据个人需要提取相关数据和图表。 图2 1k i v a 3 v 程序结构图 天津大学硕士学位论文第二章k i v a 一3 v 程序简介及计算模型 2 1 1k i v a 3 v 前处理 k i v a 3 v 前处理的主要任务是完成网格的划分。目前，按照网格划分的方 式可以分为两类( 见图2 1 ) ：一是利用k i v a 自带程序k 3 p r e p 进行网格划分； 二是利用其他的商业软件进行网格的划分，比如i c e m c f d 5 0 】。 1 基于k i v a 自带程序k 3 p r e p 的网格划分1 4 9 】 k i v a 3 v 程序的前处理程序一3 p r e p ，是一个基本的网格生成器。它将 形状复杂的几何区域分成一系列形状简单的块，对每一块划分网格，然后通过块 粘接技术再把各个块组合在一起。尽管采用块粘接技术，但k 3 p r e p 还是不能生 成形状非常复杂的网格。 i p r e p 为前处理程序k 3 p r e p 的输入数据文件，其中包含发动机的基本技术 参数，如缸径、行程、余隙等，为生成网格所划分的各个逻辑块的信息，块粘接 命令以及生成气门的有关命令等。有关i p r e p 文件中各项的详细说明可参见 k 3 p r e p 程序末的参数说明。 运行k 3 p r e p 将生成一个主程序k i v a 3 v 可以直接读取的包含网格信息的 数据文件i t a p e l 7 ，它包括所有网格顶点的坐标x 、y 、z ，网格单元及节点标志f 、 f v ，六个相邻单元的连接数据，三个单元面的边界数组和一个区域标志数组。 2 基于其他商业软件的网格划分 内燃机气道形状及部分柴油机形状十分复杂，而在一些研究中需要对这些几 何特征进行网格划分。k 3 p r e p 不能对复杂几何体进行网格划分，因而这只能依 靠专业的商业网格划分软件，如i c e m c f d 。 这些商业网格划分软件需要提供几何实体c a d 三维图，然后划分出 k i v a 3 v 需要的六面体网格，最后按照k i v a 3 v 的格式输出网格文件。 2 1 2 主程序k i v a 3 v t 4 9 】 主程序k i v a 3 v 主要完成对各控制方程的求解。k i v a 3 v 由一个主程序和 一系列不同功能的子程序组成，这样便于对程序进行改进和扩充。各个子程序的 调用通过外部输入数据文件i t a p e 5 中的开关变量值由主程序控制，便于实现有或 无喷油、层流或湍流、亚音速流或超音速流、各种边界条件等不同任务的切换。 为了节省存储空问，尽可能让各变量在需要时才占用存储位置，不被使用时就将 其存储位置让给其它变量。此外，程序运行时通过若干个输出数据文件输出程序 运行过程中的监视信息和计算结果。 k i v a 3 v 有三个输入数据文件：i t a p e l 7 ，i m p e l 8 和i t a p e 5 。其中i t a p c l 7 为 前处理得到的数据文件；如果模型包括进排气门，那么需要通过i t a p e l 8 来输入 天津大学硕士学位论文 第二章k i v a 一3 v 程序简介及计算模型 气门升程数据。i t a p e 5 主要包括发动机的基本技术参数，初始条件，燃油喷射参 数，点火时间( 汽油机) 、计算公差、仿真起止时间等数据。有关i t a p e 5 中的各 项输入数据的详细说明可参见k i v a 3 v 使用手册。 k i v a 一3 v 主程序运行后输出数据文件有d a t 幸，p l o t g m v 图形文件，o t a p e 9 o t a p e 8 和o t a p e l 2 五类。d a t * 给出随曲轴转角变化的平均性能数据：包括平 均气缸压力、温度、体积、密度、质量、喷油数据、湍流数据和动力学数据等。 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 ( g e n e r a lm e s hv i e w e o 来 处理，它也是由美国l o sa l a m o s 国家实验室开发的。o t a p e 9 用于后处理，其中 包含气缸中各点的指定曲轴转角的件能数据。在用商业软件进行后处理时，不同 的软件要求不同的输出格式，这需要在k l v a 3 v 程序中做相应的修改。o t a p e8 中为重新计算所需的信息。o t a p e l 2 中则包含发动机相关技术参数、程序运行过 程中显示器显示的监视信息、错误信息以及气缸中各种物质组成的相关信息。如 果运行失败，可以依据屏幕提示和o t a p e1 2 进行检查和分析，寻找程序运行失败 的原因。 2 1 3 后处理 后处理只要是根据需要对主程序的计算结果进行数据或图表的提取。 k i v a 3 v 的后处理按处理方式可以分为两种( 见图2 1 ) ：一种基于k i v a 3 v 的 后处理程序k 3 p o s t ；另一种则上基于其他商业后处理软件，如f i e l d v i e w 、t e c p l o t 等。 k i v a - 3 v 的后处理程序k 3 p o s t 以其主程序的输出数据文件o t a p e 9 及i p o s t 为输入文件，运行后可得幸p s 文件若干。p s 文件的多少取决于i p o s t 文件中的 请求。p s 文件可用c g s ( c o m m o ng r a p h i c ss y s t e m ) 软件来处理，c g s 也是由美 国l o s a l a m o s 国家实验室开发的。 f i e i d v i e w 、t e c p l o t 是目前k i v a 使用者常用的后处理商业软件。本文采用 f i e l d v i e w l 0 0 作为后处理软件，通过o t a p e 9 与f i e l d v i e w l 0 0 之间的接口程序l ( 2 将o t a p e 9 转化为f i e l d v i e w l 0 0 能读取的 u n s 文件和幸f v p 文件，从而获取丰富 的流场信息，如比动画、曲线图、立体图及各参数的浓度分布图等。 2 2k i v a 3 v 程序的湍流模型 k i v a 程序中的湍流模型包括标准k - 双方程模型和重整化群( r n g ) k - e 湍流模型以及亚网格尺度( s g s ) 模型，用户可根据需要选用或者植入别的模型。 天津大学硕士学位论文 第二章k i v a 一3 v 程序简介及计算模型 1 k - e 双方程模型 k i v a 程序中的k 吒双方程模型经过了可压缩修正【5 1 1 ： 昙c 舭v 删= 一m ：v m v 七卜 扣蒯= 一( c ，) 砂m v 1 + 妻 c l 盯：v 厅一g 胪+ c 旷5 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 其中 缈5 为与喷雾的相互作用而产生的湍流源项； 一( ；e 。一c ，) 影历为体积膨胀产生的源项。 c l 、c 2 、c 3 、c ，、e 。、p 。为湍流模型中的常数( 见表2 - 1 ) 。 2 r n gk 吨湍流模型 r n gk 双方程湍流模型是在标准k 吒双方程湍流模型的基础上改进得到的 1 5 2 1 ，r n gk - 双方程模型如下： 式中： 掣m ( 删一詈印讲棚吼v 【( 畚肌】一胪渺 t a ( p c ) + v ( 加) = 一( ；q g + 2 c # c , 7k v 呐胛面( 2 - 3 ) + v 【( 睾) v 占】+ 知( g c 。) o r ：v 厅一c 2 胪+ e 矿】 k 为湍流动能，k j m 3 。 为湍动能耗散率，m 2 s 3 。 c i 、c ：、e 、p 气、p i 为常数( 见表2 一1 ) q = 型等秀笋立，7 = 黜尼是无量纲应变率或者平均流时间尺度与湍流 时间尺度之比。州2 踮) l ，2 是应变率张量的黼毛= 爿考+ 鲁) ， r 。是7 7 在均匀剪切流中的典型值，取为4 3 8 ，0 0 1 2 。 c 3 ：- 1 + 2 c , - 3 m ( n - _ = 1 ) + ( - 1 ) f 6 c 一, c q r ，当v ow 0 时。万= 0 ； l i 睹霉相百作用产华的源币 天津大学硕士学位论文第二章k i v a - 3 v 程序简介及计算模型 表2 1 压缩修正k 模型和r n gk - 湍流模型常数对比 c u c 1c 2gp 0耽吼 6 e r n g0 0 8 51 4 21 6 8 计算式 l 1 3 91 1 3 94 3 8o 0 1 21 5 k k o 0 91 4 41 9 21 01 o1 31 5 3 s g s 模型 该模型湍流粘度公式： 朋：去p 如z r ( s ：s + s o z ) ； 朋2 万p k 。r 【窆：e + ) 。( 2 4 ) 其中为网格单元最大边长；s 为流体应变率张量；s o 是柱坐标系中的附加项： k d 为无量纲经验常数【5 3 1 。 除了以上三种主要湍流模型外，一些研究机构在k i v a 程序中加入了雷诺应 力模型( r s m ，r e y n o l d s - s t r e s sm o d e l ) 和大涡模拟( l e s ，l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 4 4 , 4 5 1 。但是r s m 和l e s 对计算机的要求非常高，以致目前还未能广泛使用5 4 1 。 2 3 计算模型标定 r n gk - 模型在柴油机缸内流场模拟研究中得到了广泛认刚5 5 , 5 6 1 ，但其模拟 结果和经过压缩项修正的k - 模型给出的结果并没有太大的区别4 1 1 。本文采用经 过可压缩性修正的k - e 湍流模型。 研究表明1 4 1 ，进气过程缸内流场受气道影响较大，当进气门关闭后缸内流场 很快趋于均匀。在压缩冲程初期，缸内涡流和湍流分布基本均匀，这时气道的影 响仅表现在进气充量和缸内平均涡流比上。当活塞接近上止点时，燃烧室形状开 始对流场发生影响，流场的均匀性遭到破坏。本文重点分析压缩上止点附近缸内 的流动特性，因此以压缩冲程某一时刻作为研究的初始时刻，并设置初始缸内流 场为均匀场。 表2 - 2 试验发动机参数 表2 3 可压缩修正k - 1 5 湍流模型系数 8 天津大学硕士学位论文 第二章k i v a - 3 v 程序简介及计算模型 p a y f i 等采用l d v 技术对图2 - 2 所示的燃烧室内的速度场进行了测量，测 点a 和b 与缸盖的距离分别为1 2 m m 和1 6 m m ，距离气缸中心3 4 m m 。发动机参 数见表2 2 。本文采用k i v a 3 v 对这两种燃烧室时的缸内流场进行了模拟，计算 时选用的湍流模型系数如表2 3 ，计算初始条件与p a y r i 等的实验条件相同；模 拟与实验结果的对比如图2 3 、2 4 、2 5 、2 - 6 所示。 燃烧室i 燃烧室i i 图2 2试验发动机燃烧室结构参数 a 点b 点 图2 3燃烧室i 湍流脉动速度计算值与实验值比较 a 点b 点 图2 - 4 燃烧室i i 湍流脉动速度计算值与实验值比较 天津大学硕士学位论文第二章k i v a 一3 v 程序简介及计算模型 a 点b 点 图2 - 5 燃烧室i 涡流比计算值与实验值比较 a 点b 点 图2 - 6 燃烧室涡流比计算值与实验值比较 图2 - 3 ，2 - 4 中横坐标为曲轴转角，纵坐标为湍流强度，其计算式为芏， 其中圪= s n 3 0 为活塞平均速度( s 为活塞行程，n 为发动机转速) 。图2 5 ，2 - 6 中涡流比定义为6 0 v 2 n m ( v ，r 分别为测点a 微元体的涡流速度和旋转半径) 。 由图可见，在上止点附近模拟曲线和实验结果不仅在走势上吻合良好，而且 数值也比较接近。对比结果说明，作者的计算模型能较好模拟柴油机缸内流场实 际情况。所以可以用该计算模型研究燃烧室形状对缸内流动的影响。 天津大学硕士学位论文第三章柴油机缸内涡流比变化规律 第三章柴油机缸内涡流比变化规律 本章分析了柴油机缸内平均涡流比的影响因素，并对上止点附近各横截面上 平均涡流比分布进行了研究。 3 1 燃烧室结构及参数定义 为了明确燃烧室结构对平均涡流比的影响，作者设计了三种简化燃烧室进 行研究，它们分别为敞口型a 、直口型b 和缩口型c ，见图3 1 。这三种简化燃 烧室具有良好的可比性，它们高度一致( 均为2 0 m m ) ，容积相等，因此平均旋 转半径也相等。模拟发动机的基本参数见表3 1 。计算采用3 6 0 0 网格，气缸部分 最大网格数为2 4 层，周向网格数为7 0 层，径向网格数为1 7 层，总网格数均在 3 7 0 0 0 左右。计算从进气门关闭后某一时刻( 1 3 0 0a ) c ) 开始，到5 0 0a t d c 结束，三种燃烧室计算初始条件相同。 表3 1模拟柴油机结构参数 缸径m m 冲程m m 压缩比初始涡流比余隙高度n u n 转j 彭r p m 连杆长度m m 8 5 9 5 1 81 8 11 6 0 01 6 0 ab a ：敞口型；b ：直口型：c ：缩口型 图3 1三种燃烧室结构图 本文中，定义缸内平均涡流比和缸内总角动量为： nn 码( p ) ，：( 口) v ( 秒) 啊( 秒) ( 口) 2 s w ( o ) = 上亩 6 0 彳肘( 口) = 砚( 口) e ( p ) ，：( 秒) i = l c ( 3 1 ) ( 3 2 ) 天津大学硕士学位论文 第三章柴油机缸内涡流比变化规律 式中，m ：质量；r ：旋转半径；v ：旋转线速度；0 ：曲轴转角；n ：发动机转速； 下标i ：微元体序号。n 为所计算微元体的总数。 3 2 柴油机缸内平均涡流比的影响因素 图3 2 是缸内平均涡流比随曲轴转角的变化曲线。从图中可以看出，三种燃 烧室的缸内平均涡流比随曲轴转角的变化规律基本相同。仔细观察上止点附近数 值可以看到，缩口燃烧室c 涡流比略低于其他两种燃烧室。 图3 2 缸内平均涡流比随曲轴转角变化 曲轴转角 t d c 图3 3 缸内角动量随曲轴转角变化 图3 3 给出了各燃烧室缸内总角动量随曲轴转角的变化历程。从图中可见， 各燃烧室角动量变化规律基本相同，均随曲轴转角逐渐衰减。缸内初始角动量是 气体流经气道时获得的，在气缸内，流体在切向只受到壁面摩擦力和流体粘性力 的作用，根据能量守恒定律，角动量不会增加，只能不断减少。在压缩冲程活塞 靠近上止点时，气缸内的气体被压入燃烧室，旋转半径缩小，缸内气流运动更剧 烈，摩擦耗散增大，所以角动量迅速下降。但由于回转半径减少的更剧烈，所以 总的结果是涡流比( 切向速度) 急剧增加( 见式3 1 ) ；当活塞越过上止点向下运 动时，气体冲出燃烧室，回转半径迅速增加，所以涡流比( 切向速度) 急剧下降， 因此涡流比在1 5 0a t d c 形成了一波峰( 见图3 2 ) 。正如文献p 5 j 指出的那样， 缸内平均涡流比并不关于上止点对称。这是因为上止点后流体的角动量低于上止 点前的角动量。 燃烧室c 入口处流动截面形状变化较大，摩擦耗散剧烈，因此角动量下降 的较快，燃烧室b 次之，而燃烧室a 则下降最为缓慢。三种燃烧室平均旋转半 径相同，因此燃烧室c 在上止点附近的缸内平均涡流比略低于其它两种燃烧室。 所以，缸内平均涡流比主要取决于平均旋转半径、缸内角动量、和摩擦耗散，并 天津大学硕士学位论文第三章柴油机缸内涡流比变化规律 且随平均旋转半径减小而增加、随角动量增加而增加，随摩擦耗散增加而减小。 文献1 4 l j 认为缩口燃烧室增加了缸内平均涡流比，实际上是文献【4 l l 中缩1 3 燃 烧室平均回转半径较小之故。文献1 4 3 】表明，初始涡流比或压缩比增加( 其压缩比 的变化通过调整余隙高度来实现) ，上止点附近平均涡流比均增加。压缩比增加 时，余隙高度减小，更多的进气充量进入燃烧室，所以压缩比增加实际上是气体 平均旋转半径减少；初始涡流比增加，则初始角动量增加。无疑这两者均会增加 上止点附近平均涡流比。 3 3 燃烧室横截面平均涡流比分布 图3 - 4 给出了1 0 0a t d c 和0 0a t d c 两个时刻燃烧室横截面上平均涡流比的 变化情况，图中横坐标为横截面在竖直方向( z 向) 的位置，定义燃烧室底部截面 位置为0 。对于缩口型燃烧室c ，随z 向高度增加，气体旋转半径缩小，所以， 横截面切向涡流比逐渐增加。压缩过程中，气体从气缸经燃烧室入口，逐渐运动 到燃烧室底部，这个过程存在摩擦耗散损失，气体角动量迅速降低。所以，对于 直口型燃烧室b ，虽然气体旋转半径相同，各横截面切向涡流比也不尽相同，而 是靠近燃烧室入口涡流比大，靠近燃烧室底部涡流比小；对敞口型燃烧室a ，底 部旋转半径减小，能够抵消部分截面角动量的摩擦耗散，因此横截面切向涡流比 基本保持不变。 ( a ) - 1 0 0a t d c ( b ) 0 0a t d c 图3 - 4 横截面上涡流比随高度变化曲线 从图3 _ 4 还可以看到，不同时刻不同燃烧室时横截面平均涡流比沿z 向的变 化各不相同。以缩口型燃烧室c 为例，在1 0 0a t d c 时刻( 图3 - 4 a ) ，横截面平 均涡流比大致随z 线性增大；而在0 0a t d c 时刻( 图3 - 4 b ) ，横截面平均涡流比 天律大学硬学位论立第二章柴油机缸内涡流比变化规律 梯度有两个较大区域：靠近入口处和靠近底音| f 处，i i 中部截面平均涡流比梯度较 小。对于直u 型燃烧室b 横截面涡流比也有类似的特征：对于敞u 型燃烧室a 由j 截面半径的影响横截面卜涡流比的类似特征相对鞍弱。 图3 - 5 给出了- 1 0 。a t d c 和0 0 a t d c 时三种燃烧室纵截叫上的流场结构图。 南图可见，气流进入燃烧室后在纵截面上形成了两个方向相反的涡冈，这些涡团 实际上是以气缸中心为轴线的涡环，靠近燃烧室中部的是一个较大的涡环，处于 燃烧室八u 外缘的是一个较小的涡环。同时，1 0 0 a t d c 时并燃烧室纵截面上的 太涡环相对于0 。a t d c 叶刻明显衰减而小涡环则基本保持不变。 j j ：琵孑一 ：j 姜 l 懋； - _ ， 嚣 ! l 1 t ， ， l 匿“ 掣 o ￥| 目ii _ j ；心： t 强 ! ! ；。 j - 攫 巷 l 蓠 要： ，￥hoi_i 土： 簿 r ， 3 0 m m i! t ：二： 3 0 m s ： 罔3 - 5 二三种燃烧室纵截面流场结构图 比较图3 - 4 、3 - 5 可以看到，凡在涡王f = 作用区横截面平均涡流比梯度就大： 离开涡环作用区，横截而平均涡流比梯度就小。涡环作用越大，横截面平均涡流 比变化就越剧烈：涡环作用趋弱，横截面平均涡流比变化趋缓。图3 - 5 巾，在1 0 0 a t d c 时刻考察医域内只有一个涡环( 靠近 口外缘的小涡环，即使对z = l7 i c m 截面影响也不太明显) 对应翻3 - 4 a 上一个大的涡流比梯度区：在0 0 a t d c 时刻 ( 图3 - 5 巾) 燃烧室内有两个涡环，对应图3 4 b 上两个大的涡流比梯度区。同 时，由缸内平均涡流比的定义可知( 式3 - 1 ) ，涡流比是角动量的一种表征。罔 3 - 4 、3 - 5 存在的这种一一对应关系使我们认识到，涡环起着传递角动毓的作用。 天律大学碰l 学位沦文翦三章柴油机缸内涡 j ；c 比变化规律 涡环强度越犬横截面r 均涡流比梯度越人，横截呵问角动地传进速率越大 3 4 燃烧室横截面切向速度分布 涡环不仅能够加快横截面之间角动量传递而且影响着同一横截面内切向速 度分布。| 冬| 3 -