毕业设计（论文）-基于Fluent对EGR影响2.0L柴油机性能的仿真分析.doc

本科生学号：42111328本科生毕业论文基于Fluent对EGR影响2.0L柴油机性能的仿真分析The NumericalSimulation Based on Fluent on the EGR Influencing Performance of 2.0L Diesel Engine学生姓名： 学生班级：学生学号：学 院： 汽车工程学院 专 业： 热能与动力工程（汽车发动机） 指导教师： 职称： 教授 2015年5月吉林大学学士学位论文（设计）承诺书本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期：2015年5月29日 中文摘要中文摘要由于环境污染程度的加剧，世界各国出台了越来越严格的排放法规，用于限制汽车污染物排放。废气再循环系统（Exhaust Gas Recycle, EGR）是降低NOx排放水平的有效手段。本文利用Fluent软件建立燃烧室三维动网格模型对国产某2.0L柴油机性能及排放水平进行仿真研究。仿真过程采用ICEM CFD软件对发动机燃烧室三维模型进行网格划分，并通过Fluent软件对发动机燃烧进行仿真。通过对比仿真结果和发动机台架试验数据，对仿真的准确性进行验证，并利用仿真结果确定发动机不同工况的EGR率。通过分析发现，Fluent对发动机性能的仿真准确性较高，可以部分替代发动机台架试验；发动机在燃烧过程中，随着EGR率的提高，NOx排放水平明显下降，同时HC排放略有上升，动力性有一定程度的下降；发动机在不同工况下适用的EGR率不同,在怠速和全负荷工况下，应关闭EGR系统，在同一转速下，EGR率随负荷增加而减少。关键词：柴油机；废气再循环（EGR）；Fluent；ICEM CFD；EGR率；NOxAbstractAbstractDue to environmental pollution intensifies, more and more stringent emission regulations were introduced to limit car emissions. Exhaust Gas recirculation system (EGR) is the effective measure to reduce NOx emission levels.The paper made a 3D dynamic grid simulation on combustion process and emission levels of a domestically produced 2.0L diesel engine. The ICEM CFD was used for grid partition and the Fluent was used for numerical simulation on combustion process. The accuracy of the simulation is verified by comparing the simulation results and the engine bench test data. At the same time, the most suitable EGR rate of different working condition was determined by the simulation results.Through the analysis found that simulation on combustion process by Fluent is quite accurate, and the way of numerical simulation could partly replace the engine bench test. During the combustion process of engine, with the increase of the EGR rate, NOx emission levels significantly decreased, HC emissions increased slightly at the same time, and the dynamic performance has a certain degree of decline. The most suitable EGR rate is quite different in different working condition, the EGR system should be closed in idling and full load condition, and in partial load condition, the EGR rate should decrease while the load increase in the same engine speed.Key words:Diesel engine; Exhaust Gas Recycle (EGR); Fluent; ICEM CFD;EGR Rate; NOx目录目录第一章绪论11.1 论文研究背景11.1.1 环境污染及排放法规的发展11.1.2 柴油机的现状与发展趋势31.2. 柴油机废气再循环系统简介41.2.1 外部EGR方式51.2.2 内部EGR方式61.3. 国内外EGR技术的发展现状71.4. 论文的研究意义及研究内容9第二章柴油机燃烧室网格划分112.1 柴油机燃烧室模型112.2 ICEM CFD软件简介122.3 运用ICEM CFD对燃烧室进行网格划分14第三章燃烧过程的Fluent仿真193.1 Fluent软件简介193.2 动网格设置203.2.1 光滑弹簧模型203.2.2 动态铺层模型203.2.3 局部网格重新划分模型213.2.4 动网格模型的选择和设置213.3 运算物理模型设定233.3.1 能量守恒模型233.3.2 湍流模型243.3.3 燃烧及污染物模型253.4 运算初始化和监视器设定263.4.1 边界条件的设定263.4.2 运算初始化273.4.3 监视器设定283.5 Fluent仿真运算过程29第四章试验条件及方案314.1 试验设备314.2 试验方案32第五章仿真及试验数据分析335.1 仿真数据准确性验证335.2 影响NOx生成的因素345.3 不同工况下EGR率的选择395.3.1 1012r/min，10%负荷395.3.2 1597r/min，10%负荷405.3.3 1597r/min，20%负荷405.3.4 1597r/min，45%负荷415.3.5 2738r/min，10%负荷425.3.6 2738r/min，40%负荷435.3.7 2738r/min，60%负荷44第六章结论45第七章工作展望47致谢49参考文献51III第一章绪论第一章 绪论1.1 论文研究背景1.1.1环境污染及排放法规的发展近年来，环境污染已经成为一个严重的社会问题引起全人类的关注。中国作为一个世界上最大的发展中国家，改革开放以来发展模式一直是先污染后治理，在一定时期内帮助中国经济快速发展，但与此同时环境压力也一直困扰着这个国家。图1中国各地日均空气污染程度几年前人们认为环境污染只是山西等省的个别现象，但现在已经成为全国性的普遍现象了1。2013年全国城市霾天数将近40天，比2012年增加了18.3天，是史上最多的一年2。这些事实清楚地揭露了中国环境污染的严重程度和生态脆弱程度。华尔街见闻在3月刊登的这张图片，直观地显示中国城市污染程度3。为了控制汽车尾气，降低污染物排放，世界各国相继出台强制性的排放法规，而且法规力度逐步加大。目前，世界上主要制定排放法规标准有美国、日本和欧洲，其中美国最早开始着手制定排放法规，其后是日本和欧洲。发展到今天，三大汽车排放法规体系对污染物的限值已经很接近了，仅仅是侧重点稍有不同。表1 中国重型车用柴油机排放法规表2 日本、欧洲和中国的重型车排放实施时间，NOx限值和PM限值我国汽车排放法规起步比较晚，但是现在已经跟上了欧美发达国家的水平。以柴油机为例，国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局在2005 年 5 月 30 日发布的车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法中国、阶段指出国家计划于2008年起开始执行国标准，2010年执行国标准，2012年执行国标准。目前，国标准已如期执行，而由于燃油和技术的原因国标准推迟执行。我国重型车用柴油机排放法规的限值见表15、6。表2为美国、日本、欧洲和中国的重型车排放法规实施时间，以及NOx和PM的排放标准7。随着环境问题引起大家的重视，对污染物主要制造者的汽车发动机的技术革新势在必行。如何进一步优化车用发动机的性能，减少污染物的排放量，是发动机今后的重点研究方向。中国内燃机工业协会副秘书长魏安力先生在中国柴油机产业的发展现状及趋势中指出，提高燃烧热效率，提高机械效率，实现热管理，提升产品性能水平，实现产品的一致性，这些都需要优化柴油机技术的燃烧技术、高效机外净化技术，控制排放以确保降低燃油的消耗。提到了优化柴油机燃烧技术，我们就必须明白一个良好的缸内燃烧一定对应着一个良好的放热规律。放热规律决定了柴油机的动力性、经济性和排放特性，针对柴油机性能的要求有目的的控制放热规律是使柴油机达到性能目标的一个有效途径。 9。1.1.2柴油机的现状与发展趋势近10年来中国经济高速增长，随之而来的是中国汽车保有量持续增长，依据最新数据，中国汽车保有量已经占到全球汽车保有量的10%。这种现象一方面显示在现有的经济格局下，中国经济的发展程度将对世界汽车市场产生重大影响；但与此同时由于大量化学燃料的使用，环境污染将变得越来越不可忽视。如何降低由汽车发动机燃烧化石燃料造成环境污染是摆在汽车行业面前最重大的课题之一。传统的柴油机受限于燃烧技术，存在功率小，急加速性能差，燃烧噪音大，冷启动困难的致命缺陷，在很大程度上减少人们购买柴油车的热情。但是在80年代之后，高压直喷、可变涡轮增压，废气中冷再循环等新技术在柴油机上逐步得到普及和应用，柴油机在经济性上的优势逐渐得到展现，驾驶乐趣也不短提升。毫无疑问，柴油机在未来的几十年依然会在汽车行业占有重要地位。如今，现代轻型柴油机普遍采用高压共轨技术、四气门技术、涡轮增压中冷技术等现代柴油机技术，此外配合废气后处理装置，柴油机机在动力性，经济性和排放性能等方面取得了卓有成效的进步。随着技术发展，柴油机的发展历程从最初的涡流室产生涡流帮助油气混合燃烧，到缸内直喷技术，再到高压共轨技术，直到准均质混合（HCCI），这样的发展历程，逐步提升柴油机的性能，使其运行的更加完善。1.2. 柴油机废气再循环系统简介废气再循环系统（Exhaust Gas Recycle，EGR）是一种可以有效降低NOx排放的手段，该技术已经在轻型柴油机上得到了广泛的应用。众所周知，为了抑制柴油机在燃烧过程中产生HC和微粒，现代柴油机普遍采用高压共轨技术，同时采用较高的空燃比，以保证燃料充分燃烧。但随之而来的是燃烧过程始终存在的富氧和温度过高的情况，导致大量的NOx在燃烧过程中产生。EGR技术是在发动机进气过程将适量从气缸内排出的废气引入气缸中参与下一循环的燃烧。由于废气中存在大量的CO2和气态H2O，可以降低进气充量中氧气浓度，进而抑制NOx的产生。EGR率可以用来表示EGR系统的工作强度。通常EGR率的定义为：EGR率=QW/OEGR-QEGRQW/OEGR100%式中，QW/OEGR为无EGR是进入气缸的空气量；QEGR为有EGR是进入气缸的空气量。a) b)图2 外部EGR方式a)低压回路EGR方式 b)高压回路EGR方式根据EGR中废气的回流方式，车用增压柴油机的EGR系统分为外部EGR方式和内部EGR方式1.2.1 外部EGR方式外部EGR方式根据进排气管的连接方式不同分为低压回路方式和高压回路方式，如图2所示。低压回路EGR方式是将压气机入口端和废气涡轮出口端直接连接在一起，这样就可以实现EGR（图a）。因为压气机入口处长期处于负压状态，而废气涡轮出口压力始终保持正压，所以适当地连接EGR回流管，可以轻松实现EGR。但由于这种方式存在明显缺陷，从气缸中排出的高温气流直接流过压气机和中冷器，在正常使用的过程中就会对压气机造成腐蚀并污染中冷器。a)b)图3 内部EGR方式a）正常排气b）EGR凸轮顶开排气门实施EGR后必定会对发动机可靠性和耐久性造成不良影响，在实际应用中更多采用高压回路EGR方式（图b）。直接将压气机后的中冷器出口端和废气涡轮入口端连接起来，就可以实现EGR。由于这种EGR方式没有高温尾气流过压气机和中冷器，所以对压气机和中冷器的污染和腐蚀不复存在；但这种连接方式下，EGR率的大小完全由排气压力和进气压力之差决定，当发动机处于中大负荷工况下时，由于进气压力过大，EGR无法实现。1.2.2 内部EGR方式内部EGR方式是充分利用进排气管中的气体谐振实现EGR的方式。对发动机各工作循环，在进气管和排气管中气流的脉动都很大。在排气行程中，气缸内的压力比较接近排气管压力；而进气行程中，气缸压力与进气管压力相近。而且在进气行程中，排气管内由于其他气缸的排气压力的作用，也存在较大的压力脉动。在这种压力脉动的作用下，使某一缸在进气过程中，其排气门处出现正压波。此时，如果能再次开启排气门，就可以实现EGR。这种EGR方式叫做内部EGR方式。为了实现内部EGR方式（图3），在排气凸轮中除了控制排气所需凸轮（主凸轮）以外，又增设内部EGR专用凸轮。通过这种机构，在进气过程中的适当时刻再次开启排气门，使排出的废气再次回流到气缸内部，以实现EGR。由于内部EGR系统不需要排气节流，所以不影响泵气损失，因而对经济性几乎不存在影响，同时不需要EGR阀以及EGR管路，所以结构较为简单。81.3. 国内外EGR技术的发展现状EGR系统是汽车柴油发动机NOx排放满足各国强制性排放标准关键技术之一。EGR的技术方案已经完全成熟，并已经成为世界各国柴油机燃烧排放技术中的标准配置。最早，EGR技术是汽油机的排放净化技术。从70年代开始国外就将研究目标转向柴油机EGR技术。目前应用的EGR基本上都结合了电控技术使其控制更加精确所有工况都能实现最佳EGR率。各汽车品牌厂商已经很成熟地运用EGR技术降低NOx排放，如福特公司在其1.8LTCI、奔驰公司在其2.5LOM605 以及大众汽车公司的1.9LTDI 轿车柴油机上都采用了EGR系统降低NOx的排放。当然EGR技术在重型柴油机上的应用效果更为明显，就重型车用柴油机而言目前更多地使用中冷EGR技术。因为这样的技术方案不仅能明显降低NOx排放水平，还能同时保证HC和碳烟的排放水平负荷排放法规要求。限制EGR技术在柴油机上广泛使用的主要障碍是柴油机的HC和碳烟排放会随着EGR技术的应用而升高，尤其是在在高负荷的工况下，这一缺陷格外明显。国内清华大学欧阳明高等人在一台1.3升的高压共轨发动机上进行了EGR试验结果表明在EGR率达到20%时NOx显著降低固体颗粒物却只有略微的上升。上海交通大学邓康耀等人对一台单缸发动机进行了改装采用了高压共轨喷射系统并且采用的是两极喷嘴实现预喷和主喷两个阶段。当发动机刚起动或冷却水温度比较低时辅助喷嘴工作当冷却水超过70 度时主喷嘴开始工作并且辅助喷嘴处于备用状态。在这台发动机上安装了EGR系统这样就可以实现对气体排放物的降低。选定一转速后调整EGR率发现有的工况点烟度值随着EGR率的增加有所下降。还得出了EGR对预混合燃烧阶段也起到了关键的作用。日本Hitoshi Yokomura等学者对重型柴油机上进行EGR瞬态实验，该实验建议性讨论最优EGR控制方法以降低瞬态排放。试验设定发动机转速为额定,在发动机负荷从40%增长到60%，从60%增长到80%的过程中，将EGR的停止时间分别设置为0、1、3、5s，结果显示对碳烟峰值的下降程度基本无影响，并且发现停止时间越短产生的NOx少。美国密歇根大学TimothyJaCObs DennisAssanis 等人在一台6 缸12.7 升增压中冷发动机上进行试验通过采用VGT来驱动EGR实现废气再循环电控EGR阀可以满足EGR率精确的响应度选择了1200r/min、20%负荷和50%负荷、1800r/min 中等负荷条件下试验结果表明在较低的A/F 下增加EGR率NOx明显下降并且在高转速下NOx的排放并没有随着VGT 压力的提高而受到负面的影响。电控EGR不仅可以实现整个工况范围内EGR率的精确控制保证EGR技术和发动机性能的优化匹配而且可以使EGR技术和柴油机其它后处理技术相结合达到整体排放性能最佳。所以电控EGR是进一步实现低排放的基础。开环EGR虽然控制简便但精度相对较低。为了达到更为严格的、排放标准需要采用高精确率的闭环控制若同时辅以冷却EGR可以使排放与燃油经济性两方面达到最佳平衡。EGR与其它技术相结合是改善发动机整体性能的总的发展趋势。采用氧化催化剂与EGR反馈控制能同时改善PM和NOx采用高压共轨喷油系统结合高EGR率可使NOx和烟度同时大幅下降改进燃烧系统和冷却EGR可进一步降低NOx排放。内部EGR技术在增压柴油机上的应用是一发展趋势。VGT可变截面涡轮增压系统和EGR形成了良好的匹配发动机的其它性能如燃烧放热率、热效率、输出功率等都得到很好的改善。因此VGT和EGR联合应用也是未来技术的一个发展趋势。1.4. 论文的研究意义及研究内容在EGR系统的使用过程中，由于氧气浓度下降，可以帮助发动机降低NOx的排放，但同时燃料和氧气接触面积减小，这会直接导致发动机燃烧过程燃烧持续期增长，燃烧温度和最高爆发压力下降。发动机的动力性和燃油经济性将会有不同程度的下降，同时HC和颗粒的排放会上升。随着EGR率的升高，这种趋势将变得格外明显。本文着重解决发动机在不同工况下的EGR率的确定。不同工况下的EGR的确定必须保证在要想最大程度地使NOx减少又不影响柴油机经济性和HC与微粒排放。本文结合实验和仿真软件Fluent对2.0L高压共轨直喷增压柴油机进行仿真计算，研究不同的EGR率，对柴油机燃烧过程和性能的影响。主要研究内容如下：1. 了解车用柴油机技术发展趋势，以及EGR系统的背景与现状；2. 利用仿真软件Fluent建立柴油机燃烧室仿真计算模型，进行台架实验数据与仿真数据对比验证；3. 针对不同工况下，利用实验与仿真数据综合分析EGR率对发动机燃烧过程、经济性、动力性和排放特性的影响。17第二章柴油机燃烧室网格划分第二章 柴油机燃烧室网格划分通过Fluent进行发动机燃烧室进行CFD仿真属于有限元仿真的方式之一，需要对仿真模型空间进行离散化，即进行网格划分。网格划分质量直接影响仿真的结果和精度，是燃烧数值模拟的前提。对燃烧仿真来说，网格划分是仿真不可或缺的一部分。2.1柴油机燃烧室模型本文中采用的发动机是一台2.0L4缸高压共轨涡轮增压柴油机，发动气缸直径为83mm，冲程长92mm，连杆长度为148mm。发动机燃烧室采用型活塞顶，同时不设置预燃室。发动机燃烧室具体参数参见表3，燃烧室平面图见图4.缸径：83mm冲程：0.092m连杆长：0.148m燃烧室容积：21.8ml燃烧室深度：14.4mm缩口比：22.8/26.2=0.87凸台高度：3.5mm凸台半径：2mm压缩比：17.6余隙高度：1.5mm表3 发动机燃烧室参数图4 燃烧室平面图根据表3中给出的燃烧室相关参数，利用CATIA软件对燃烧室和活塞顶进行建模。由于在网格划分过程中采用ANSYS自带的ICEM CFD软件，在划分网格之前应保存为igs格式并且只保留燃烧室和活塞顶的内壁面即与燃料直接接触的壁面（图5）。图5 燃烧室igs模型2.2ICEM CFD软件简介ICEMCFD是ANSYS中的一款计算前处理软件，包括从几何创建、网格划分、前处理条件设置等功能。在CFD网格生成领域，优势更为突出。作为专业的前处理软件ICEMCFD为所有世界流行的CAE软件提供高效可靠的分析模型。它拥有强大的CAD模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术、网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力。同时作为ANSYS家族的一款专业分析环境，还可以集成于ANSYS Workbench平台, 获得Workbench的所有优势。ICEM作为Fluent和CFX标配的网格划分软件，取代了GAMBIT的地位。ICEM CFD提供了高级几何获取、网格生成、网格优化以及后处理工具以满足当今复杂分析对集成网格生成和后处理工具的需求。在本文中采用ICEM CFD13.0，这是目前ANSYS公司推出的一个较新的版本，与前几个版本的软件相比，在性能方面有了较大的改善，并且克服了以前版本中一些不尽如人意的地方。ICEM CFD的网格分为平面网格和立体网格，无论平面和立体网格均可进行非结构网格和结构网格的划分。网格形式见图6。图6 不同网格形式一般情况下，非结构网格采用三角形网格和四面体网格，而结构网格采用四边形网格或者六面体网格。非结构网格在通常情况下能较好地还原几何体的几何形状，同时在网格的划分过程中较为简单，但是其网格优化能力有限，在动网格运用时容易出现负体积，通常运用于复杂几何形状的静网格划分；而结构网格划分较为复杂，需要对几何体进行块（Block）划分，但其在动网格应用方面较为简单，在仿真过程中不容易出现负体积，通常运用于规则几何形状的动网格划分。2.3运用ICEM CFD对燃烧室进行网格划分网格划分过程中应该首先将igs导入ICEM CFD中，并利用软件中的几何检查模块对燃烧室几何模型进行几何检查，查看几何体中是否存在缺陷（图7）。从图中可以看出所有的线均为红色，没有出现黄色或蓝色的线，说明几何不存在缺陷图7 几何检查结果对几何体进行检查之后需要对几何体划分部分（Part），在本文中将燃烧室顶面设置成top_wall，活塞顶面设置成move_wall，同时将燃烧室侧面设置成side_wall。这么划分部分是为了方便将网格导入Fluent之后进行动网格设定。同时由于燃烧室内部是一个充满气体的几何空间，所以应在燃烧室内部设置一个Body，确保网格出现在燃烧室内部。接下来需要对网格参数进行设定，由于活塞冲程为92mm，同时整个燃烧过程燃烧室始终处于高速运动状态，所以网格参数不宜过大，一般选用面网格尺寸在0.5-1mm之间，体网格尺寸应为8mm以下。同时，由于活塞顶的几何形状较为复杂，所以move_wall部分的面网格应进行特别细化。由于非结构网格划分较为方便快捷，所以首先进行非结构网格的划分。划分结构如图8所示。图8 非结构网格图9 网格质量检查一般来说，用于导入Fluent的网格文件质量应符合以下标准：网格质量大于0.4的网格数量应小于1000个。经过网格质量优化和检查（图9）可以知道，非结构网格质量达到了要求。但是由于在仿真中需要用到动网格，在动网格的运动过程中，由于需要对燃烧室的网格进行形变，形变过程中会出现燃烧室中心处网格尺寸过大，形变量同时增大出现负体积，所以非结构网格无法达到要求。基于这个原因必须进行结构网格划分。但是如果对整个燃烧室几何体均进行结构网格划分，由于活塞顶的几何形状较为复杂，难以进行Block设置。为了解决这个问题，笔者尝试采用两种网格相结合的方法进行网格划分。在网格划分过程中，将气缸部分和活塞顶部分分割成两个不同的Body。在活塞顶部分，由于运动过程中，活塞顶向上做平移运动，体积和几何形状并不发生形变，所以此部分依然采用非结构网格。在气缸部分，由于气缸是一个标准的圆柱体，符合结构网格对规则几何形状的要求，所以在这一部分可以进行结构网格划分。在划分结构网格进行参数设定时，应使网格尺寸略小于每度曲轴转角活塞向上运动的距离即约为0.5mm，这样在进行动网格运算时可以使动网图10 结构网格格体积变化尽可能通过减少网格层数进行运动，而尽量减少网格形变造成的负体积。通过这种方法划分的网格见图10。从图中可以看到活塞顶部分的网格是四面体的非结构网格，而气缸部分是六面体的结构网格。通过这种方法划分网格可以充分发挥结构网格和非结构网格的优势，既不会由于几何形状过于复杂而影响结构网格划分，同时又不会因为全部采用非结构网格而造成动网格运算困难，是一个扬长避短的方法。经过这样的网格划分，总网格数量约为120万，网格质量小于0.4的网格不足100个，完全符合Fluent的运算要求。同时网格数量较少在运算过程中可以有效节约电脑资源，帮助加快运算速度并提高运算结果的精度。最后将网格输出方式调整为Fluent V6，并输出msh文件就可以进行下一步的Fluent仿真运算。在下一章中将详细介绍如何进行Fluent仿真。第三章燃烧过程的Fluent仿真第三章 燃烧过程的Fluent仿真运用Fluent对燃烧过程进行仿真首先需要简化模型。为了简化运算模型，本文中的仿真忽略进气冲程和排气冲程，取消了气门等结构，避免了在动网格设置时在气门处出现负体积。从图10可以看出初始网格处于活塞下止点。如果将压缩上止点对应的曲轴转角定为0，那么在仿真时可设置此时的活塞处于进气下止点，即-180CA，在设置边界条件和运算初始化时可以设置成进气完成时发动机燃烧室环境。这样仿真只需要对发动机的压缩冲程和做工冲程进行仿真。这样就可以有效简化运算，减少对计算机资源的占用，减少仿真时间，是提高仿真效率的最佳方法。3.1Fluent软件简介Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。Fluent具有以下几个优点：1、适用面广。Fluent中包括各种优化物理模型，如计算流体流动和热传导模型 (包括自然对流、定常和非定常流动、层流、湍流、紊流，不可压缩和可压缩流动，周期流，旋转流及时间相关流等 )；辐射模型，相变模型，离散相变模型，多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。2、高效省时。Fluent将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD计算机软件群，软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。3、可以对污染物进行仿真。包括NOX 和ROX(烟尘 )生成模型。其中NOX 模型能够模拟热力型、快速型、燃料型及由于燃烧系统里回燃导致的NOX的消耗。而ROX 的生成是通过使用两个经验模型进行近似模拟，且只使用于紊流。与Fire等可以进行燃烧仿真的软件相比，Fluent无论从运算速度还是运算准确性上说占有明显优势。Fire的运算目前只针对2D模型，对于三维模型的运算尚无法达到，而Fluent既可以对二维平面模型进行计算，也可以计算复杂的三维模型。同时Fluent是ANSYS旗下软件，在进行数据后处理是可以运用同是ANSYS组件的Workbench和CFX。在后处理过程中不存在软件兼容性的问题，同时可以充分发挥Fluent的运算优势和Workbench在后处理方面的优势。3.2动网格设置Fluent中提供三种动网格变化模型，用来更新由于边界运动而产生的变形，这三种网格划分方案为光滑弹簧模型（smoothing methods）、动态铺层模型（dynamiclayering）和局部网格重新划分模型（remeshing methods）。3.2.1 光滑弹簧模型在此模型中，网格上连接任意两个相邻节点的连线被理想化为相互连接的弹簧。当一个网格边界节点发生变化或者发生位移是，与它连接的节点就会受到这个变化节点作用产生的力，这个力类似于弹簧产生的力，它与位移的距离成正比。产生的这个力会通过位移在体网格中的传播而传播出去，从平衡角度看，对于每一个节点，作用在其上面的弹簧力的合力必定为0。光滑弹簧模型可应用于含有四面体和六面体网格的流域，它只改变流域内节点的位置，并不改变节点或网格的连通性。3.2.2 动态铺层模型动态铺层方法与运动区域相邻的网格层的高度h密切相关，如果此高度大于一个计算出来的变化值，如果此高度大于一个计算出来的变化值，就将相邻层分裂成两层，如果此高度小于这个值，就将与运动区域相邻的两个连着的层合并成一个网格层。动态铺层模型常用语含有楔形或者六面体网格的流域中。3.2.3 局部网格重新划分模型在网格变化过程中，如果网格单元尺寸大于给定的尺寸最大值，或小于给定的尺寸最小值，或其网格畸变程度超过给定的最大畸变程度时，网格质量就会变差，是最后的解不能够收敛，采用局部网格重新划分的方法就是将上述质量差的网格进行标记，划分成团，并对这个团区域网格进行重新划分，直至新的网格满足所要求的尺寸和畸变程度。此方法既可以应用于面网格的重新划分，又适用于体网格的动态划分。103.2.4 动网格模型的选择和设置上文曾经提到，为了在动网格设定时可以简化运算，网格划分进行了一定程度的优化。活塞顶部分网格设置为非结构网格，气缸部分设置成结构网格。由于活塞顶部分网格并不需要进行网格形变，而气缸部分网格分为层状的结构网格，在网格运动过程中也并不需要进行局部优化，所以在动网格模型的选择上不需要光滑弹簧模型和局部网格重新划分模型，只需要选择动态铺层模型。动态铺层模型的设置参数如图11所示图11 动态铺层模型设定Fluent中专门提供了用于气缸动态仿真的动网格模块，即In-Cylinder模型，在这个模型中可以对发动机气缸的参数进行详细设定，例如发动机转速、冲程长度、连杆长度、曲轴转角等，Fluent中有内置函数可以根据这些数据对活塞的运动规律进行仿真。计算中，网格会进行自动更新。本章以1012r/min，10%负荷的工况作为例子，详细参数设置如图12所示。-180CA 30CA图13 动网格运动过程图12 In-Cylinder参数设定设定好动网格和In-Cylinder模型参数之后就可以对动网格的运动进行观测，观测结果如图13所示。可以观察到燃烧室动网格的运动过程符合发动机运动规律，并且没有出现负体积等错误，可以进行下一步的参数设定。3.3运算物理模型设定在完成动网格的设定和计算之后，需要对仿真过程中所需的物理模型进行设定。在内燃机燃烧过程的仿真中涉及到的物理模型包括能量守恒模型、湍流模型和燃烧及污染物模型。能量守恒模型控制着整个仿真过程中的能量变化；湍流模型决定了在发动机压缩及做工循环中气缸内流体的流动方式；燃烧及污染物模型可以控制燃料在气缸中的燃烧方程式，计算出放热量，并计算污染物如NOx和碳烟的生成过程。3.3.1 能量守恒模型在仿真过程中，燃烧室内的流体必须最基本的三个物理学定律：能量守恒定律、动量守恒定律以及质量守恒定律。这三个定律在计算流体力学中的应用可以表示为在任意时刻内，空间内任意单元的能量、动量和质量的增加量等于同一时间内流该单元的能量、动量和质量。这三个守恒定律由能量守恒模型进行控制，只有开启能量守恒模型才能保证在仿真过程中能量不增加也不减少，只会发生形式上的转换。开启该模型的方式很简单，只需在物理模型中勾选能量守恒模型即可（图14）。图14 能量守恒模型3.3.2 湍流模型根据雷诺数计算方程Re=vd可以简单得到在发动机燃烧室内的流动是湍流流动而非层流。Fluent中内置了湍流计算模型，通常较为常用的有两种，一般在计算外部绕流流场时采用k-湍流模型，例如整车空气动力学效应时就采用这种模型；在计算压缩、燃烧等内部流场时采用k-湍流模型。由于本文讨论的是发动机燃烧仿真，可以认为是一种内部流场，采用k-湍流模型。k-湍流模型由k和两个方程组成，其中k模型是可以精确进行计算而得到的，方程是一个经验推导公式，对湍流耗散进行计算。模型设置如图15所示。图15 湍流模型设定湍流模型选择标准模式，将Cmu设定为0.99，C1-Epsilon设为1.44，C2-Epsilon设定为1.92。3.3.3 燃烧及污染物模型从燃油喷入气缸，开始燃烧到放出热量的过程及其复杂，所以选择合适的燃烧方程及其重要，它可以帮助简化运算并提高仿真的精度。Fluent的燃烧方式主要有：组分运输模型、非预混合燃烧模型、组分PDF传输模型、预混合燃烧模型、通用有限速度模型和部分预混合燃烧模型。尽管非预混合燃烧模型是针对柴油和甲烷等气体的燃烧设计的模型，但其仿真较为粗糙，忽略湍流对燃烧产生的影响，无法精确计算燃烧过程中燃烧室内物理性质发生的变化，所以本文中的仿真采用更为精确的组分运输模型（Species Transport）。在这个模型中需要对涡流-化学反应之间相互作用的方程进行设定，可选的方程有涡耗散模型、层流有限速率模型、涡耗散概念模型（EDC）和有限速率/涡耗散模型。本文中的仿真采用EDC模型。详细设置如图16所示。图16 燃烧模型设置在完成燃烧模型建立后，在模型菜单中出现了一些具体的燃烧及污染物模型。其次应打开NOx污染模型，在内燃机燃烧中普遍存在两种NOx生成机理：热力学原因产生的NOx（Thermal NOx），即由于高温高压作用由氧气和氮气直接反应生成的NOx；另一种是在富燃料区产生的NOx（Prompt NOx），即由燃料燃烧过程由燃料、氧气和氮气发生化学反应生成的NOx，其中间产物是HCN。在NOx污染模型中应选择上述两种污染模型（图17）。图17 NOx污染物模型设置除了NOx污染物模型外还应打开碳烟污染物模型（Soot），运算模式选择两次运算。同时油滴破碎模型采用wave模型。所有运算物理模型均设置成功后，接下来需要对运算进行初始化设定初始边界条件。3.4运算初始化和监视器设定在完成物理模型设定之后需要对仿真边界条件和监视器窗口进行设定。前文提及仿真过程为了简化运算省略了进气冲程和排气冲程，在曲轴转角为-180时开始运算，所以仿真边界条件设定为进气完成时的燃烧室条件。3.4.1 边界条件的设定在仿真开始之前需要进行边界条件设定的有汽缸壁、活塞顶、燃烧室顶部和喷油器。在相关设定中，流动界面的边界条件较为简单，而与传热有关的界面边界条件难以界定。汽缸壁（side_wall）、活塞顶（move_wall）和燃烧室顶部（top_wall）的边界均设为wall，其温度分别设为420K、450K和450K，这是通过台架试验可以进行精确测定的。较为复杂的是喷油器的边界条件。在本文采用的发动机使用的是Bosch第二代高压油器，喷油器有6个喷孔，喷孔直径为0.137mm，喷油锥角为150度。为了简化运算过程，在燃烧室顶部中心点设置6个直径为0.137mm的质量流量入口，喷射压力设置为高压油轨轨压。较难处理的是喷油开闭时刻，通常有两个方法进行解决：通过编写UDF来设定质量流量入口的开闭时刻；或者在运算开始时将6个喷油器的边界条件设定为wall，当运算进行到喷油时刻时暂停计算，并将6个喷油器设定为质量流量入口（以1012r/min，10%负荷工况为例，喷油时刻为-0.5CA），继续进行运算，并在喷油结束时刻再次暂停运算，将喷油器设定为wall（在该工况下为9.5CA），终止喷油。本文的仿真方法采用第二种方法，避免了编写UDF的难度，但会使运算效率有一定程度的下降。3.4.2 运算初始化在设置好边界条件之后，就需要对运算进行初始化。在这个过程中需要对气缸中的气体进行参数设定。前文提到过，在仿真开始时模拟的是发动机进气终了时的状态，此时缸内压力为0.09MPa，即真空度为0.01MPa，缸内温度为500K。另外EGR率也在此时进行设定。在初始化过程中需要对气缸内气体成分进行设定，如EGR率为0时，氧气的质量分数为0.23，氮气为0.77；若在此工况下EGR率为30%，则氧气质量分数为0.21，二氧化碳为0.01，剩余的均为氮气。运算初始化设定如图18所示。图18 运算初始化设定3.4.3 监视器设定图19 平均压力监控在仿真过程中需要对关键参数的变化过程进行监控。首先最重要的是对燃烧室内单元格平均压力和平均温度变化过程的进行监控。这些数据也是比较仿真是否准确的重要参数。设置的方法是在Monitor中对Volume Monitors进行设置，在Report Part中选择Volume Average即网格平均值，Cell Zones选择Body，将监视器数值选定为随时间进行变化（图19）。这样就可以在运算过程中随时对温度和压力的值进行变化。其次需要对缸内的云图进行监控。在这个过程中需要先创建一个X=0的YZ平面，然后对这个平面进行云图监控，在仿真过程中需要监控的物理量有氧气浓度、燃料浓度、NOx浓度和碳烟浓度。设置方法是在Calculate Activities中创建Solution Animations（图20）。设定完成后，软件在运算过程中会自动记录相关物理量的云图在每个时间节点的情况，并在运算结束后可以输出云图变化的动画和图片。图20 云图监控设置3.5Fluent仿真运算过程上述设定全部完成之后，就可以开始进行运算。由于仿真的是燃烧过程，所以并不需要对整个发动机循环进行仿真，只需要运算到燃烧基本完成时就可以了，所以本文中设定的是在曲轴上止点之后60CA时结束运算，即运算持续时间为-180CA-60CA。每度曲轴转角进行30步运算。在运算过程中，软件会自动记录各项主要参数（如k值、值、氧气浓度、NOx浓度和持续性等）的收敛残差（图21）。经过仿真运算发现，经过模型简化的仿真，完成一组仿真大约需要2小时。图21 -154CA时的收敛残差29第四章试验条件及方案第四章 试验条件及方案在进行仿真的同时，还需要通过发动机台架试验对发动机不同工况下EGR率对发动机燃烧的影响进行试验，并对Fluent仿真结果进行验证和校正。4.1试验设备台架试验使用的样机是某型号国产2.0L直列四缸柴油机，发动机采用高压共轨增压技术，并配有EGR中冷系统，EGR形式采用外部EGR高压回路方式。喷射系统采用Bosch高压共轨喷射系统，最高喷射压力是145MPa，喷油器喷口数为6个，喷孔直径为0.137mm。发动机主要技术参数如表4所示，试验中所用的测试设备如表5所示。缸数4缸径/mm83冲程/mm92压缩比17.2排量/L1.99标定功率/转速，kW/（rmin-1）110/4000最大转矩/转速，Nm/（rmin-1）310/2000-2800表4 发动机主要技术参数表5 试验中的测试设备4.2试验方案在试验过程中需要使用控制变量法进行试验分组。为了简化试验和仿真难度，在试验和仿真过程中只选取3个具有代表性的转速，每个转速下选取2-3个负荷，每种工况选取2-3种EGR率进行试验和仿真。由于在100%负荷情况下，受进气压力影响无法实现EGR，所以在实验过程中不对100%负荷进行研究。具体试验分组情况见表6。转速（r/min）负荷EGR率101210%0%30%159710%0%20%30%20%0%15%25%45%0%3%5%273810%0%35%45%40%0%20%35%60%0%15%30%表6 试验分组31第五章仿真及试验数据分析第五章 仿真及试验数据分析图22 1012r/min，10%负荷，0%EGR率Fluent仿真与台架试验缸内压力变化曲线（-10至20CA）如上文所述，本文的主要研究目的是通过试验数据和内燃机燃烧室仿真的对比验证，寻找利用Fluent进行内燃机燃烧仿真的方法；并通过试验和仿真确定在发动机不同工况下发动机最适合的EGR率，尽可能在保证HC和碳烟排放不增加的情况下，降低NOx的排放水平。首先在确定不同工况下EGR率之前，需要对仿真数据进行验证。5.1仿真数据准确性验证上文提到过，在进行仿真的过程中，对缸内单元格平均压力进行监控，同时在台架试验中也可以对缸内压力变化过程进行监控（图22）。本文选用这两组数据作为分析仿真准确性的依据。从图中可以看出，在1012r/min，10%负荷，0%EGR率工况下，仿真结果显示缸内最高压力为5.64MPa，台架测试中最高压力为5.48MPa，误差率为2.9%，符合误差应小于10%的要求，同时最高压力对应的曲轴转角无论在仿真中还是台架试验中均为10CA。从其他工况下的仿真单元格平均压力变化曲线和台架试验缸内压力变化曲线的对比也能观察到相似的情况，由于篇幅原因，就不在文中一一列举。以上种种证据表明，Fluent仿真结果与台架试验结果拟合程度较好，误差不超过10%。这说明在上文中提及的仿真