（动力机械及工程专业论文）2135柴油机燃烧优化.pdf

太琏理工大学硕士学位论文 恭妥 内燃机的缸内流渤和燃烧是个非常复杂的过程，而求得内燃机缸内的真实情况悬 关系到缎织毫效燃烧、凑涪接敖嚣鬻重要熬毽豢，夔羞科技熬发展，内燃槐赶内过程豹 三维数德模拟在预测柴油祝佳能、指导燃烧系统设计等方面发挥了前所束祷的作蘑。它 可以代替部分发动机试验，在设计韧期进行参数优选，从而大火缩短柴油机的研制周期， 降低开发成本。 本文对1 3 5 柒滚稳在篌震苓瓣燃浇室嚣豹遴气、囔演纛然嶷过蓬遴嚣数篷专 雾，溱 确得出柴油机缸内备个时刻各个位簧的工作状态，并对计算绪果加以对比分析，最终得 出燃烧室形状对燃烧效果的影响，并得出一种较好的燃烧室结构。首先通过搜集当今正 在使露驹柴演辊燃浇童，选出霆耪燃烧室：德心掰燃烧室、妖脖掰燃烧室、取越燃烧室 和平硬燃烧室；之麓，使用s t a r - c d 系列软件分掰对这霞种燃嶷室迸行建模、划分网 格、定义动网格、设定参数、计黛、后处理。最后进行对比分析，得出燃烧效果和做功 能力较好的燃烧室。 逶j 霪数篷谤算鞫黪毙分辑，选滋了鏊释燃浇整孛最蓬豹燃烧室终秘：镶，洛茹爨烧室， 其其商激好的燃烧效巢和最佳的傲功能力，其中空气一燃油漏含气的形成遮度也是西种 燃烧室中最快的，其簿量燃油的热释放量和燃烧速度都是四种燃烧室中最好的。同时得 出国型燃烧室中燃浊的雾纯质量怒辑类燃烧室缝擒( 舞式：双搿燃烧室鞠警顼燃烧室； 半开式：镳心搬懋烧塞和长脖岔燃烧室) 孛最辩戆。本文分剐诗算了常压滋气帮增压避 气的情况，得出增压w 增加燃油同空气的接触丽积，加速燃烧过程，同时增压也提高了 燃油的雾化质量，改耱了雾化的效果，尤其是甜双0 7 燃烧室的作用更为明照。并对偏心 0 7 燃烧嶷进行7 交羧唆骧霞耋豹辨髯，透磊提羚? 工薅裁力，改善了燃烧效莱。 关键词：数值模拟；燃烧室；燃烧；喷雾；柴油机 2 1 3 5 柴油机燃烧优化 t h e o p t i m i z a t i o no ft h ec o m b u s t i o ni n213 5 a b s t r a c t t h ef l o wa n dc o m b u s t i o np r o c e s s e si nt h ec y l i n d e ro f i n t e r n a l c o m b u s t i o ne 1 1 9 i n ei sv e r y c o m p l e x ，s oi ti si m p o r t a n t 协g e tt h er e a li n f o r m a t i o ni nt h ec y l i n d e rw h i c hi sr e l a t e dt o o r g a n i z i n gh i g he f f i c i e n tc o m b u s t i o na n dc l e a ne m i s s i o n a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h e3 - dh u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h i sf l o wp r o c e s se x e r t si t s u n p r e c e d e n t e df u n c t i o ni nf o r e c a s t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fd i e s e le n g i n ea n di n s t r u c t i n gt h e d e s i g no fc o m b u s t i o ns y s t e m t h es i m u l a t i o nc a nr e p l a c ep a r to fe n g i n ee x p e r i m e n t a t i o ni n t h eb e g i n n i n go fd e s i g n ，w ec h o o s et h eo p t i m i s tp a r a m e t e r st or e d u c et h ei n v e s t i g a t i o na n d m a n u f a c t u r ec y c l eo f d i e s e le n g i n eg r e a t l ya n dc u te x p l o i t a t i o nc o s t i nt h i st h e s i s ，t h ei n l e t - a i r 、s p r a ya n dc o m b u s t i o np r o c e s s e si nd i e s e l ，w h i c hh a sf o u r d i f f e r e n tc o m b u s t i o nc h a m b e r , a r ec a l c u l a t e df o rap u r p o s et h a tg e tt h ee v e r yi n - c y l i n d e r s t a t e sa ta n yt i m e ；a n dt h e nt h en e x ts t e pi st oa n a l y z et h ec a l c u l a t i n gr e s u l t sa n dt og e tt h e e f f e c to ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e rf o r mo nt h ec o m b u s t i o n ；i nc o n c l u s i o n , a no p t i m i z a t i o n c h a m b e rf o r mi sg o t t e n i nt h eb e g i n n i n g , t h ec o r r e l a t i v ed a t aa r ec o l l e c t e da sm o r ea s p o s s i b l e , a n df o u rc h a m b e rs t r o c t u r e sa l ec h o s e n ：o f f s 醴廖c h a m b e r 、l o n g - n e c k 国 c h a m b e r 、d o u b l e c h a m b e ra n df l a t - r o o f e dc h a m b e r t h es e c o n ds t e pi st oe s t a b l i s ht h e m o d e l i n g , p l o tt h es r i 秀d e f i n e dt h em o v i n g 积禹e n a c t e dt h ep a r a m e t e r s , c o m p u t ea n d p o s t - p r o c e s sw i t hs t a r - c ds u i t e s a f t e ra l lt h e s ep r o c e s s ，t h el a s ts t e pi st oa n a l y z et h e s i m u l a t i o nr e s u l t so f t h e s ec h a m b e r sa n dt h e nc h o s et h eb e s tc h a m b e rf o r mo f t h 爨毪 w i t ht h ed i g i t a lc a l c u l a t i o na n dt h ep o s t - p r o c e s s i n g , t h eb e s tc h a m b e ro ff o u rc h a m b e r s i sg a i n e d ：o f f - s e t c h a m b e r , w h i c hh a sab e s tc o m b u s t i o ne f f e c ta n da no p t i m i z a t i o n w o r k - c a p a b i l i t y , h a sab e s ta i r - f u e lm i x t u r ep r o d u c t i o nv e l o c i t y , h a sam a x i m u me q u a l - f u e l h e a tr e l e a s ea n dc o m b u s t i o nv e l o c i t y t h es e c o n do n ei st h a tt h e c h a m b e rh a sab e s t a t o m i z a t i o nq u a l i t yi nt w os p e c i e sc h a n a b e r s ( o p e na n dl m l f - o p e n ) t h en o m a a lp r e s s u r ei n l e t a n ds u p e r c h a r g i n gi n l e ta r ec a l c u l a t e d n 玲r e s u l ti st h a tt h es u p e r c h a r g i n ga c c e l e r a t e st h e c o m b u s t i o np r o c e s s ，i n c r e a s e st h ec o n t a c ta r e ab e t w e e nf u e la n da i r , i m p r o v e st h ea t o m i z a t i o n q u a l i t ya n de f f e c tw h i c hi sv e r yn o t a b l et od o u b l emc h a m b e r c h a n g i n gt h en o z z l el o c a t i o n i nt h eo f f s e t 国c h a m b e r , t h ec o m b u s t i o ne f f e c ta n dw o r k c a p a b i l i t ya t ei m p r o v e d k e y w o r d s ：d i g i t a ls i m u l a t i o n ；c o m b u s t i o nc h a m b e r ；c o m b u s t i o n ；s p r a y ；d i e s e l i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：垒l 压日聋 日期：丝望。! 三! 丛 大连理工大学硕士学位论文 大连理王犬学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教髓完全了勰“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工 大学可以将本学位论文的全都或部分内容编入有关数据库进行检索，也可 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：到麴望 引币。乓耩华 导师签名：堂竺望 罂旦年。五月l 嚣 大连理工天学硬士学位论文 绪论 1 1 概述 装潴辊鑫1 8 9 7 年r u d o l f d i e s e l 在德国类古额壁a h g 婚n r g ) 的m a n 公司运转以来， 已有1 0 0 多年。由r u d o l f d i e s e l 研制的柴油机，起初怒靠7 m p a 的压缩空气把燃油吹入 燃烧室，这就是柴酒机必须带有一台产生高压豹空气糕缩机，使柴油机组成复杂化，由 喷油泵葶日喷酒器组成的燃濑喷射系统是从1 9 2 2 年由r o b e r tb o s c h 嚣始研铡戆。篱先是 b o s c h 的父亲f r a n zl a n g 发明了在工作原理上至今还未改变的喷油浆和喷油器。1 9 2 5 年 3 月b o s c h 钛美国a m e r i c a nc r u d eo i l 公羲l 接警了一耪囔酒裘秘一秘麓镑式囔i 委嚣，嗣 年夏天，b o s c h 公司研究成功在喷油泵柱塞上开控制槽，利用控制槽并通过柱塞的转动 藏霉改变灌量，毯麓了壹列茂缕涵泵静霉翟，1 9 2 7 年弹始或绺生产麓剜式喷涵泵，柴酒 机由此得到迅速发展【l 】。 与汽油飘辐院，柒油机关有诸多显著的特点：柴滴杌比汽油祝脊更好豹经济住，其 热效率可达4 5 5 ，是当今冬种动力机械中热效率最赢的一静；柴油机功搴大，动力性 能优越，压缩比要高于汽油机；从燃烧方式来讲，柴油机的燃料是通过高愿油泵巍接喷 入燃烧室悫压缤羞火；柴油规毂可燃浸合气是燃洼与空气分燃混合，曩实瑷分层燃烧纛 稀薄燃烧；柴油机可靠性好，有害排放物总体比汽油机低，先进的柴油机即使不采用任 俘撬筹瑟处瑾接麓，獒毒害气薅戆撑敖量瞧霉戮运至l 繁有三嚣谨纯菠应器并采焉瓣环控 制系统的汽油机的排放指标。由于柴油机具有以上特点，己被广泛应用于交通、工程机 械，矿国祝壤帮农雳瓤猿等领域，戳及船舶动力、军髑动力等装置中。丽黼着柒浦视的 威用越来越广泛，对柴油机的研究也越来越重要。 蟊前，我溺已经矮备了一定规模的低、中、高速柴油机的生产制造能力。但总体情 况是，我国船用主枧_ 琴曩发电枫组主要依靠s 进萤赆知名晶牌鲍生产诲可 正遴短生岁，磅 发能力弱，缺芝自主剞新，对引进技术的消化和创新能力不足，大型集装箱船用的大缸 径、超大珐率紫洼圭凝豢l 造技寒骞 每突破，柴涵掘一些关键零罄锌仍主要缀羧逢翻。一 些具有自主知识产权的产品缺乏市场竞争力【2 】。 另静，螯蠹大帮分戆研发模式依然疆瘸传统的“试验设计”模式，主要靠试验解决 问题，所以周期长、成本高，而国际现代柴油机采用“预测设计”，建立了经长嬲积累 并经过验证可指导设计研发工作的数据库和知识库，这样使研发周期短、成本低。如德 嚣m t u 公司5 9 5 系列枧传统研制阕期为9 年，露2 0 0 0 年攫如的m t u 8 0 0 0 系列极采用 “预测设计”研发模式，研发周期缩短为3 年半f 3 】o 隧蓑对内燃规燃滋经济性和撵敖豹要求不瑟提高，裁遥舞懿纷纷怼一擅瑟接零f 毫 臌电控喷射、预喷射、汽油激接喷射、废气再循环、代用燃料、控制燃烧技术、结构调 2 1 3 5 柴油机燃烧优化 整) 进行研究。这些技术需要对内燃机的工作过程及内燃机缸内燃烧过程有更深层次的 认识。传统实验法在确定内燃机性能参数时，不仅非常繁杂，且投资风险大，研究开发 费用高。反复修改的方法不但耗费大量的人力和物力，而且难以更深层次揭示物理现象。 内燃机工作过程数值模拟作为一门新兴的科研分支可以从理论上解释内燃机内部 的工作过程，并准确的指导工程应用。随着高速、大容量计算机的问世和迅速发展，随 着计算机数值模拟技术的不断进步，通过建立一种与内燃机工作机理和实验相吻合的计 算模型，可以得到更全面，详细的信息，如流场的结构、流场的速度、温度和压力的分 布以及环境条件和发动机运转参数的耦合，进而更好的预测内燃机的性能。因为计算机 模拟可以短时间内进行广泛的变参数研究，利用它可以减少实验的盲目性，降低实验费 用，缩短实验时间，节省大量的人力物力，从而使设计优化更方便、更有效。 数值模拟具有如下功能：第一、分析功能：影响内燃机工作过程的因素众多，彼此 之间又相互制约，过去通过实验及简单的理论分析等手段使人们对工作过程只停留在表 观认识上。多维模拟能够提供各瞬时的局部细节信息，使人们得以借此分析各因素的具 体作用，达到对其内在机理的认识。第二、预测功能：在分析各种因素作用机理的基础 上，多维模拟可以实现对内燃机工作参数变化影响的预测，由此对设计人员提供重要的 参考信息。第三、综合功能：这是建立在分析和预测的基础之上，但又高于分析和预测 的一种能力，即在对影响工作过程的各因素、发动机的各参数作用机理有了全面深入的 认识之后，能对各参数进行自主调整，充分协调各因素之间的制约作用，以实现在经济 性、动力性和排放等方面的最佳折衷。多维模型如此强大的功能使之在内燃机工作过程 模拟中发挥着不可替代的作用【4 】。 1 2 内燃机燃烧过程数值模拟的发展 内燃机的燃烧过程在各种热机和燃烧装置中最为复杂，因而也最具有典型性。内燃 机的工作过程是强烈瞬变的；其工质具有强烈的压缩性：其气缸内可能同时存在多种大 尺度运动和微小涡团的湍流运动，且二者之间有密切的耦合和相互作用：在柴油机和某 些汽油机中还存在燃油喷射产生的两相流；其燃烧室可能具有各种不同的复杂几何形 状。这系列特点使得内燃机燃烧过程的数值模拟和分析除了以计算燃烧学的通用理论 和方法为基础之外，还必须相应的建立和发展其独特的模型、方法和技巧【5 1 。 1 2 1 燃油喷射模型的发展 喷雾混合的物理过程是一个瞬变的、多维多相的复杂过程，包括燃油喷射、雾化、 液滴的裂化与聚合，油束扩散、蒸发、碰壁、喷雾和空气运动等相互作用及混合等多个 过程，是这些过程的综合与叠加。尽管在这方面作了很多的研究，但仍有很多机理尚不 十分清楚，微观过程更是复杂，因此成为内燃机理论研究的难点之一。只有通过对喷雾 一2 一 大连理王大学臻士学控论文 漫会瑗象进移骚究，揭示敷其投攥，才窍霹能缀织囊好懿混客气，设谤窭会理懿燃烧系 统，最终达到优化柴油机性能的目的。 燃灌凑雾豹硬究可器分为两大类： 一是根据流体力学、工程热力学等瑗论，制用计算机对喷雾场进行数值计算； 二是戬实验研究为基础，莉用先迸的仪器设备，将可视纯研究技术和计算机图像处 理结合起来，全嚣深入地研究喷雾的物理过程。 目前，数值模拟研究越来越受捌重视，借助于实验测量结果建意恰当的理论预测模 型，势逶过数篷模掾金嚣搽入分掇喷雾混会特戆，取褥具毒罄遥撵导意义戆臻究结莱。 用数值模拟代替大部分的实验工作，为设计计算提供依据，成为内燃机设计的有力工具。 嚷雾特毪豹理论磷究集串箨瑗在凑雾模型静研究士，囔雾模墅蠡擘骚究淹随著燃浇穰 型的发展而发展的，因此，喷雾模型的研究可分为三个阶段 4 】： ( 1 ) 熬力学模垄串的喷雾过程搦述 热力学模型中，复杂的燃烧邀程被擞象成一弹夕 界向均匀工质加热的纯热力学过 程，燃料的喷雾燃烧由一个简单的燃烧速率函数来模拟，予怒寻求禽适的燃烧速率函数 贼是将燃烧速率与燃油喷射率联系起来，便或必零维燃烧建模赦一颂主要羔撵，至于燃 料喷射后如何雾化、蒸发、混合等喷雾过程细节则不予考虑。因此，严格来说，热力学 攘型孛姨乏唼雾模型，尽警宅戆校撂敖熬率来鬏溅动力、经济佳摇标，瞧辩菝戆于燃辩 空间分布的排放性则无法预测。 0 ) 准维模型串豹喷雾模垄 准维模型开始注意喷雾过程对燃烧i 建程的影响，意识到燃烧速攀主要受控于喷雾混 含速率，并试黼通过模化的方法描示燃料喷射速率与燃烧速率之间的关系，这种关系孕 窍在燃料的雾化、蒸发、与空气混会等整个喷雾过程孛，涉及戮一系捌复杂数物毽过程。 限于当时的条件，准维模型回避了这些物理过程内部实际的因果联系，而只对其结果的 袭象热以撼述，这些接述大多鞋宏瑷缕雾特性实验藏甏察至l 瓣现象必基璃，整蘑一部分 理论分析，构成了既简单又实用的半经验喷雾横型。 ( 3 ) 多缝模翟串蠡各凑雾模垄 多维模型克服了准维模型的缺陷，不再以袭象描述过程，而是力图从微观的角度更 粪实地茇浚其中各个环节的内部作用视制。当研究工作深入到缸内过程内部时，就会发 现，内燃机的喷雾混会过程实际上是一种复杂的甄指滚动过稷。对予如此复杂的勰楣滚 动过程，数学上的描述通常有两种方法筘。】，一种是拟流体法又称连续液滴模型( c d m ) ， 将液溃鬃或是一葶孛连续夯质，蠹予受至莱些毽索戆限割，发震缓馒；另一秘是寓教滚薅 法，该方法将悬浮液滴看成与气相介质有相对滑移、且沿自身轨迹逡动的分散群，各分 教鬏粒群之簿霆不干扰。突蠢特点是兹鹫概念演颧、计算筒擎、存销量多、实雳往强、 发展迅猛。 2 1 3 5 柴油机燃烧优化 1 2 2 燃烧模型的发展 内燃机的燃烧模拟是整个内燃机工作循环模拟的中心环节。即使在常规的火花点火 式内燃机中，很多模型假定燃料和空气是预混合的，燃烧过程仍然是在一个三维的随时 间变化的紊流中发生的，燃料由几百种不同的有机化合物混合而成，其燃烧化学特性所 知不多，而且发生燃烧的燃烧室其形状随时间而变，其移动壁面直接影响过程的进展。 在柴油机和其他燃料喷射的内燃机、以及某些类型的分层充量内燃机中，由于燃料在燃 烧室中的不均匀分布以及燃料与空气混合过程的重要性，使燃烧过程更加复杂。 按内燃机燃烧过程模拟研究的时间顺序和发展层次，其大体上经历了单纯燃烧放热 率计算、零维燃烧模型、准维燃烧模型和多维燃烧模型四个发展阶段【8 捌： ( 1 ) 所谓燃烧放热率的计算，是指由实测的缸内压力数据( 示功图) ，根据能量守恒方 程和经验传热公式，推算燃油燃烧的放热过程，用以分析内燃机的燃烧，这种方法比较 简便、直观，对诊断燃烧有一定的作用，迄今在性能研究中仍受到重视。 ( 2 ) 零维模型又称单区模型。它是通过对大量实际燃烧放热过程的统计分析，找出规 律性，用经验公式或曲线拟合的方法，建立起一种表达燃烧放热过程参数间的经验关系 式，将复杂的燃烧过程简化表达成几个特征参数间的关系。如w h i t e h o u s e 的单区模型， b “be 函数等。这类模型多半是在燃烧模拟研究早期发展起来的，它们的共同特点是对 缸内过程采用了均匀性假设：假设系统内压力、温度、浓度等各项参数不随空间坐标而 变，只随时间( 曲轴转角) 而变化，故称为“零维系统”。由于把每瞬态看成是均匀的， 抽去了燃烧物理化学反应的复杂中间过程，仅把其看成是按一定规律向系统加入热量 的过程，虽然能够预估燃烧过程中的主要性能参数，但是无法从机理上去把握燃烧中物 理化学反应过程的本质和规律性。 零维系统内的状态变化可用常微分方程来描述。零维模型可以通过示功图计算放热 规律，或预先假定放热规律按v i b e 或双v i b e 函数规律变化，计算出示功图及内燃机其 它基本性能参数如油耗、转矩等。但对于排放物如n o x ，c o 姐c 和微粒等的形成，由于 是与局部温度、空燃比和各组份浓度密切相关，故采用零维模型就无能为力。另外，计 算的准确性依赖于经验系数的选取恰当与否，甚至与内燃机型式及运行条件有很大关 系。 为了解决日益严重的环境污染问题，各国政府制定了许多严格的法规，以限制发动 机的有害排放物。这些措施有力地推动了燃烧过程的研究，其中包括对燃烧过程中有害 排放物生成机理、控制、预测方法的研究。从7 0 年代开始用准维模型预测n o x 、和h c 的排放。 ( 3 ) 准维模型也叫分区模型。它是从实际燃烧的物理、化学过程出发，建立简化的燃 烧模型。与零维模型相比，它考虑了燃烧过程的中间细节，如油束的形成和发展、油滴 与空气的相对运动、气缸内工质温度分布、油滴及油气浓度分布等，将燃烧空间( 雾束 一4 一 大连理工夫学硕士学位论文 绒者火焰 翅分成若睾个区域，然螽诗冀器分嚣瘫熬瀵凄纛浓凄。这类模黧获燃烧、霹 燃混合气形成、火焰传播等现象出发，列出描述分区内各参数随时间变化的关系式，这 疆方程式豹集含，鞫残了燃烧现象模墅，或称为准维燃烧棱麓。 由于对柴油机燃烧过程分析方式的不同，目前己发展了多季申不同观点、不周功能、 不同用途的磴维燃烧模垄，其中美国康弱斯( o l m m i 玎s ) 公司秫慰梓等人提出的以气相喷 渡为基础的“气相喷注燃烧模型”葶日本广岛大学广安博之等人提出的以浊漓蒸发为基 础的“油滴蒸发燃烧模型”比较有代表僬，应用较为普遍，也比较成熟。遮类模裂般 蠢确定雾柬足挺形状及燃滚空气混会气浓度分枣熬喷注模耋、燃袋热力攀诗算攮鍪及 摊放物生成模裂构成。林慰梓等人认为：在柴油机燃烧过程中，缸内工质的温度已远远 怒过燃濑气耽豹旗赛滠度，秘踅，氛瘫熊潼只铭教熬滟蒸气欷态存在，裰耀辩馋缎莫维 奇( a b r a m o v i c h ) 稳态气相射流理论，推导出基本的燃油。空气混合方程，再由实验加以修 菠。认为燃浇过程鹃迸震，主要敬决于燃油空气的混合速率，由混合速率方程掩制整 个燃烧过程。广安博乏等人则是从单个浊滴的蒸发、燃烧规德出发，用以联究整个雾哀 肉的油滴群、油滴间的相互作用，以实验确定的修正系数加以补偿，认为燃烧过程主要 取决于燃油魄蒸发速褰。 总的来说，准维模型与嚣维模型相同，也是以时间( 或曲轴转角) 为唯一自变秦，因 魏控割秀程缘必鬻微分方程。显然罴有篱窿易髫、谤算对润少耱霞燕，毽帮都难戳精确 计算燃烧室几何参数变化、缸内气流状况变化对燃烧过程的影响。要更精确地模拟内燃 梳弱实际戆l 浇进程，就需要在气敏瘫建立歪复杂的模登。 ( 4 ) 多维模缎考虑了缸内过程物理域的二维或三维空阅分布，与零维或准维模型耀比 在性质上有很大的不同。在这类模缀中，备守恒方程与描述湍流运动、化学反应、边界 屡特征等相应骢予模型起，结合逡当约逐暴象终，羁数篷秀法求黪。其谤嬖结巢够 撼供有关内燃机燃烧过程中气流速度、温度和各组份在燃烧室内空间分布的详细信息， 楚一羲较为壤缡鲍模型。 多维燃烧模型是一个十分复杂的热力学系统，其中包含有气流运动，质量、动量和 舅薰豹褥递与转筷，燃漓豹唆袈、雾佬与蒸发，混合气的形成、着火与燃烧，传热，气 相物与微粒的排放以及( 活塞和气门) 边界的运动铭等。研究这样一个复杂的系统必须采 麓各种备样的近似方法；物瑷的、化学的和数值方法的近似等等。这些近似可分为如下 几类：( 1 ) 计算稷序和数篷方法的近似( 如曼式方法、隐式方法、差分趣 班等) ；0 ) 坐标表 示的近似( 如欧挝法、拉格朗豳法、欧拉拉格朗曰法等) ；( 3 ) 气流描述的近似一网格尺度 模型等；( 4 ) 维数远叛( 缍、二维袋三维，定耄载菲定鬻) 等。鼯搜佟7 诲多藿要蠡奄_ i 萋叛 假定，在内燃机非定常、多维燃烧的情况下，求解这样一组偏微分方稔仍有很大的因难。 鸯辩需要添燕簿耀流搂注懑含遂程弱模鍪 及j # 均矮弱点火和火焰传播篌垄，以及应用一 2 1 3 5 柴油机燃烧优化 些现象子模型，以补偿肖些细节情况的缺乏或由予计算机存贮鬟限制所带来的空间分辨 率舞不是簿筹强- 9 1 。 1 3 内燃机数值模拟面临的问题和发展 蠹爨软l i 终蓬疆懿貘羧理论耪搜零一耋在不瑟建发震耪竞耱，其在疼燃稳设诗秘研 究中的作用己得到公认，但仍存在一魑不足有待改进【1 们。 ( 1 ) 鞠前采用的仿嶷数学模型，大多数仍是借助于物理模型或相似模型的研究建立 黪，模型求艇豹边赛条 睾魏系数黪确定仍霉实验熊决，还无法成必一耱狻立豹疆究手段； ( 2 ) 建模_ 氆程中对实际过程进行的许多简化、抽象鞠假设，影确了仿真模型豹建立，从而 使计算结果和实际情况之间存在偏麓；( 3 ) 数学模型中采用的经骏公式( 如传热系数、流 量系数、敞热规律等) 熄在不同的条 牛下和不同的内燃机上通过寰验获得的，很难做到 逶惹，奁纛灞薅必矮穰攒涛猛嫠当逸撵，季弱难滋褥嚣满意熬终莱：嵇) 穆冀舞法戆疆度 与速度对乎不同的研究内容会有不同的要求，在仿真时必须根搬具体情况加以调整，因 而难以有统一的标准；( 5 ) 很多c f d 仿真软件是针对具体的工作过程和机型编制的，软 传的可移糠煌积可扩充饿较差。 虽然存在不足，内燃枫循环模羧的优越控还爨越来越为入们掰重视，茏箕是对于新 型内燃机的研制、选型及改进等方面，提供了极大的方便。今詹开展仿真研究正作的发 展方向重点有以下几个方面： ( 1 搽谗逶舍内溱橇芝终特熹熬镌褰方法，在考惑诗雾穗爱懿羲疆下，遂旋考虑诗舅 速度；( 2 ) 煎点对内燃机籀机性能进彳亍模拟研究，模型建立应力求简单，物理概念明确； ( 3 ) 软件的结构应采用开放式，具有好的移植性和扩充性；( 4 ) 仿真软件应提供友好的用 户界霭，方便人髓豹使耀；( 5 ) 注重撑敖熬研究和摸羧。 1 4 本文的研究内容 具鸯螺旋进气道戆1 3 5 柴酒凝楚上蒙公霉生产靛一款兵有巍溺滚魄鲍奎燮蹇速柴澹 枧。本文使用s t a r - c d 软件对1 3 5 紫油机中使用不同燃烧室鼯的迸气、暖涌和燃烧过 程进行数假计算，准确得出柴油机缸内各个时刻备个位置的状态，并加以对比分析，最 终分析得出燃烧室形状澍进气和燃烧效果的影响，并褥出一种最德的燃烧室终梅。通过 薤集当今蒸在傻焉魏繁滴爨熬浇室，逡窭霆耱燃烧塞，迸露数蕊模攒诗算。溺瓣，本文 使用数值模拟软件对1 3 5 柴油机的燃烧过程进行优化，进而对提升1 3 5 柴油机的工作性 能做出论诞依据。 天连理工犬学疆士学位论文 2 湍流计算的数学模型 2 1 基本守恒方稳 流体运动所遵循的规律是由物理学兰大守恒定律：质量守恒定律、动爨守恒定律和 蠢守蜒定律掰援定豹。这三大定律对流俸运动黔数学籍述就穆残了流诲力学豹纂本方 稷组n a v i e r - s t o k e s 方程组。由质量守恒定律可以得到连续方稷，由于未涉及力的 作用，鞭诧连续方程实际上楚一个运动学方程，且粘瞧流体与理想流体的连续方耩是完 全相同的。由牛顿第二定律可以推出动量方程，它是动蓬守憾定律对流体逐动规律的数 学表述。由热力学第一定律可以导出能量方程，它是能震守恒定律威用于运动流幼式的 数学表述式【1 1 】。 2 1 1 基本流动方程 s t a r - c d 对于不可压缩和可压缩流体的计算所用到的质量守恒方程和动量守恒方 糕( n s 方程) 熟t ： 去昙晦) + 毒惦) 毽 。：m 砉丢，) + 毒惦矿知) = 一言垤 ， 箕中；f 蹲闯 萎罄卡，b 坐据 壤x i 方向的绝对速度分星 q 吩一，相对于坐标系y 方向的相对速度 p 压力计压力，p = 见一岛双，就是静愿力，风是参考密度( 常 数) ，是重力分蹙，是坐标值 p 流体密度 流体威力张羹分量 屯流俸璇璧原颈 2 1 3 5 柴油机燃烧优化 墨流体动量原项分量 ；张量因子 对于牛顿流体的湍流流动，“，p 和其他因变量，包括f f ，使用给定的全局平均值”2 】： 铲2 坞一詈噜岛一面 包。， 这里“是关于全局平均速度的波动，上划线代表求全局平均的过程。最右边的项代表由 于湍流运动产生的额外雷诺应力。这些项通过湍流模型与平均速度联系起来。 2 1 2 热传递控制方程 本文热传递部分计算采用静态热焓控制方程( s t a t i ct h e r m a le n t h a l p y ) ： 去昙( 函聃考( 厩户 去丢c 西，+ 苦c 动卜p 考+ 勺考+ 一莓以 。4 这里鬼是热焓值，定义如下： 吃= c , , r - c o r o ，岛是弓方向上的热能扩散通量 s 。是物类肌因化学反应而引起的生成或消耗的速度 月：是组分辫的生成热 - ，一在某一温度丁下的平均压力比热 c ：一温度五下的参考比热 2 2 湍流模型 在内燃机整个循环中，其缸内气体始终在进行着极其复杂而又强烈瞬变的湍流运 动。这种湍流运动是内燃机工作和燃烧过程e e l - 个物理化学子过程的一个共同的基础。 它决定了各种量在缸内的输运及其空间分布，它对可燃混合气的形成及其浓度场、火焰 大连理王大学硕士学使论文 传播速率和燃烧品质、缸壁的传热及污染物的形成簿具有直接鲍、本质的影响因此， 簧歪确建麸镦蕊土模熬秘分辑内燃瓿戆燃浇，绝砖鬻不牙对觳蠹滚流运动豹纛确摇述帮 模拟四。在s t a r - c d 软件的计算过稷中使用了湍流数学模型来确定雷诺应力和湍流数 量通量。这贱模型由另外的微分方程绒代数方程组成，这些方稷将前述的未知星同选取 戆湍流场的全俸平均燕联系莛来势显舞诗算这些乎鹭量掇供7 一令撵懿。当蓥 s t a r - c d 中使用静渍流横垄主要是_ ； 一# 模型的多种变形，它稍都包含7 对予湍动能k 和湍能耗散率s 的输运方程。主要有低雷诺数k 一疗方程，标准j 一疗模型、r n g k 一占模 型。c h e r t k 一8 模型等。本文计算采用橼准k 一占湍流模型，它适用于可压缩和非可压缩的 褰霉诺数戆究全潦滚，窀是迄今凳纛在工程上疲麓爱广泛、积累经验毽最多虢模垄潍 1 3 - i 习。 湍能方程( t u r b u l e n c ee n e r g y ) ： j i a ( 污p 蠹) 毒i p f f s k - ( + 丝, 7 , j 吲a x jj 2 、 “p 。) - p s - 弘警埘) 等鸭 其中, p = - 2 s o - - 筹y ( 2 6 嚣；一盈羔挈 ( 2 。7 o jp 僦l 如一韪pu 。 u ，- - 7 鸭丝- 一 p 一詈滔+ 等) 鼍 ， 线性横趔中f = o ，吼是经验系数总控制方程右侧第一项代表由于剪切，法向 应力和浮力而产生的湍能生成，第二项为粘性耗散，第三项为由予可压缩性弓f 起的扩大 残衰减，最落一矮说臻# 线往錾零l 踅黪影旗。 湍流耗散率( t u r b u l e n c ed i s s i p a t i o nr a t e ) ： 专鲁( 函占) 告一一( 十告) 刳= c 。* 尸一弘鼍埘 卦c 书b 亿， _ c 毋专c 胡s 篆“；、咎 2 1 3 5 柴油机燃烧优化 方程右侧所代表的项类比于方程中的描述。湍流粘性“可由下式得出【1 习： h = 譬 ( 2 1 0 ) 巴是一个经验系数，经常被定为一个常数。厶是另外一个系数，当个别模型出现 时它会被定义。 方程其他系数见表2 1 ： 表2 1 标准k 一占湍流模型系数表 t a b l e2 1t h ec o e 伍c i e n t so f t h es t a n d a r dk st u r b u l e n c e m o d e l c 。o k仃e吒e 。e ：e ，e 4彭e o 0 9 1 0 1 2 2o 90 91 4 41 9 2 0 0 或1 4 4 * - o 3 3 o 4 29 0 当只 0 时c 3 = 1 4 4 ，否则e 3 = 0 标准k 一占模型，适用于离开壁面定距离的湍流区域。在与壁面相邻接的粘性支层 中，湍流雷诺数很低，因此必须考虑分子粘性的影响，即k 一方程要做相应的修改。 2 3 油气两相模型 本文所研究的流体相为气体，颗粒相为液滴，颗粒相在流体中做悬浮流动，因此为 气体一液滴两相流动，简称气液两相流动。 两相流动力学是6 0 年代开始迅速发展起来的流体力学的一个分支，属于近代流体 力学的范畴，它主要研究两相间的相互作用和两相的宏观运动规律。目前研究两相流主 要有两种不同的观点：一是欧拉拉氏法，只把流体相作为连续介质，以欧拉方式研究 其流场，而把颗粒( 液滴) 相作为离散体系，应用拉格朗日运动坐标系研究颗粒或颗粒 群在流场中的动力学和热力学特性；二是欧拉欧拉法，不仅把流体相作为连续介质， 同时也把颗粒相视为拟连续介质或拟流体，认为后者在空间中有连续的速度、温度等参 数分布及等价的输运性质。从以上两种观点出发，内燃机中两相流动研究分别发展出离 散液滴模型( d d m ) 和连续液滴模型( c d m ) 。 ( 1 ) 连续液滴模型 喷雾方程 大连璎。c 大学硕士学饿论文 等+ 毒魄，+ 毒魄，+ 昙铲，+ 毒e 店，一 ， 式中，下标d 表示液滴，r 为液滴半径，比，p 和宅分别为，和疋的时间变化 辜，蔓是考虑囊涟滤瓣鞠互终震弓| 越豹，豹深顼 b r a c c o 卅等首先通邋求解喷雾方稷建立了一个柴油机燃烧旮钉二维模型，他们忽略了 源项z ，即不考虑液滴之间的相互作用，同时还忽略了油滴温度乃的影响，并设空间为 二缝辩豫。b r a c c o 等渡甥，魏榘瀵慧下列条箨： ，= ，嘣，f 。0l 蚴= 砷，f = 0 2 一，。0 j 挖1 2 ) 则喷雾方程为双曲飘且有唯一解，同时取初始条件厂k = o 和喷雾边界条件 f ( t ， 鼍村，) = b r 2 e x p ( _ 毋) e x p ( 兰 ) 2 嘲( 兰 ) 2 唧鉴芋勺2 壤拉2吩 ( 2 i 癸 上式袭示在喷口处油滴半径和速度分布。喷雾方程的求解采用一阶精度的隐式上风 差分法，除了缸内燃油浓度场的时空变化特性外，还可以了解油滴直径、速度簿参数的 分毒麓露，壤谂上说，c d m 方法霹戮为囔雾场摄供全委详尽赘臻速，然瑟耄予诗箕量 太大，现阶 疑难坟应用予实际工程同题，所以目前入们把研究的羹点放在d d m 方法上。 ( 2 ) 离散液滴模型 d d m 蒸于蒙特卡洛方法，是一瓣统计描述，不考虑全部油漆，两只处壤葵中若于 其畜戴表瞧魏统诗徉零。每个徉本钱袋一定数霾懿大夺释状态完余籀嗣豹溜清。褥拉捂 朗日方式跟踪这些油滴样本的运动，即求解描述其逐动轨迹和传热传质过程的一组常微 分方程。液相对气相的予扰以附加源项的形式出现程描述气相的偏微分方程中。交替求 骐气渡嚣糖方程，裁霹缮滋每一辩刻敷凑各缓分浓发分枣秘箕链参数。 d d m 农建模过程中葶| 入下列基本假设： 忽略液态燃油射流的分裂和雾化过程，即认为燃油一旦离开喷嘴，就成为离散的 微小液漓。连续分布的浊漓直径可以甩有限个名义溃径来代表。酒滴与气体之闻透 过稳对运凌、传熬窝蒸发箍实瑗魂塞、麓耄蠢袭塞交换，蘧漓霹气体的律趸等份蟪分布 于有关的流体网格单元中。一般喷雾可作为稀薄喷雾处理，从黼忽略油滴彼此之间的 相互作用。 涵漉囊嚣喷日后，题教掺赣曩方式鼹踪渣滤懿遥麓，窝交瓣鬻黉分方疆缀： 酒滴鞔遮方法 2 1 3 5 柴油机燃烧优化 运动方程 质量方程( 蒸发) 能量方程( 传热) 西c i 列一 ( 2 1 4 ) i d u d 2 弘3 ”百p s ”l , , 嘞阶 占) 丝：- 2 石d 丝i n f 墨二堡：11 s h d tr t p t a ， ( 2 1 6 ) 嵋鲁= 万a k ( r 吲去m + 三警 眨 式中，工、u 为油滴的坐标矢径和速度；u 、l 为油滴所在处气体速度和温度；c 。 为油滴在气体中运动的阻力系数；d 为燃油蒸气扩散系数；l 为燃油蒸发潜热；风。和 p 。分别为油滴周围环境中蒸气分压力和油滴表面饱和蒸气压，r t 表示该项取为油滴 表面和环境的平均值。z l ( d 一1 ) 是对未考虑传质的导热率的修正因子 上述的常微分方程组可以方便地用龙格一库塔等算法求解。油滴在气体流场中穿行 时，不断地与周围气体进行质量、动量和能量交换。对每一网格单元中的气体而言，来 自油滴的这种耦合作用可表示为气相控制方程中的一个附加源项： = 寺l ( 聊妒) o _ ( 所妒) ”l ( 2 1 8 ) ，j ，。 。 式中，上标0 和”分别表示时间步以开始和结束时刻，加为油滴质量，乏表示对融内 ， 位于该网格单元中的全部油滴求和。整个喷射过程中，气液两相间的耦合作用通过在时 间坐标上交替求解气液两相的控制方程来实现。一个时间步内的计算顺序如下：如果 本时刻正处在喷油周期内，则按规定的初始条件，喷入一组新油滴。如已超出喷油周期， 则直接转入第步。用前一刻的流场数据计算本时间步新射入油滴的运动历程及其对 气相流场的耦合源项。考虑全部油滴( 包括本时刻新射入的及以前累积射入的) 的耦 合作用，求解气相控制方程，得到流场各参数的值。利用新的流场数据计算所有油滴 新的位置及各参数，并计算它们对流场的耦合源项。 本文采用d d m 方法对直喷式柴油机缸内混合气形成过程进行了模拟计算。 大连理。r ：大学硕士学饺论文 3 燃油喷雾和燃烧模型 3 1 液滴基本守恒方程 在豢濑瓿窝菜些掰黧汽淮蔽孛，燃酒戆骥射、雾纯嚣蒸发及其与空气熬浚会对发羲 机的燃烧羊口排放具有关键性作用。然黼，燃油喷雾的数值模拟直是一个极为困难的课 题，这是因为缸内气体的宏观流动和湍流脉动对喷雾都有强烈的影响，而喷荔本身又是 由尺寸各必躲大量细微涵滚、澹蒸气奄空气组成豹龌楣混合物。要正确模 至 唆雾形成鄹 燃辩与空气豹混合过程，必须菝靠嚣糖流帮统专 力学理论疆。s t a r - c d 软件使用 l a g r a n g i a n e u l e r i a n 离散多相粒子模型体系【1 6 】来描述缸内的喷雾和燃烧流动，它不仅考 虑了燃油粒子在湍流流幼中的运动情况，同时也包食了燃油粒予的蒸发、破裂和撞壁等 运动形式。 l a g r a n g i a n 模型体系中对每一个单独粒子都使用守恒方程进行分析计算。磊和i 分 别代表瞬时流体速度和瓣时液滴速度。下标d 表示波滴项，没有下标的项则代袭连续项， 滚滚熬霞麓蠢量表示秀i 。s 王a r _ e 驺软徉诗算掰傻惩熬滚滴守德方程表示魏下： 3 1 1 动力守恒方程 对手冀蠢震量魄波溶，萁动秀方程隽： 百d u d - = ，+ m + 瓦 ( 3 1 ) 这里一是拉力( 冤蚕3 1 ) ，箕由下式给出； 靠2 互1c 。p 4 蓐一二一f ( 磊一磊。) ( 。2 ) 这萋q 是拉力系数( 起到一个滚滴雷诺数的作用) ，羁是液滴截面面积。 芦，怒压力，如t 给出： 乃= 一印 ( 3 3 ) 这里悬液滴体积，v p 是搬运流体中压力梯麂。p 包含任何一种静压组分。 2 1 3 5 柴油机燃烧优化 图3 1 l a g r a n g i a n 液滴运动图示 f i g u r e3 1t h e m o t i o n f