（载运工具运用工程专业论文）汽油机准维燃烧模型与排放模型的研究.pdf

摘要 随着现代汽车工业的飞速发展，环境污染问题和能源危机问题已经成为各国 科学家日益关注和研究的重点汽车消耗着石油能源的一半左右，同时也是环境 污染的大户。对内燃机燃烧的研究也就成为了重中之中。 本文概括介绍了内燃机燃烧过程的研究现状及意义，以及当今世界上内燃机 燃烧过程的研究进展与发展状况；分析讨论了内燃机燃油喷雾模型，对内燃机中 燃油喷雾场的几何结构和物理特性作了一定阐述，分别分析讨论了目前在内燃机 研究领域中应用较多的气相射流模型和油气两相模型。 在内燃机燃烧过程的双区与多区燃烧模型中，包括燃烧过程的预测模型、火 焰传播模型、传热模型、点火计算和火焰核初始模型、汽车有害排放物的生成模 型等。常用双区模型是将已燃区作为一个整体而计算，其结果是整个区域的平均 值；而本文着重论述了在多区模型中，改变双区模型的划分方法，将燃烧室按等 质量划分为若干个小区，各小区之间绝热且互不混合，相当于若干个零维模型， 其计算的结果更接近于内燃机实际燃烧过程。在内燃机排放模型中，本文进行了 内燃机燃烧排放物( c o 、h c 和n 0 x ) 生成机理的分析，得到了排放物( c o 、h c 和n o x ) 的生成规律。 本文在内燃机燃烧排放数学模型的基础上，利用l l a t l a b s i m u l i i 】1 【软件建立 了发动机排放仿真模型，并分析讨论了发动机参数( 过量空气系数、点火提前 角、发动机转速) 变化对燃烧排放物( c o 、h c 、n o x ) 的影响。n o x 生成量减少 时，c 0 和h c 的生成量有所增加，且燃油消耗也有所增大。因此从过量空气系 数入手来降低n 0 x 排放往往会导致c 0 和h c 排放的增加通过仿真分析，我们 发现点火提前角的大小对c 0 排放影响不大，但点火提前角过分推迟，会导致 c o 在燃烧过程中未能完全氧化从而引起c o 排放量有所增加，同时也会使发动 机的动力性和燃油经济性下降。本文同时还分析了发动机转速对排放生成物的 影响。在湍流燃烧速度方面论文探讨了分形在燃烧模型中应用，运用分形理论， 得到了求取预混湍流火焰前锋外廓线分形维数的方法 关键词：汽油机准维燃烧模型排放模型 a b s t r a c t w i t hi h ed e v e l 唧咖斌o f m o d 哪i n d u 蛐r i c s ，即啊岫c m a lp 曲l c m sa i l d 蚰e i g y c f ! i 虹sh a v eh 伽o f i n c m 袖gc 伪l o 眦t o 鼯i 朗吐鲥3 雒dt h ef b h c u so f t h es t l l d y c a 稻 c s u m ea b 叩th a l fo fm e 硼，b 眦a l t h cm 萄o fp o u 砸c 伽b u s t i o no f 山e 咖d y ， “h 勰b 瓯幻m e 锄o n gt h cm o s t 面町，o r t a n t 1 1 1 1 i sp a p 盱p s m t s 锄o v c r v i e wo f t h c 舡咖8q a n ds i g n i 丘c 锄c eo f g i n e 恤b i l s 的np l ：o c c 黯，o 咖曲u s 吐p r o c e s s 姐dt h c 呲口叩卿m i yw o r l do fp l d g s sa n d d e v e l o p m c n t ；a n a l y s i so fe n g i n ef h c l 即m ym o d do fl h ci n t e m a lc 伽出u s t i g i 如d 印r a y 丘e l d 群删n e n 了柚dp h y s i i ：a 1p r o p e n i e 8o fac a t a i n 哪l a i m 姐a l l a l y s i go f t h e 棚n e n td i 9 c u s 西o n sw a si i it h ea r 龃o f 砖s e a h 锄垂n eu s e di n 血co i la n dg 懿j e t m o d 埘t w o p h a m o d e l c o m b u s t i o np r o c c s si nt h e 办嚼阻w 油曲l l b l c z 咖e 鲫丑b u s t i m o d e l 硫1 u 血l gm em 葩do fc 加l b u s t i 伽，f 嗍a t i m o d e l h c a t 仃a i l s 缸m o d d ，山c i 印j t i 缸d 她e 蛐c l e 缸i n m a lc a l c l l l 撕m o d 吐n 地f o 】m a l i 叩锄do 血髓h a 血f i l l e m i s s i o n s l ( 棚丘o mv c h i c l cs c i l a l 嵋k 咀em o c l e lh a sb e e nu s e dt oc 炯l a 把 c c 虹岫s t i o nz c 淞aw h o l e ，锄dt h em s i l l t sa m 孙，锄g e dt h q g h o u tm er 9 9 i o n ；t h i s p a p 口妣u s t h e 啪m z o m o d 吐t h ec h 姐g ci nt h ed c l i n c 撕o ft h c t w o 啦g i 伽m o d c l ，q 呻l i 哆c h a m b 盯砌b ed i v i d c db yn 把删m b 盯o f m s t l i c t s ，n o tt h e d i s 晡c tb n w e c ni n 舳h d o na n dm i x e de q u i v a l c n t 瑚加i b 盯o f 姗_ d i n l s i o n a lm a d e l ， t h c 砖孤l t 8c _ i o s 盯t oi t s 扯加a le n g i 】m b i l s t i p i d c c s s e i m 垂e m i s s b i n 也e m o d 吐骶h a v ed c v e 】o p e dac 伽慨s t i 锄g i 锄i s 对阻o ( c o h ca n dn o 】【) f o 皿a l i o nm h a n i 眦j nt h e 锄a l y s i so f t h ec m i s 摹i o n s ( c o ，h c 趾dn o x ) b yt h cl a w s o f p i o d 删o n b a s c d 叽t h e 衄i l h 锄觚c 叠lm o d do fc n g i mc o m l m 髓i 傩锄i s s i 吼，m a t l a b 的丘w a 把g i n ee m i s s i o nu s i n ga 面n u l a l i o nm o d 吼a n da 蚰l y s i so f 锄百n cp 盯锄e 姗 c s sa i r 耐o ，印a d 【a d v 锄g i 地删i ) c h 姐g e si nt h e m b i l s t i e m i s s 枷8 ( c o ，h c ，n 0 x ) i m p a c l n 0 x i c d l | c t i 蛳，姐血m 辩i n m c 锄伽_ n to f c 0 a n d h c ，锄d t h e 矗l e lc o n 栅咖p t i o nh 勰a l s oi n c m a s c d s of t o m 啦a r tt o d u c el h ee x c 懿sa i r c 础c i c n tn o x 衄i s s i sw ml c a dt o 趾i n c r e a 辩j nc o 缸i dh c 锄i s s i s s i m u l a t i o n 卸_ a l y s i s ，w ef o m l d 血缸山es i o ft h e 碰曲na d w m c ca n g l cl i 比i cc f 话c t 蛐c 0 锄i s 如n s ，b 眦t h ci 弘埘a d v a n c e 孤舀e 黜s s i v ed e l a 弘c 0c 蛐b u s t i w m l d t o t h c 自i l 眦t o 唧l c t e o x i 捌0 n p i o c c s s w h i c h l c d t o 蛆i r e a 鼯i n o d 咖i s s i & a l m d i a l g i n c 。sf i l e l 咖o m y 姐dd l i n e t h i sp a p 盱a l s o 锄l a l y z e d 也c 北s u l t a mi m p a c t 吼i s s i 伽o ft h e 衄g i 北即e e d d i s s s i 吼p a p e 礴j n 细b u l c n t 翻枞s 吐o n 印e e do f 血ec 锄b u s t i o nm o d e li n 山ca p p l i 础o no f 丘a c t a lu 出l g 丘：虻t a l f h 巧，p 砌丑i x c dn a m cf b r 删ss t r i l t s i d ea 矗a c t a ld i m e n s i 饥o ft h ep 丘l e m e i h o d g a s o h g i 删捌删m s i 伽i a l c 锄b l l s d o n - m o d e l e m i s 面o n 枷d d 重庆交通学院学位论文原创性声明 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。除文中已经注明引用的内容外，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。 学位论文作者签名吴拦早 日期2 d 。7 年午月7 日 重庆交通学院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。本人授权重庆交通学院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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 指导教师签 日期：p 1 年耸月7 日 留下 才 7 知 7 名 ，f， 鹕 午 作 7 刘 如 渤 国 位 期 学 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 开展内燃机燃烧过程研究的目的意义 内燃机的诞生已有一百多年的历史。经过长期不断的改进和提高，内燃机已 经成为一种比较成熟、完善的动力机械。由于它的热效率较高、适应性好、结构 紧凑等优点而在车辆、船舶、工程机械等领域内取得了广泛应用，发挥着日益巨 大的作用。 为了节约能源，应对全球性的石油危机，内燃机经济性能的提高和新燃料的 应用研究日益受到重视；为了保护环境，降低大气污染，对内燃机有害排放指标 和噪声的限制也越来越高。这些都对内燃机的工作过程提出了更加严格的要求。 几十年来，科研工作者已尝试了采用多种技术来达到这一目的，取得了许多成果。 而传统的内燃机设计是以生产一试验为基础的，这是一个昂贵而漫长的过程。而 影响内燃机工作性能的因素又如此之多，研究一试验一设计这一研究方法已经严 重制约着内燃机实际燃烧工作过程的研究发展；因此模拟与仿真是解决这些问题 最有效的方法。特别是近些年来，随着计算技术的发展，数值模拟在内燃机的设 计研究过程中扮演着越来越重要的角色。而燃烧过程是内燃机工作循环的中心环 节，它与内燃机的基本运行参数，如功率、效率和排放等直接关联。利用较为完 善的数学模型，可以分析缸内燃烧的发生与发展过程，有助于分析理解内燃机的 燃烧机理；研究各种结构参数、运行参数对发动机性能的影响，指导选型设计， 优化内燃机整机系统；预测内燃机参数变化后高性能参数的变化规律，简化实验 研究工作，缩短研制周期，加速内燃机研究工作的开剧玎田。因此，燃烧模型的研 究已逐步成为内燃机学科的一个新的研究领域，对提高内燃机性能和降低有害排 放物( 碳烟、d ，、点配等) 浓度有重要的作用。 当然，内燃机的燃烧过程十分复杂，涉及到热力学、流体力学、传热传质学、 化学反应动力学等学科，燃烧的进行受到有限而又变化的燃烧室空间形状的影响， 并伴随有复杂的物理化学反应及三维、非定常紊流流动，所以要精确地描述这一 过程在目前来说条件还存在一定难度，因此所建立的模型均需要不同程度地进行 了一定的简化和假设，这样计算结果的准确性也将受到不同程度的影响。为了全 面把握数学模型的现状，有必要对现存的有影响的、公认的几类数学模型进行分 析研究，以便对本文的研究提供有实用价值的信息。 本论文研究来源于重庆市教委自然科学基金项目，主要研究汽车发动机燃烧 第一章绪论 与排放工作过程及部分仿真。 1 2 汽油机燃烧过程研究的发展与现状 2 本章对内燃机燃烧过程的计算模型和实验研究两方面的发展与现状进行简略 回顾与展望。从上个世纪4 0 年代以来，对于燃烧模型的研究逐渐开展并提出了各 种内燃机燃烧模型及其计算程序，1 9 4 3 年出现了研究内燃机燃烧模型的d a m k o l e r s h e u d n 【1 】的皱折理论，认为紊流的脉动作用使光滑的层流火焰面弯曲且皱折变 形；1 9 5 6 年出现了另一种s 伽加e r 丘e l d 微容积扩散燃烧理论【习【4 】，认为湍流对燃烧 的影响以微扩散为主；1 9 6 8 年t e 越l 【e s 首先提出了湍流场结构的猜想；1 9 9 1 年， 日本九州大学城户裕之等人提出了具有群岛状和分型几何火焰面的预混合湍流传 播火焰构造模型。事实上，对内燃机工作过程的计算直到3 0 年前，还是建立在理 想循环的假定基础上，对实际工作过程作了大量的简化。例如用闭口循环模型伴 随着不稳定气体流动的开口循环；用等容或混合加热代替燃烧过程；用等容放热 代替排气过程等等。现在随着环境保护和节约能源两方面要求的越来越高，使内 燃机的设计大为复杂，要在满足规定的排放和燃料经济性标准的前提下获得最佳 的使用特性，燃烧模型这一工具在应付这一挑战中变得越来越重要，引起人们的 广泛重视。各类燃烧模型不断涌现，其中有的已日趋完善，应用于设计研究和产 品的开发上，对内燃机的发展起到了很大的推动作用，也使内燃机的理论建立在 一个新的基础之上。 对发动机燃烧室内温度场、压力场、组分浓度场和流场的不同处理方法决定 了燃烧模型的不同分类。对于燃烧过程数值模拟的研究已经历了单纯的放热规律 计算、零维燃烧模型，准维燃烧模型和多维燃烧模型4 个阶段。不同类别的燃烧 室由于各自不同的形式体系，适应于考察不同类型的燃烧问题。下面以汽油机为 研究对象，分别对其分析论述。 ( 1 ) 零维模型 这是最早出现的一种内燃机燃烧模型，也称热力学模型，是了解燃烧室内宏观 参数和现象随时间而变化的模型。该模型将系统边界内的所有各点参量假定为完 全相同，以时间作为唯一的变量，并用子模型( 传热、排放生成等) 来协助计算。 它是从能量的角度研究燃烧现象，求解以热力学第一定律为中心建立起来的一组 封闭系统的能量守恒方程。燃烧室被火焰前锋分为已然区和未燃区，火焰前锋面 厚度忽略不计，并假定燃烧室内压力、温度、组分浓度瞬时均匀。已燃区和未燃 区的气体的性质通过热力平衡确定。 这类模型对质量燃烧率的处理上是采用了半经验的方法，即给定质量燃烧函数 第一章绪论 3 关系，经过与大量实验数据匹配后，确定有关经验常数，用于计算工作过程中温 度、压力等值。用作燃烧率的典型函数形式是余弦函数和韦伯函数 x ( 印= i l 一s 【窟 一岛) ，吃】l ( 1 1 ) x ( 0 = l c x p 一讲( 口一岛) ，b 】。“l ( 1 2 ) 式中：x ( d 为曲轴转角为口时已然的质量分数；岛为燃烧开始的曲轴转角；吃为 燃烧持续时间对应的曲轴转角；a 和m 为针对某一燃烧系统的经验常数，其典型 值分别为5 和2 。 后来为了体现湍流对内燃机燃烧过程的作用，人们套用层流燃烧的概念，引 用湍流燃烧速度来说明预混合湍流燃烧现象通常将湍流燃烧速度表示为层流燃 烧速度的函数 品= c & ( 1 3 ) 其中常数c 由实验确定，它和发动机结构、转速等参数有关。这类公式的应用使 零维模型有了较明确的物理意义，因而得到了广泛的应用。零维模型计算简单， 求解容易，可以用于内燃机燃烧过程有关性能和d 。排放浓度的计算，也能预测 一些参数的有关变化对发动机性能的影响，但不能给出燃烧过程的细节问题。零 维模型对实验有较大的依赖性。 ( 2 ) 准维模型 准维模型是在零维模型的基础之上发展而成，该模型通过一个近似反映几何 细节的现象孑模型预测内燃机设计和运转参数的变化对燃烧过程细节的影响，因 此，这样的模型能把零维模型的热力学框架可以应用的范围拓宽到燃烧过程的变 化可能是主导因素之一的问题。因为计算成本不算太高，当燃烧过程的更好直觉 物理模型发展起来后，准维模型很会成为对于内燃机的运行特性和排放特性进行 广泛的变参数研究的模型。 准维模型不需要预先给定一燃烧放热率，而是将火焰传播过程视为随空间而 变化的过程，从更加基本的物理蘑出发，导出质量燃烧率，力图反跌结构参数、 运转参数以及紊流对燃烧的影响，而对于其它过程，仍按零维处理。对于火花点 火发动机，假定着火后生成的火焰呈球面状向未燃混合气推进，燃烧速度为晶， 则瞬时质量燃烧率为： 譬= 见s ，a ， ( 1 4 ) 式中；a ，为火焰前锋面积；以为未燃混合气密度。 在内燃机的燃烧过程中，紊流的存在提高了燃烧速度，在早期的模型中，用 层流火焰速度既与一系数相乘获得紊流燃烧速度，即： 第一章绪论 4 s r = 置s l ( 1 5 ) 该表达式由a 蛆托d 于1 9 7 0 年提出，其中k 称之为火焰因素，是发动机运行 及结构参数的函数。l n c 雒和j 锄c 8 等提出了一个随发动机转速n 变化计算k 的公 式： 置= l + 0 0 0 1 9 7 ( 1 6 ) m 雅a v i 等总结了几种火花点火发动机燃烧室内的紊流与火焰传播之间的关系，发 现紊流燃烧速度主要受层流燃烧速度和紊流强度口的影响，并得到一经验关系式： 品= 心l + 缸 ( 1 7 ) 式中：a 、b 分别取为1 o 和4 0 1 。 i i e i l 【a i 比拟份子输送过程，提出了一个类似于分子和湍流涡输送过程之间的模 型，把湍流燃烧速度表示为： 妻卸+ 羔t 华4 吗 8 ， s ， 口p r f ， 。72 式中：口为分子热扩散系数；p r t 为紊流普朗特数；，为运动粘度；c i 为活塞平均 速度；d 为缸径；a 、b 、c 、d 为经验常数，需根据实测的示功图确定。 b l i z a r d 在1 9 7 4 年提出了准维湍流卷吸模型，将火焰前锋卷吸速度和特征涡半 径这两个参数引入到质量燃烧率的计算中。假定点火后，燃烧现象归结为有限厚 度的火焰前锋面以涡被卷吸的速度向未燃混合气扩散，由于相邻涡之间h 、0 h 、 0 等基团的扩散，被卷入的涡立即以层流速度燃烧。燃烧特征涡半径的特征时间 为： f = t ，j 工 ( 1 9 ) 式中：，i 为特征涡半径。 质量燃烧率为： 警= 帆叫f ( 1 1 0 ) m 咖i 曲姐和撇z y n s h 等对湍流涡的结构作了进一步的深化，认为积分长 度尺度为l 的湍流涡的结构是被直径为勋l 删础v ，长度尺度为，7 的高耗区所分开， 以脚i o r 微长度尺度五的许多空间所组成。 d 呐证在卷吸速率的计算中加入湍流动能的影响，突出了湍流在燃烧过程中的 作用。 虽然准维模型对质量燃烧率的预测，其基础是建立在间接的实验数据，物理 直觉及某种程度的数学方便性上，但其计算结果表明能预测燃烧过程的正确趋势。 因此国外对准维模型的研究和应用较多，国内也开展过这方面的工作。 第一章绪论 5 准维模型能提供某些有关燃烧过程的细节信息，例如着火延迟期，燃烧持续 期和废气再循环的影响等的预测，虽然仅仅是近似的，但计算比较容易。在估计 发动机运行条件的改变及几何参数的不大变化对发动机性能的影响时，准维模型 能得到较零维模型深入的结果。 ( 3 ) 多维模型 多维模型是一种正在发展中的燃烧模型，它与前两类模型具有完全不同的性 质。其特点是对实验的依赖较弱，立足于有关学科最新理论成就的基础上，对燃 烧过程进行全面深入的模拟，多维模型具有更完整的理论基础。 多维模型要对各控制性偏微分守恒方程( 包括质量守恒、动量守恒、能量守 恒和各种化学成分守恒方程) 与描叙湍流过程、化学过程、边界层过程等相应的 子模型一起，针对适当的边界条件用数值方法求解它不仅解决燃烧过程随时间 的变化，而且提供气体速度、湍流特性、温度和组分浓度在燃烧室分布的详细信 息。 多维模型在形式上要比零维和准维模型复杂得多。从零维和准维模型( 控制 方程是常微分方程) 过渡到多维模型( 一、二或三个空间尺度和时间都是自变 量，控制方程是偏微分方程) 时，会添加极大的数值计算方面和子模型物理化学 方面的困难。目前对湍流、燃烧化学等方面的许多现象的机理尚不清楚，加上计 算机容量和计算成本的限制，多维模型的计算和应用还存在着很大的局限性。随 着人们对湍流混合、化学动力学、火焰形成及传播机理、传热及边界等方面的研 究加以突破和计算技术的进步，多维模型将得到迅速发展并趋于完善。 总之，零维模型和准维模型都具有形式简单、便于计算的特点，适于一般性 能预测及发动机的综合参数进行研究多维模型代表了燃烧模型的发展方向，它 可以向内燃机研究和设计人员提供有关燃烧过程的更多的有用信息。随着现代科 学技术的发展，多维模型有希望成为一种真正通用的内燃机燃烧模型。 1 3 本课题的研究内容 本文主要完成以下内容： ( 1 ) 发展了一个具有明确物理概念的较为完善的内燃机燃烧过程的双区和多 区燃烧模型，其中包括火焰传播模型、几何模型等。 ( 2 ) 对所建立的燃烧及排放模型进行了仿真及其计算分析，得到了针对内燃 机燃烧过程的具有一定指导意义的结论。 ( 3 ) 从湍流燃烧速度出发开展了模型的改进工作，研究了分形在燃烧模型中 第一章绪论 的应用。 6 第二章燃油喷雾模型及分析 第二章燃油喷雾模型及分析 7 在某些新型内燃机中，燃油的喷射、雾化和蒸发及其与空气的混合对发动机 的燃烧和排放具有关键性的作用。缸内气体的宏观流动和湍流脉动对喷雾都有强 烈的影响。而喷雾本身又是由尺寸各异的大量细微油滴、油蒸气与空气组成的两 相混合物。要正确模拟喷雾形成即燃料与空气的混合过程，必须依靠两相流和统 计力学的理论，但这种繁复的两相流计算是以高额的计算成本为代价的。所以工 程应用上，人们宁可采用比较简单而节省的方法。 2 1 喷雾场结构简化分析 从运动学的角度来看，燃油喷雾场的结构与不可压流体的自由淹没射流相 似。后者在空间结构上可以分为射流核心区、初始区和充分发展区( 自模区) 三 部分【3 l 。发动机内的喷雾场也可相应划分为液核区、发展中区( 这两区合称为近 场区) 和充分发展区( 远场区) 由于燃油密度远大于空气密度，故喷雾场中各 区的相对长度( 与喷嘴直径相比) 远大于不可压射流中各区的相应值。随着实验 手段的进步，雾化并非在喷射瞬间完成，喷雾内部确实存在一个长度为喷嘴直径 几十倍的形为连续液柱的核心，成为为受扰液核或分裂长度。 由于燃油喷雾是两相混合物，其动力学与热力学特性与不可压流体自由淹没 射流有很大区别。从气液两相耦合作用的角度出发，燃油喷雾场按其离喷嘴的距 离由远到近依次划分为极稀薄区、稀薄区、稠密区和翻腾流区4 个区域。 ( 1 ) 极稀薄区 这是喷雾场最外围的部分。由于油滴在空间的扩散以及在此过程中大部分质 量已经蒸发，因而油滴微小和分散到如此程度，以致和气体相比较，可忽略其质 量和体积。对油滴而言，气体好似一个无穷大的。汇”，尽管油滴与气体问仍有 质量、动量和能量交换作用，但可认为气体不受此交换过程的影响。同时，油滴 之间的相互作用，如碰撞、变形、聚合、破碎和振动等均可忽略。惟一需考虑的 效应是如何描述油滴的湍流扩散。从数值模拟的角度来看，对该区只须求解气相 方程，而忽略颗粒相。 ( 2 ) 稀薄区 该区中油滴的数密度大于第一区，其总质量与气体相比是可观的，但其所占 体积仍然微不足道。这意味着油滴间距离远远大于其直径，故可忽略油滴间直接 的相互作用。但“油滴一气体一油滴”这种间接的作用不可忽略。即油滴可影响 第二章燃油喷雾模型及分析 8 周围气体的状态，后者又反过来影响其他油滴与气体之间的相互作用。因而在数 值计算中，需同时交替求解气相和颗粒相的控制方程组，以体现两相之间的耦合。 ( 3 ) 稠密区 此区内，油滴在两相混合物中占据了可观的体积，但仍以离散态存在于连续 的气相场中。与稀薄区相比，油滴问距要小的多，故不能再忽略油滴间相互作用。 这包括两类效应；碰撞和“准碰撞”，前者是指运动中的两个油滴实际发生接触； 后者是指两个油滴不发生实际接触，故质量不变但动量发生变化。例如，一油滴 穿越另一油滴的尾迹，引起其速度改变。准碰撞的频率远大于碰撞频率，碰撞的 直接后果是油滴的变形、聚合或破碎，从而对喷雾场的平均滴径等参数有重要影 响。0 r c 吡d 对稠密喷雾中的各种效应及其数值模拟进行了详尽的研究他借 用统计力学的方法，用碰撞频率函数、碰撞效率等参数来描述碰撞效应。碰撞的 结果究竟是聚合还是分裂，则根据一个变迁概率函数来确定。此外，“油滴一气 体一油滴”效应仍然存在，而且由于油滴的密集，油滴和气体间的质量、动量和 能量交换率不能再像稀薄喷雾那样沿用单个油滴的计算公式。因此，稠密区的物 理和数学描述要比稀薄区复杂的多。 ( 4 ) 翻腾流区 在紧邻液核的周围的地带，液体已开始分裂。但由于在两相混合物中，液体 所占体积分数与气体相当甚至超过之，故燃油不能在气体中弥散开以形成油滴， 而是以薄片、纤丝或网络的形式存在。翻腾流是雾化过程的第一步产物，是液核 到油滴的中间状态。 对于燃油喷雾模型，无论什么情况都可以分为均相气态射流模型和气液两相 模型这两大类。 2 2 气相射流模型 所谓气相射流模型是沿用准维模型的假定，认为燃油以气体射流形式进入气 缸、但比准维模型优越得多得是，它无需对喷射得锥角、贯穿度和浓度分布等作 任何人为的假设。只要给定油气射流的初速度的大小和方向，其后续的演变过程 和浓度分布均可自行算出。因为这只需在冷态流基础上，补充求解一个以燃料密 度或其浓度为因变量的控制方程即可实现。至于初始条件，可假定油气初速 ，。与 实际射油速度h 相等，而h 可根据理论或实测的射油率以及喷孔几何参数确定 la g 2 n2 石百 式中，a g ，a 为射油率， 为喷口截面积，7 是其流量系数。油气的初始密度 第二章燃油喷雾模型及分析 9 按下式确定以= n 4 ，a 。 式中，岛是燃油密度，a 是假想的油气喷口面积，可取为喷油器所在网格单元 的截面积。上面两式保证了气相射流与实际液相射流具有相同的质量流率和动量 流率。对于二维轴对称模型，喷油器应置于缸盖中心处，这样，计算平面内的一 股射流代表着真实缸内一个顶角为2 口的空心圆锥( 如图) 。此模型与多孔油嘴的 喷雾自然有明显差异，但却真实地模拟了轴针式油嘴以及伞喷燃烧系统喷雾的几 何和动力学特性。 彩 皋r 2 3 油气两相模型 图z l 燃烧系统喷雾图 随着多维两相流嗍理论的发展，人们日益感到有必要发展更接近物理真实的 两相喷雾模型。研究两相流和多相流目前主要有两种不同的观点。一种是只把流 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( 如颗粒 轨道和传热传质过程等) ，故可称为欧拉一拉氏法；另一种观点则不仅把流体相 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( 黏性、扩散、和导热等) 具 体到内燃机而言，从这两种观点出发，就分别发展出离散液滴模型( d d m ) 和 连续液滴模型( c d m ) 这两类模型嘲两者的共同点是，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，及两 相之间的质量、动量和能量交换过程。为此，必须同时求解两相的诸控制方程。 2 3 1 连续液滴模型( c 叫) 一般的说，从离散体系的角度来看，颗粒群中各个颗粒可能具有不同的直径 d ，不同的速度h 一，不同的温度乙和不同的空间位置而等不同的参数，而具有 第二章燃油喷雾模型及分析 堕 某一相同参数的颗粒，它们的其余参数未必相同，例如具有相同直径的颗粒不一 定有相同的速度或者温度。因此，最普遍的描述方法是把颗粒作为统计群来处理。 若参数处于空间范围而专而+ ，速度范围一+ 吒，尺寸范围 专d ，+ d ，) ，温度范围寸+ 缉内颗粒的数密度( 类似于概率密度) 为 ，瓴。球，l ，d ，f ) d k 幽一d ，鹏出 则按统计力学中的伽砌e 守恒定理，在无颗粒碰撞( 稀疏颗粒悬浮流) 时将有 笪+ 望亟+ 笪盟+ 笪坐型+ 笪堡：o( 2 1 ) 身觑出a | 一出甜，出珥毋 根据相空容积变化率为零的原理，并针对液体喷雾，上式可改写为 善+ 毒+ 毒( + 导+ 苦鸲) = ， q 式中，下标d 表示液滴，r 为液滴半径，乩，和宅分别为，r 和乙的时间变 化率，正是考虑到油滴间相互作用( 如聚合、碰撞等) 引起的f 的源项。上式即 燃烧学中的所谓喷雾方程。 方程( 2 2 ) 所描述的液滴群相当于一种拟流体。如果认为液滴群与气体之 间始终保持动力平衡和热力平衡，即在空间各点液滴与气体的平均速度及温度均 等，则可把液滴群与气体作为统一的流体来处理。于是，对液滴群只需一个喷雾 方程来描述其质量平衡即可，不再需要动量方程和能量方程。对于气相，则只需 在原来均相流方程组的基础上增加一个相应的源项，以考虑液滴群的影响，同时 将气体密度乘以一个体积分数妒即可。 妒= l i 万3 弦妇。码 气相控制方程为 连续方程 昙( p 矿) + 言( ，妒) = - f ( 4 2 帕) 问砬r 刃： ( 2 3 ) 动量方程 詈c 嗍，+ 昙c 鹏v 炉一詈+ 鲁一【( 4 2 砌。+ 詈3 厶舰j 肭- 码c 2 4 ， 能量方程 昙c 肋，+ 毒c 加，吲鲁+ q 考，+ 乃等+ 考毗荸一 j 4 玎2 r 概【岛乃+ 三 。一q ) 2 】+ ；玎3 岛【c i 宅+ 五( 一玑) 0 弦诹。刃： ( 2 5 ) 第二章燃油喷雾模型及分析 组分方程 昙( 眺) + 考( 肋) 5 毒( 触挈吨概) 肭t 码+ 也( 2 6 ) 以上各式中j i = 薹k 瓦，魄= 七。+ e 打 = 粥鹏一詈以警讪五= 厶一去詈幅 式中，p 、p 、r 和阢分别为气体平均流场的密度、压力、温度和速度；岛为 燃油密度，c 匕和西i 为组分k 的等压比熟、质量分数和化学反应率；】【= l 代表燃油蒸气；磊为鼬k 盯记号。，| = 乩为单位质量油滴所受惯性力。以、 丸和见分别为有效黏度、有效导热率和有效扩散系数。 如果液体之密度岛为常数，则方程( 2 3 ) 、( 2 4 ) 和( 2 6 ) 中括号内的项可 写为 4 万2 f 以= 导g 矿n ) ( 2 7 ) ( 4 万2 觑+ 詈万3 厶) 岛= 丢号万3 n ) ( 2 8 ) 以上二式分别代表单个液滴质量和动量的变化率。 喷雾方程( 2 - 2 ) 中为考虑气相湍流脉动对液滴的影响。为了弥补这一不足， 可以将函数f 加以扩充，即令，= ，( f ，而，l ，啊) ，其中是气体的脉动速度。 如果假定虬的各分量都符合高斯概率分布，而且均方差为按各向同性湍流计算的 砰= 詈七，则液滴分布函数f 可表示为 ，= 号舻”c x p 葶，( f 而佻 ( 2 9 a ) 式中，k 是气相的湍能，的值可由f 对蚝的全部值积分而得到在上述这 些假设下，喷雾方程( 2 2 ) 可写为 丢+ 毒 小者蛾，+ 导，+ 壶碱，+ 考u 争= 允+ 乞c 2 舳， 式中，f 乙和丸分别为由于液滴碰撞和破裂所引起油滴数密度变化的源项，其 表达式分别为 歹o = 告f ，2 石( + r 2 ) 2 i 甜m h 2 i 【盯一万( ，一) 万 d 一口i ) j ( 乃一兀。) 一 万( r 一，2 ) 万( 球j 一。2 ) j ( 乙一乃2 ) 】奶础f i d 乃l 如d h 2 d 五2 式中 = 厂“，f ，吒，“ z ：，i ) ，厶= ，瓴，f ，屹，2 ，瓦2 ) 第二章燃油喷雾模型及分析 九= j 厂( 而f ，”加，乃。，克) 办凰加m 咖d 乃。矽- 式中，曰= 口 。，乃，弘虫蚴。，乃，毛f ) 是分裂转换概率函数。 2 3 2 离散液滴模型( d 叫) 1 2 d d m 也是一种统计描述，但它基于蒙特卡洛方法不考虑全部油滴，而只 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。 d d m 在建模过程中引入下列节本建设： ( 1 ) 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 成为离散的微小液滴。 ( 2 ) 连续分布的油滴直径可以用有限个名义滴径来代表。 ( 3 ) 油滴与气体之间通过相对运动、传熟和蒸发而实现动量、能量和质量 交换，油滴对气体的作用等价地分布于有关地流体网格单元中。 ( 4 ) 一半喷雾可作为稀薄喷雾处理，从而忽略油滴彼此间地作用。 锝 臻 督 图2 2 喷雾的离敢化 口d 在d d m 中，气相控制方程仍是冷态流场的那些方程，只是增加了一个新的 源项s 。，表示液滴对气相的影响。作为统计样本的液滴是这样产生出来的：根 据由实验测定的或经验性的滴径概率分布曲线，把连续分布的滴径分成，个区 段，每一段内的油滴直径均用同一名义直径d ，代表。这样，直径为d ，的一个样 本就代表一定数目。个性质完全相同的油滴。心可根据射油规律确定。具体 地说，可以把喷油率曲线所包围的面积( 即循环供油量) 按一定时间步长( 例如 第二章燃油喷雾模型及分析 1 3 r 曲轴转角) 离散为若干区段，如图所示。每一区段的油量为面。同时，把喷 油孔截面离散成肛个小面积，油滴样本从每块小面积的中心射入气缸，于是， 在每一时间步长内，就有m ，个油滴样本被产生出来，其总油量为翻，。由此 可得出在时间步长雹内进入气缸，直径为乃的样本所代表的具有同样特性的油 滴数目 一：塑! 生 ( 2 1 0 ) = 百l 【2 l o 艺d i 印l d ：| 6 i l 式中，岛是燃油密度；巳是名义直径为嘭的油滴数在全部油滴数中所占 概率。喷射过程中，某一直径油滴出现的体积概率为 里：竺x 3 口嘞出 ( 2 1 1 ) 式中，x 为滴径；y 为燃油体积； 率与数目分布概率有如下关系： d y聪d n + 一 出6 出 6 为与平均滴径有关的参数。体积分布概 ( 2 1 2 ) 式中，为直径小于石的油滴总数，由此可得出直径在x 。与工：之间出现的 油滴数概率为 盯，：型：p 一蛔一p 也 ( 2 1 3 ) 如图所示，若取而= 三( 嘭+ t 。) ，而= 三( 嘭+ “，) ，则町就是式( 2 1 0 ) 中 用到的盯，。 一吃。 码 图2 3油滴体积概率分布图 用上述方法确定的油滴样本应按一定的初始状态射入气缸。由于目前对雾化 过程了解尚不深入，初始条件只能根据实验结果来规定。对轴堆成模型，一种最 第二章燃油喷雾模型及分析 丝 简便的做法是，假定喷油器位于缸盖中心，口是喷射方同与气缸轴线的哭角， 是油滴运动方向与喷嘴中心线夹角的最大值，亦即喷雾扩散角。由实验确定。 为简单起见，假定油滴初始方向在2 范围内从o 到线性变化，而速度大小是 均匀分布的。油滴离开喷口后，用拉格朗日方式跟踪其运动，即求解下列常微分 方程组： 油滴轨迹方法 鲁= ( 2 1 4 ) 运动方程 等= ；岛鲁扣叱心) ( 2 1 5 ) 质量方程( 蒸发) 堡竺：- 2 棚竺l n ( 堡二竺! ! ) 舶 ( 2 1 6 ) 出 ? p i p 。 能量方程( 传热) 崛誓= 搬吒一l ) 去- + 工警 ( 2 1 7 ) 式中，工、材为油滴的坐标矢径和速度；阢、瓦为油滴所在处气体速度；c o 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；p ，。 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 r 表示该项 取为油滴表面和环境的平均值。z 肥2 1 ) 是对未考虑传质的导热率的修正因子 c 。d m | m 弘苛 ( 2 1 8 ) q ，为蒸气比热。方程中用到的阻力系数和- 、册数一般按经验公式计算，例 如 c d = 芸，嗍 c d = 2 7 r c “，o 4 8 r e 7 8 巳= o ”r e ，r c 7 8 m = 2 + o 6 r e l ”p r ” 鼢= 2 + 0 6 1 ，2 鼬“3 第二章燃油喷雾模型及分析 常微分方程组( 2 1 4 ) ( 2 1 7 ) 可以方便地用普通的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 s ，= 【伽咖。一( m 咖】 ( 2 1 9 ) v ， 式中，上标。和行分别表示时间步瓯开始和结束时刻，m 为油滴质量，表示 ， 对盘。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： ( 1 ) 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( 2 ) 步。 ( 2 ) 用前一时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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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。 2 4 本章小结 本章主要讨论了燃油喷雾的结构及其两大模型：气相射流模型和油气两相模 型，其中油气两相模型包括连续液滴模型c d m 和离散液滴模型d d m 。燃油的 喷射、雾化和蒸发及其与空气的混合对发动机的燃烧和排放具有关键性作用，本 章对后面章节提供了基础。 第三章汽油机燃烧模型 第三章汽油机燃烧模型 1 6 火焰传播是汽油机燃烧的重要特征，强烈地受缸内气流湍流运动的影响决 定性地影响到火焰结构和火焰传播。湍流特性影响燃烧过程，汽油机燃烧实质上 是湍流燃烧。湍流燃烧模型就是建立描述湍流，点火、火焰及火焰传播等燃烧特 征参数及其相互间关系的一组数学表达式，并与内燃机的结构参数和运行参数联 系起来，用以预测内燃机结构参数、运行参数变化后的燃烧特性旧。由于内燃机 的燃烧过程极端复杂，用模型来预测燃烧就更难了，迄今所提出的各类燃烧模型 都是实际过程的一种概括和简化，所以带有一定的假设和猜测性，汽油机湍流燃 烧模型也是如此 3 1 湍流火焰结构 内燃机气缸内的气体流动均属湍流流动。湍流是涡不断产生发展、分裂和消 失的过程，极大地影响着点火和燃烧，描述湍流结构就成为汽油机燃烧模拟的重 要内容。为了定义湍流结构，引入一些特性参数。湍流结构如图所示。 工 图3 1湍流结构示意图 - 为低雷诺数的湍流结构，b 是高雷诺数的湍流结构 基于对火焰传播机理的认识，有两种描述火焰传播的模型：一种是湍流积分 尺度l 比层流火焰带的厚度& 要大得多的情况，即d 皖；另一种是正相反 的情况，l 比吮要小得多，即l 既时，属于以分子迁移过程为基础的模型，是皱折的层流燃烧 模型，火焰带内部的结构与层流火焰完全相同。随着流速的变化，火焰面产生畸 变，出现皱折，火焰面的总面积增加，燃烧速度也加快。 ( 2 ) 当工“瓯时，属于以湍流迁移过程为基础的模型，是分布反应带模型。 湍流对火焰面形状影响不大，但对火焰带中的热量、基团的迁移过程有大的影响。 因湍流迁移在燃烧中是起支配作用的，所以燃烧速度加快，火焰带也变厚。 设燃烧室的面积为f l ，在燃烧区传播的皱折火馅面的总面积为昂，则湍流 燃烧速度品为品= 鲁 ( 3 2 ) 根据热力学理论，层流燃烧速度为& = j ! 警 ( 3 3 ) 式中，k 为导热系数，置：旦；u ，为化学反应速度。 p i c ， 归纳了各种影响湍流燃烧速度的表达式，并分折求解后，得出下列燃烧速度 比的关系式 毒小t 筹旷叫愧) 】 m g 舢 当“& ( 湍流弱) 时，可近似为e 嫁= l + ，) ( 3 5 ) 当矿& ( 湍流强) 时，可近似为殿r = l + 似，s 。) “2 ( 3 6 ) 上面3 式之间的相互关系如图所示。其中，在湍流强度中还包括了因火焰而形成 的湍流。即流入燃烧区的未燃混合气的湍流强度m ：和因火焰而产生的湍流强度 ；= 扣：2 + h 罗 口；的极大值 o ；) 一= 击( 尝一1 猡t 第三章汽油机燃烧模型 式中，所为已然