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摘要 基于f 1 u e m 对康明斯i s m 3 7 0 柴油掺氢发动机 燃烧过程的模拟 摘要 当今社会，工业日新月异发展，以能源为基础的大型车辆的增加使能源短缺和环 境污染现象目益严重，清洁替代能源一氢已经引起人们的关注。随着计算机技术突飞 猛进地发展，计算流体力学广泛应用于各种简单和复杂流动模型的研究分析，缩短了 科研周期，节约了人力、物力资源。 柴油机虽动力性强，但容易工作粗暴，氢点火能量低，燃烧速度快，能改变柴油 的燃烧质量。温度、压力、速度等严重影响混合气的形成质量、发动机热效率以及排 放等发动机的整体性能。本文利用计算流体力学软件f l u e n t 来模拟分析一台六缸四冲 程重型掺氢柴油机在不同的掺氢比和不同喷油提前角下燃烧温度、压力、不同组分及 速度的变化情况。 用前处理软件g 锄b i t 对发动机燃烧室以及气缸进行建模和网格的划分，导入 f l u e n t 后进行动网格划分，建立组分输运方程、湍流化学反应相互作用模型，选择压 燃方式着火，设定柴油喷射条件，定义边界条件，进行压力、温度以及组分配比的初 始化。改变掺氢比、喷油提前角，通过分析对比不同的模拟结果，得到这两个参数的 改变对燃烧过程的影响。 关键词：f l u e n t ；柴油机；掺氢比；喷油提前角； 华北水利水电学院硕士学位论文 a b s t r a c t c o m b u s t i o np r o c e s ss i m u l a t i o no fc u m m i n s i s m 3 7 0d i e s e l h y d r o g e ne n g i n e b a s e do nt h ef l u e n t a bs t r a c t t b d a 弘廿l ed e v e l o p m e n to fi n d u s 缸yi sv e r yr a p i di i lm es o c i e 吼也ee n e f g ys h o r t a g ea n d e n v i r o l l i l l e n t a jp o l l u t i o na r eb e c o m i l l gm o r es 舒o u sb e c a u s eo fm e 曲c r e a u s i l l go fm el a r g e v e m c l e 讹c hi sb a s e do ne n e r g y ，t 1 1 e nh y d r o g e nh a sa r o u s e dp e 叩l e sc o n c e m 砌c hi s 也e c l e a i la l t e m 撕v es o u r c e so fe n e r g y a l o n g 衍t l l 也ec o i n p u t e rt e c t l i l o l o g yd e v e l o p i i l gl e a p sa n d b o u i l d s ，1 ec o n l p u t a t i o n a lf l u i dd ) ，1 1 a 觚c s 谢d e l yh a sb e e n 印p l i e di i la l l d so fs i i n p l ea n d c o m p l e xn o wm o d e la n a 】y s i sm a tn o t0 1 1 l ys h o n e n 也ec y c l eo fs c i e n t i 6 cr e s e a r c h ，b u ta l s o s a v em a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s d i e s e le n g i l l e s ，g o o dd y n 砌c ，b u te a s yt ow o r kr u d e l y ；h y d r o g e n ，l o wi g 血t i o ne n e r g y ， f 瓠tc o m b u s t i o ns p e e d ，c a ni n l p r o v e 也ec o m b u s t i o nq 砌i 够o fd i e s e lf u e l t e l n p e r a t u r e ， p r e s s u r ea n dv e l o c i 够s e r i o u s l ym f l u e n c e d 也eq u a l i 锣o fm i x t u r ef 0 订n a t i o n ，e n g i i l e 也e r m a l e 伍c i e n c ya n de i n i s s i o l l s ，w k c hr e n e c tt 1 1 ee n g 血p e 面n n a i l c e w i 血d i 航r e n tp r o p o i t i o no f h y d r o g e na i l d 画e c t i o na d v a l l c ea 1 1 9 l e ，m ec h a n g eo fc o m b u s t i o nt e i n p e r a l = u r e ，p r e s s u r e ， d i 疵r e n tc o i n p o n e n ta 1 1 ds p e e di nas i xc y l i l l d e r ，f o u rs 仃o k e ，m i x e dh y d r o g e na i l dh e a v yd i e s e l e n g i n ei ss i i n u l a t e da 1 1 da 1 1 a l y z e db yu s i l l gm es o 觚a r eo f 廿1 ec o m p 讹l t i o n a ln l l i dd y n a 面c s f 1 u e n t u s i n gt 1 1 ep r e - p r o c e s s i n gs o f 呐a r eg a i n b i t ，让l em 6 d e l i n gi sc o m p l e t e da n d 嘶do ft l l e e n g 血ec o m b u s t i o nc 1 1 a m b e ra n dc y l i n d e ri sd i v i d e d t h e nm e rm o v i l l g 缸of l u e m ，s e tm e 班d ，仃a 1 1 s p o ne q 嘶o n ，t u r b m e n tc o m p o n e n t s c h e n l i c a lr e a c t i o ni n t e r a c t i o nm o d e l ，c h o o s e c o m b u s t i o nw a yw i t l l c o i i 】【p r e s s i o n i 9 1 1 i t i o n ， s e t i 叫e c t i o nc o n d i t i o n s ，d e f i n eb o u n d a r y c o n d i t i o n sa 1 1 d 洫t i a l i z ep r e s s u r e ，t e m p e r 姐鹏a 1 1 d 也ep r o p o n i o no fc o 1 p o n e n t s t 1 1 r o u 班 c o n l p 疵g 诵md j 侬l r e n ts 血u 1 撕o nr e s u l t s 枷c hi sg o tb yc h a l l g i i l gh y d r o g e nr a t i oa 1 1 d i i 巧e c 面o na d v a n c ea i l g l e ，t h e 曲血u e n c eo nc o m b u s t i o np r o c e s si sa n 2 l l y z e dw i 也也ec h a n g eo f 铆op 黝e t e r s i y w o i m s ：f l u e n t ；d i e s e le n g i n e ；p r o p o n i o no f h y d r o g e n ；如e l 咖e c t i o na d v a i l c ea 1 1 9 l e 华北水利水电学院硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源 1 绪论 郑州市科技计划项目( 项目编号：0 9 1 0 s g y g 2 3 2 6 1 3 ) 氢汽油双模式车用发动机燃 烧特性与控制技术研究 1 2 能源危机 伴随时代的前进，世界经济飞速发展，工业也发生了日新月异的变化，世界能源 消费量巨大，并随着经济发展、人口剧增而明显增长。有报告指出，2 0 0 2 年全球一次 能源消费量为9 4 0 5 亿吨石油当量，且2 0 3 0 年时要生产1 5 3 亿吨石油当量才能满足全 球的消耗【o j 。 现代社会中，与人们生产、生活息息相关的航空航天、车辆船舶、化工等产业与 石油的关系越来越密切。据统计，2 0 0 1 年的石油消费量占世界能源消费总量的3 8 5 ， 煤为2 4 7 ，天然气为2 3 7 。水电、核能次之，可再生能源占有较小一部分的比例。 化石能源的储存量是有限的，并且是不可再生能源。目前化石能源面临着严峻的态势， 主要是人类对其进行的大量开采和不科学的使用。大量研究表明，随着能源的不断开 采，全球石油4 0 年后将近枯竭，天然气大约是6 0 年，煤的储藏量虽较多，但是2 0 0 年后也几乎不复存在。 中国的能源储量缺口较大，虽然能源储配较多，但我国人口众多，基数大，致使 我国人均能源可采储量远远达不到世界的平均水准。2 0 0 0 年人均石油可采储量只有2 6 吨，为世界平均值的1 1 1 ；人均天然气可采储量1 0 7 4 立方米，为世界平均值的4 3 ；人均煤炭可采储量9 0 吨，为世界平均值的5 5 4 。根据目前我国已经探明能源情 况，石油、天然气和煤的使用年限分别为8 0 1 0 0 年、1 0 年、2 0 年。2 0 0 0 年我国机 动车消耗石油占全国的1 3 ，约为6 5 6 0 万吨，到2 0 2 0 年，中国石油可供量为1 8 2 亿 吨，而消费量将达4 3 6 1 亿吨，缺口达2 5 4 1 亿吨。由于中国石油产量不可能大幅 增长，今后新增的石油需求量几乎要全部依靠进口，到本世纪二十年代年左右，石油 进口量有可能超过3 亿吨，而成为世界第一大油品进口引二5 1 。 1 3 环境污染 随着能源消耗的剧烈增长，噪音、温室效应、空气、臭氧层破坏等污染现象层出 不穷。酸雨、温室效应等大气污染严重危害到人类的生存环境，大气污染现象的日益 严重己引起人们越来越多的关注。汽车工业与社会经济相互促进之外，也造成了环境 的污染，其排放约占大气污染的6 5 ，因此，汽车尾气排放已经很严重。据统计，目 华北水利水电学院硕士学位论文 前我国国产车的氮氧、碳氢化合物等的排放远远高于二十世纪九十年代。由于技术水 平低，虽然我国汽车数目等于或小于一些经济、技术发达的国家，但其污染程度远远 重于国外情况。出现上述情况，主要由于我国汽车技术发展水平尤其是创新及开发技 术落后，国内薄弱的汽车技术导致了汽车尾气的排放增加。 车辆的尾气排放中含有数百种不同的物质，其中有害成分占的比重较大。排放的 物质中n o x 、h c 、c o 等都是对人类健康有害的物质，它们之间能够相互作用生成二 次污染产物。 n o 、n 0 2 等是汽车尾气的主要成分，n 0 x 是在地面附近形成光化烟雾的主要因 素之一，n o 是无色气体，本身毒性不大，但在大气中缓慢氧化成n 0 2 ，n 0 2 有强烈 刺激味，可以毒害人体的肺和心肌；低浓度下的h c 对人体没有什么大的伤害，但超 过一定量时会导致人体中毒，在不完全燃烧时会产生烃类、醛类等，该物质对人类的 皮肤、眼睛等是有害的；如果人体吸入c 0 ，c o 与血液中的血红蛋白结合，导致缺氧 的产生，使人出现各种症状，严重时会使人窒息而亡。 为了抑制发动机污染物的排放，人类采取了很多有效可行的方法，主要体现在下 面几点中：1 ) 、对发动机燃烧技术进行改进，如采用三元催化器技术、废气再循环技 术等一系列的清洁高效燃烧技术；2 ) 、要逐步提高燃油质量，即提高柴油和汽油的油 质来降低汽车污染物的排放；3 ) 、最重要也是目前热门研究的一种方法寻找清洁 替代能源，如天然气、氢气、甲醇和二甲醚等。 1 4 氢及在发动机上的应用 为了应对已经出现的能源危机，解决汽车排放引起的空气污染、温室效应和酸雨 等问题，从节约能源和可持续发展战略出发，开发新的清洁替代能源正在引起各国和 各大公司的重视。氢以环保性和永久再生性等优点，成为理想常规能源的最佳替代物， 对氢能的研究正成为人类研究的热点【l 】，它本身无毒，产生能量大，燃烧无污染。 氢在自然界中广泛存在，动植物、大气中都存在大量的氢。大量研究表明宇宙质 量的7 5 是由氢组成的，地球上的氢主要以其化合物，如水( h 2 0 ) 、甲烷( c h 4 ) 、 氨( n h 3 ) 、烃类( c 吐i i n ) 等的形式存在。而水是地球的主要资源，地球表面的7 0 以上被水覆盖，即使在大陆，也有丰富的地表水和地下水。据推算，如果把海水中的 氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还要大9 0 0 0 倍【7 1 。天然的氢气在自然界中存在的非常少，所以人类探索了很多方法来制取纯净的 氢。1 ) 、利用自然界存在的化石燃料来制取氢；2 ) 、利用自然界存在的非化石燃料来 制取氢；3 ) 、利用电解水来制取氢。 氢是一种优良的能源载体，具有可储存的特性。储能是合理利用能源的一种方式。 太阳能、风能分散间歇发电装置及电网负荷的峰谷差或有大量廉价的水电可以电解水 制氢储存起来，以供需要时再使用，这种储能方式分散灵活。氢能也具有可输的特性， 1 绪论 在一定条件下将电能转化为氢能，输氢较输电有一定的优越性。除核燃料外，氢的发 热值非常高，约为汽油和柴油发热值的3 倍，适合用作内燃机燃料。 由于理化性质的特殊性，作为内燃机燃料，氢气与市场上的常规燃料相比具有一定 的优越性。表l 一1 列出了柴油、汽油、天然气和氢气作为内燃机燃料的特性。 对表中几种燃料作比较，可发现氢气作为内燃机燃料有如下几点优势：氢气的可燃 混合气范围很广，稀燃极限很大，易于实现稀薄燃烧，这样既可以提高经济性又可以控 制燃烧的最高温度，从而降低n o x 的排放，同时也有利于降低循环变动，提高内燃机 的工作平稳性，降低噪声悸j ；氢气的淬熄距离很短，内燃机不易发生汽油机中常见的淬 表1 1 柴油、汽油、天然气以及氢气燃烧特性 t a b 1 - lt h eb u m i n gc h a 阳c t e r i s t i c so fd i e s e l ，g a s o i i n e ，聃t u r ea n dh y d r o g e n 熄效应，燃料的燃烧更加充分；氢气在空气中的扩散速度很快，氢气在泄漏后能很快飘 散，对安全性有一定好处；氢气燃烧速度很快使得氢发动机的燃烧持续期很短，这有效 地提高了热力循环的等容度，提高了热效率。另外，较高的燃烧速度使点火提前角可以 推后，这有利于让燃料大部分热量的释放在上止点之后进行，增加热效率。当然，快速 燃烧对高速内燃机的工作也是大有裨益的( s 】。氢气在空气中的自燃温度较高，另外，其 燃烧速度相对汽油和天然气则有数量级的提高，这使得氢燃料内燃机的抗爆震性能很 好，可以适当提高压缩比来改善性能。 鉴于能源危机和氢气作为发动机燃料的优势，国内外为此展开了技术竞赛，都想在 氢燃料发动机这一领域独占鳌头。包括我国在内，日本和欧美一些国家都先后投入了大 量的人力和财力，来展开这一领域的研究工作。 华北水利水电学院硕士学位论文 1 5 氢发动机的发展 1 5 1 氢发动机的国外发展概况 关于氢发动机国外早就有所研究。1 9 世纪中期，人们就致力于氢发动机的开发。到 2 0 世纪初，英国学者耻c a r d o 等人用了2 0 年的时间，对氢内燃机的燃烧和工作过程进 行了详细的研究9 1 。2 0 世纪最后几十年，随着金融危机国际油价不断上涨，日本、美国 和德国等国家对氢燃料发动机进行了大量的研究攻关，日本武藏工业大学与尼桑公司于 1 9 9 0 年合作研制成功了“武藏汽车”液氢汽车。 2 0 0 1 年，美国福特公司生产出了第一辆氢燃料发动机试验车，并不断推出更新换代 的概念车型。2 0 0 6 年，在福特e 4 5 0 氢燃料客车中装备了氢燃料6 8 lv 1 0 内燃机，并取 得了很好的效果。 由欧盟委员会发起并推广的氢燃料内燃机项目于2 0 0 7 年3 月份取得了重大进展， 在三年的科技攻关中，研制出了新一代氢燃料发动机，实现了氢燃料发动机的优化。该 项目在宝马集团的负责协调下，开发出两种燃气混合模式的概念，这两种模式已在乘用 车和城市巴士的内燃机上得到验证，必要的关键性部件也同时研发。 宝马集团于2 0 0 7 年推出世界第一款供日常使用的氢动力豪华高性能轿车b m w 氢 能7 系。b m w 氢能7 系完美结合了氢技术及典型的b m w 轿车的动态性能和驾驶表现， 并展示了氢能驱动技术的巨大潜力，是宝马集团致力于未来世界个体机动性可持续发展 的有力证明，这意味着宝马集团，乃至整个汽车与能源行业向不依赖矿物燃料的可持续 机动化产业时代迈进了一个里程碑剀。 1 5 2 氢发动机的国内发展概况 以美国、德国、日本等为代表的发达国家已经致力子氢发动机的研究很多年了， 并且己取得了很多卓有成效的成果，目前以中国、印度等为代表的国家也开始积极投 入以氢作为燃料发动机的研发中来。我国对氢发动机的研究起步较晚，主要集中在各 个高校和研究院中，其中包括浙大、天大、吉林工业大学、北京有色金属研究所包头 冶金研究所等。天大、天津内燃机研究所及内燃机燃烧学国家重点实验室对汽油一氢 发动机和氢发动机的燃烧情况进行了试验研究，发现通过采用喷水和废气再循环等措 施，可有效抑制氢发动机异常燃烧的发生【6 】。浙江大学曾与日本的武藏工业大学合作 对氢发动机进行了比较系统的实验研究，他们对汽油一氢混合燃烧、预混式氢发动机、 缸内喷射火花点火氢发动机都进行了理论和试验的研究，并用模糊神经网络控制，认 为内燃机的异常燃烧、动力增加及n o x 减少在很大程度上取决于正确的喷氢系统、喷 射正时及点火正时 6 】。国家很多专家学者已经达成共识，一致认为发展我国的氢能源 内燃机技术对提高我国车辆研发综合水平，发展新能源技术，打破国外的技术垄断具 有非常重大的实际意义。在国家“8 6 3 ”计划支持下，北京理工大学与重庆长安汽车集 4 1 绪论 团合作研制的第一台高效低排放氢燃料内燃机实现点火，这标志着我国氢燃料内燃机 研究技术又有了新进展【1 0 13 1 。 1 6 混氢柴油机简述 虽然氢燃料在能源和环保方面具有独特优势，被认为是最具前景的未来汽车发动 机的主导燃料之一【1 4 。17 1 。氢作为发动机燃料时有燃烧速度快、点火能量小和着火界限 宽等优点，但若控制不当，这些优点将转化为阻碍氢发动机发展的致命缺点【1 8 2 1 】。氢 发动机存在的问题：n o x 排放的升高和动力性的下降，而且易于发生早燃、回火、燃 烧压力波动、工作粗暴等异常燃烧现象，使氢发动机异常燃烧与提高功率的矛盾始终 困扰着氢发动机车研究的发展。 近年来，随着人们对柴油机的重视度不断提高和对排放的日益关注，研究者对其进 行了很多深入的工作。国内外研究表明，氢气与柴油所组成的混合燃料发动机可以有效 推动发动机燃烧与排放性能的提高，柴油机掺氢能显著降低碳烟的排放量，并且加氢之 后，热效率得到很大提高，燃油消耗量明显降低。 相关研究已对柴油加氢的双燃料发动机燃烧模型作了零维、准维和多维燃烧模型等 方面的探索。多维燃烧模型基于三大守恒方程，得出相关燃烧阶段的如浓度场、压力场、 气液相流场、速度场、温度场和组分输运浓度等的各种参数信息，而且可以体现其内部 各种排放物的微观生成机理。 1 7 本文研究的目的及内容 氢气作为发动机燃料有很多优点：氢气是一种清洁能源，无污染，扩散速度快，易 于与空气混合：氢燃烧速度快，火焰传播速度快，故而燃烧热效率高；氢空气混合气 具有特别广的可燃范围等。在柴油机中添加一定比例的氢气，改变喷油提前角会影响柴 油机的燃烧过程，而柴油机的燃烧质量严重影响发动机的动力性、经济性、排放性等综 合特性。因此本文的研究对于形成良好的燃烧过程，开发高性能的柴油掺氢发动机具有 一定的指导意义。 由于直接在一些复杂设备上进行试验测试和改进难度较大，耗费周期长，费用高， 计算机技术和计算流体力学( c f d ) 技术的飞速发展，为发动机中许多问题的研究和解 决提供了有利的手段。与实验相比，应用c f d 技术进行模拟计算，不仅花费少、开发 周期短，还能通过简单的修改参数就能得到大量的信息量。 本文利用计算流体力学软件f 1 u e n t 对发动机缸内燃烧过程进行数值模拟，整个模 拟过程的主要内容包括：柴油掺氢发动机气缸几何模型的建立；数学模型的建立；计 算网格的划分；动网格的生成；边界条件和初始条件的确定；方程的离散和求解；可 视化处理与分析，通过改变掺氢比和喷油提前角来分析其对燃烧过程带来的影响。 华北水利水电学院硕士学位论文 1 8 本章小结 由于目前能源短缺的严峻性，本文首先介绍了能源短缺的现状、污染以及汽车排 放问题，从而引出了代用清洁能源一氢，具体分析了氢作为发动机燃料的几大优势， 并综述了氢发动机的国内外发展状况，最后讲述本文的任务。 6 2 数值模拟在发动机研究上的应用 2 1c f d 简介 2 数值模拟在发动机研究上的应用 c f d ( 计算流体动力学) 是一门具有强大生命力的近代流体力学，是数值计算学科 和计算机科学相结合的产物。它应用计算机来对各种离散化数学方法进行数值实验、 计算机模拟和分析研究，通过计算分析得到各种解决问题的方案。 c f d 目前在国际上是一个强有力的研究领域，是进行多种领域模拟仿真的关键技 术，应用广泛：汽车设计、航空航天设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设 计、半导体设计、h a 、，c & r 等诸多工程领域。该流体力学是用数值方法求解非线性 联立的质量、能量、组分、动量和自定义标量的微分方程组，通过求解结果对传质、 传热、燃烧、流动等过程的细节进行预报，和相关的计算传热学、燃烧学的原理类似， 成为过程装置优化和放大定量设计的有力工具。计算流体力学从基本物理定理出发， 进行数值模拟，从而在很大程度上降低了实验成本和工作强度，对流体力学科学研究 产生了重大影响，并推动了其在流体动力学方面的发展。 2 1 1c f d 的特点 c f d 通过非线性数学方程组，结合数值模拟方法来研究流体运动的规律，它采用 数值方法直接求解和描述流体运动的基本规律。 c f d 的优点如下： 1 、由于计算的几何形状和边界条件相对复杂，求解相对困难，而且流动问题一般 有控制方程非线性和自变量多的问题，通过应用c f d 的方法可以对原来难以解决的问 题找出满足工程需要的数值解。 2 、计算流体力学有较强的灵活性，不受实验模型和物理模型的限制，它能简易的 模拟现实环境条件下的特殊尺寸、温度、燃点等，克服了实验条件下无法达到的实验 标准环境，降低了问题解决的实验周期和成本，并且c f d 可充分的利用强大的计算机 资源进行各种复杂数值实验，数值模拟不仅应用范围广，还能对不同参数的影响进行 对比分析1 2 2 彩j 。 在仿真计算时要以一些简单的、线性的和与原有问题有一定关系的数学方程为依 托，通过分析非线性问题并给出数值解的理论依据，同时通过典型算例计算结果的比 较和物理特性分析并依靠对线性和非线性数学方程的数值实验及数值解验证计算结 果，对实验方法进行进一步改进。所以实验研究、理论分析和数值模拟方法是研究流 体运动的三种基本方法，它们是相互促进相互依赖的发展关系f 2 牝6 1 。 华北水利水电学院硕士学位论文 图1 1c f d 模拟流程图 f i g u i e1 1s i m u l a t e dn o wd i a g r 锄 c f d 仿真计算时先建立所分析流场的控制方程，再将其离散到一系列空间网格节 点上，最后求解离散的数值解，采用c f d 方法对流体的流动进行数值模拟，其过程如 图1 1 所示。在建立数学模型时，要充分反应所解决问题的本质是数值分析的出发点 和数值模拟的意义所在。对于控制流体动力学的基本方法和理论有质量守恒定律、能 量守恒定律和动量守恒定律，可以通过这些理论推导出动量方程、能量方程等，并将 这些推导方程联立得到n s 方程组( 纳维尔一斯托克斯方程组) 。n s 方程求解的方法 有很多，比如有限差分法、有限元法、有限体积法、谱方法等。各种离散方法主要差 别于流动变量( 速度、压力、温度等) 的近似方法和离散化方式。解控制方程的离散 格式有：有限差分方法、有限元法、谱方法、有限体积法等，目前主流的c f d 软件均 采用有限体积法。 2 1 2c f d 的应用及意义 c f d 发展较早，为了满足工业发展需求，计算流体力学不断的得到了重视和发展。 理查德早在二十世纪初就已提出用数值方法来解流体力学问题的思想，但由于当 时受到环境和计算工具等因素的影响，并未引起重视。四十年代中期，数值计算和模 r 2 数值模拟在发动机研究上的应用 拟才通过计算机技术的快速发展和在数学领域的推广应用得以实现。 1 9 6 3 年美国的f h 等使用i b m 7 0 9 0 计算机，成功地解决了二维长方形柱体的绕 流问题，并给出尾流涡的形成和演变过程；1 9 6 5 年，哈洛和弗罗姆对计算机在流体力 学中的巨大作用作了介绍。从6 0 年代中期开始，c f d 技术共经历了三个发展阶段： 初始发展阶段( 1 9 6 5 一1 9 7 4 ) 、工业领域应用阶段( 1 9 7 5 1 9 8 4 ) 和高速发展阶段( 1 9 8 5 苓瓜、【2 7 】 = 七一7 o 传统数值分析实验方法和实验理论方法受到了昂贵的实验费用和低产出问题的影 响，这两种方法并未得到充分应用，而c f d 正好克服了这一缺点，它具有低成本和高 效模拟复杂计算情况等优点，对数值计算分析有很大的应用价值。c f d 软件的应用能 减小实验开发周期、科研经费和工作量，还能得到很大的模拟信息量【2 8 。 2 2 发动机模拟的发展概况 2 2 1 发动机模拟的国外发展现状 从2 0 世纪7 0 年代起，国外研究学者在对发动机气体流动等的多维数值模拟上面 取得了很大进展。多维数值模拟由最初的二维模拟到三维模拟，有稳态流动发展到瞬 态流动模拟，由单纯的缸内流动到进气道一气门一缸内流动模拟。1 9 8 7 年，g o s m a n 和 趾1 1 1 1 e d 对轴对称进气道气门缸内流动进行了实验和计算研究【3 1 】。2 0 世纪8 0 年代末， s l l i g e bs u 酉啪等人运用多维稳态流动计算研究了进气道气门缸内系统中进气系统 几何形状对质量流量和流型的影响。d a n i e l 等人对进气道和缸内气体流动模拟，发现 了涡流和滚流占优势的差别。w i l l i 锄t a y l o r 模拟了整个进气系统，分析了不同气门升 程下的压力损失1 2 9 j 。由于瞬态流动与实际发动机燃烧情况更为接近，一些学者开始对 瞬态流动进行研究和分析。1 9 9 2 年，美国通用汽车研究所的t 抽g w 萌k u o 提出了粒 子阻滞技术处理气门运动，对一个切向气道缸内流动进行了三维瞬态模拟【3 0 1 。1 9 9 6 年，w o l fb a u e r 和j b h e y w 0 0 d 用s t a r c d 模拟了进气系统的瞬态流动，并与实验值 进行比较【3 1 1 。 2 2 2 发动机模拟的国内发展现状 我国己在气缸系统三维流动模拟研究方面取得了一些研究成果，近年来也又不少 科研单位对此进行了深入研究。华中理工大学的杨玫等人采用贴体正交网格、k _ 双方 程湍流模型以及s i 脚l e 算法模拟计算了螺旋进气道气门缸内的三维湍流流场，系 统地研究了内燃机进气道稳流实验装置中气体三维流动特征。天津大学的刘书亮采用 a l e 法、研究了4 气门汽油机进气及压缩过程的流场【3 2 】。蒋勇用p i c o f d 模拟了直 喷式柴油机螺旋进气道进气门气缸内气体流动。天津内燃机研究所的周颖等人运用 f i ，1 疋n t 软件中的动网格生成技术对一摩托车用发动机的进气过程进行了三维瞬态数 值模拟，为发动机设计和改进提供了理论指导。 9 华北水利水电学院硕士学位论文 我国与国际先进水平相比还存在差距，对进气道气门一缸内系统三维流动模拟的 研究还停留在稳态模拟，对瞬态模拟的研究没有得到充分的发展；在一些进气道一气门 缸内系统的三维流动瞬态模拟中，气门模型多采用颗粒模拟技术，即使采用贴体气门 模型也只限于气门垂直布置的情况，没有研究气门任意布置时的情况；而三维流动模 拟研究尚处于理论探寻研究阶段，在实用型研究应用上还没得到应用。 2 3 数值模拟软件的选择 c f d 软件一般由前处理、求解器、后处理三部分组形成，三大模块各有其独特的 作用。常用的流体模拟软件有：v i ，p h o e n i c s ，f l ：n t ，s t a r c d ，a v l f i r e 、 c f x 等。这些软件的差异表现在模拟流动情况、燃烧模型及计算方法的不同。f i l ，e n t 功能强大、所含物理模型多、数值方法先进，涡轮机设计、汽车设计、航空航天等领 域都有所应用，管道流动、燃烧和多相流等能源上的应用也颇为广泛【3 引。 f l u e n t 包含了多领域的模拟软件，如流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂 的物理现象等，它们组成了c f d 计算机软件群，软件采用统一的前、后处理工具，软 件之间可以进行数值交换，可以使科研工作者减少在计算方法、编程、前后处理等方 面投入的时间，使他们将主要精力投入到物理问题本身的探索上【3 4 3 5 1 。发动机燃烧存 在流体的湍流运动，当柴油机加入一定比例的氢气后，由于氢气反应速度快，加速了 缸内燃烧的湍流流动，继而影响整个燃烧过程，以致影响发动机的整体性能，对于本 文研究内容选用f 1 u e n t 进行模拟分析。 2 3 1f 1 u e n t 的应用范围 f l u e n td v n 锄i ci n t e m a t i o n a l l ( f d i ) 是有限元技术领先公司所开发的，p o l y n o w 是聚 合物和粘弹性流动仿真技术领先公司所开发的，由于f 1 u e n t 软件包含了f l u e n t d ) ，1 1 锨i c h l t e m a t i o n a j ( f d i ) 和p o l y n o w 的所有技术力量，故f l u e n t 软件中的各个板块包含了多 种优化的数学和物理模型，在热交换、制药、生物、航海、气油燃烧和排放、汽车行 业、旋转机械、航天机械、建h v a c 电子、建筑和消防设计、材料处理等领域得到了 广泛的应用，因此应用f l u e n t 模拟技术可以解决下述多种简单和复杂的问题： l 、不可压或可压流动； 2 、耦合热传导和对流； 3 、辐射热传导模型； 4 、定常状态或者过渡分析； 5 、牛顿流或者非牛顿流； 6 、惯性( 静止) 坐标系或非惯性( 旋转) 坐标系模型； 7 、对流热传导，包括自然对流和强迫对流； 8 、无粘，层流和湍流； 9 、热，质量，动量，湍流和化学组分的控制体源； 1 n 2 数值模拟在发动机研究上的应用 1 0 、化学组分输运； 1 1 、一维风扇热交换模型； 1 2 、复杂外形的自由表面流动； 1 3 、两相流，包括气穴现象； 1 4 、多孔流动； 1 5 、多重运动参考框架，包括滑动网格界面和转子定子作用模型的混合界面； 2 3 2f l u e n t 的特点及前后处理器 与传统c f d 计算方法相比，f i u e n t 具有以下优点： 1 、f l u e n t 稳定性高； 2 、f l u e n t 拥有丰富的物理模型，适用范围广，涵盖了几乎所有与流体相关的领域； 3 、精度高，提高到了二阶精度。 此外，f l u e m 软件采用c 语言编写，可实现动态内存分配及高效的数据结构，灵 活地控制解的结果，从而大大提高了对计算机内存的利用率。由f l u e n t 公司开发的前 处理软件q l i n b i t 可以构造简单的二维和三维结构模型，虽然它的建模功能不是很强 大，但对于网格的划分，比其它前处理软件有着很大的优势。g a m b i t 不但可以划分结 构化网格和分区剖分网格能力，而且能够自动划分完全非结构化网格。划分二维面的 网格时，提供了包含三角形、四边形、三角形和四边形混合的三种网格类型以及五种 划分网格的方法；对于三维实体的网格划分，提供了锥形网格、六面体网格、楔形网 格和四面体网格等网格类型，并提供了上述多中网格相混合的划分方式。 本文的后处理器选用f l u e n t 自带的后处理功能来观察、分析掺氢比和喷油提前角 对缸内燃烧过程的变化，它提供的图形工具有很多，可以创建希望得到的数据表面， 绘制等值线图、速度矢量图、直方图和x 、y 散点图，同时还能生成不同参数的动画、 报告统计分析等等，这给我们观察、分析模拟结果提供了很大的方便。 2 3 3f 1 u e n t 的分析过程 选用f l u e n t 进行流动问题模拟分析的主要步骤如下： 1 、利用g 锄b i t 或者其他前处理软件来建造几何结构的模型，并得到合适的可用 网格； 2 、点击f l u e n t 快捷方式，进入f l u e n t 解算器，根据所画模型选择2 d d p 、2 d 、 3 d d p 或者3 d 计算器。2 d d p 和2 d 分别为二维双精度和二维单精度版本，3 d d p 和 3 d 分别为三维双精度和三维单精度模块。总体来讲，运用单求解器计算的准确度较高， 且计算时间算短、工作量小，但是对于复杂形状的几何模型，选择双精度求解器模拟 计算能更贴近地符合实际情况。 3 、读取网格文件。f l u e n t 可以读取的文件类型为c a s 和d a t e 类型。一般来说，一 个c a s 文件包括网格、边界条件和解的控制参数。如果网格是其他格式，可以选取f l u e n t 华北水利水电学院硕士学位论文 的i m p o r t 命令。另外需要注意以下文件格式： 1 ) j o u 文件为可以编辑运行的日志文档； 2 ) c a s 文件为经过f 1 u e n t 定义后的文件； 3 ) m e h 文件为g 锄b i t 输出的网格文件； 4 ) d a t 文件为f l u e m 计算后的数据结果； 5 ) d b s 文件为g 锄b i t 的工作文件。 4 、进行网格的检查。 读入网格文件后选择耐d c h e c k 检查网格的质量好坏。在检查过程中，可以看到 在控制台窗口中的区域方位、提及统计以及连通性信息。网格的检查最容易出现的问 题是网格体积问负数。若出现最小体积为负的网格，就需要对网格进行修复或者重新 划分网格来减少解域的非物理离散。 5 、选择解的格式。 根据问题的特征来选择解算器的具体格式，后面章节会针对不同的物理模型具体 展开说明求解的具体格式。分离求解器是f l u e n t 默认的求解器。 6 、选取基本模型。如燃烧模型、流动特性等【3 5 l 。 7 、选择用到的其它模型。如热交换、风扇等1 3 3 j 。 8 、选定或者修改所用材料的物理属性。 可以在材料里面选择气体属性，或者创建一个软件数据库中没有的材料特征，这 需要用户对材料的物性特征进行自定义。 9 、指定边界条件。 相应的选择菜单为d e f i n e b o u l l d a r yc o n d i t i o n s ，对于制定边界条件的类型和数值 进行设置。 1 0 、调节解的控制参数。 选择s o l v e c o n 拄0 1 s 子菜单，可以在打开的面板里面改变亚松弛因子、多网格参 数以及其他流动参数的默认值。但总体来说，这些参数是默认的，是经验值，适合多 数情况。 1 1 、对残差进行监视。 此项可选也可不选，主要是监控计算的收敛以及精度的变化情况，通过s o l v e m o i l i t o 卜r e s i d u a l - p l o t o k 来激活残差图，可以在计算过程中观察残差，残差变化曲线 由上向下逐渐减少的趋势表明计算有收敛的可能性，模拟结果可能会比较理想。 1 2 、初始化流场。 在迭代之前一般需要初始化流场，即提供一个初始状态下的解，用户可以根据一 个或者多个边界条件计算得出初始解，也可根据需要选择相应的菜单s o l v e i n t i 2 l l i z e 来设置流场的初始数值。 1 3 、进行解的迭代。 选择s o l v e h e r a t e ，设置迭代次数即时间步总数进行迭代计算。 1 ， 2 数值模拟在发动机研究上的应用 1 4 、对结果进行检查。 通过图形窗口中的残差图查看收敛过程，通过残插图可以了解迭代解是否已经收 敛到允许的误差范围内；还可观察流场分布图，相应的选择菜单为d i s p l a y - v e l o c 时 v e c t o r s 。 1 5 、对于计算结果进行保存。 问题的定义和f l u e n t 的计算结果分别保存在c a s 文件和d a t 文件中。必须保存这 两个文件以便以后重新打开分析结果。保存这两个文件的相应选择菜单为f i l e w r i t e - c a s & d a t 。 如果有必要，可以改变网格数目，对网格进行细化，在f l u e n t 里面改变数值和数 学、物理模型。 2 4 本章小结 本章综合阐述了计算流体动力学的特点、应用及意义等。分析了内燃机在数值模 拟技术上的应用和国内外概况。针对软件特点，结合文章研究内容，本文选用目前较 为流行的f l u e n t 软件，并简要介绍了应用范围、特点及分析过程。 华北水利水电学院硕士学位论文 3 康明斯i s m 3 7 0 柴油机模型的建立 3 1 几何模型的建立 由c f d 模拟流程可知，准确进行数值模拟的一个重要前提是对所用几何模型的准 确描述。本文主要是对氢柴油发动机压缩和膨胀过程进行研究，因此在保证对模拟结 果不产生很大影响的前提下同时为了避免在网格划分时产生网格尺度的巨大差异，对 发动机真实结构进行了一些简化处理，主要建立了氢柴油发动机气缸和燃烧室的几何 模型【3 6 38 1 。本文所要模拟的氢燃料内燃机原型是一台六缸四冲程重型柴油机，其具体 参数如表3 1 所示。 表3 1 掺氢柴油机基本参数 t a b 3 - lb a s i cp a r a m e t e r so fh y d r o g e n - d i e s e lf u e le n g i n e 项目相关参数 柴油机生产 商 柴油机型号 生产年 发动机排量 标定功率 最大扭矩 气缸数 缸径x 行程 冲程 燃油系统 e g r 涡轮增压 燃烧室形状 康明斯 i s m 3 7 0 1 9 9 9 1 0 8 升 2 7 0 k w ，18 0 0 r m i i l 18 2 9 n m ，1 2 0 0r m i n 6 1 2 5 m m 1 4 7 m m 4 电控直喷 无 无 依据表3 - 1 给出的发动机具体参数，本文采用n u e n t 的前处理软件g 锄b i t 建立柴 1 4 3 康明斯j s m 3 7 0 柴油机模型的建立 油机气缸及燃烧室的二维结构图，如图3 1 所示 图3 1 气缸及燃烧室几何结构图 f i g u r e 3 一lg e o m e t r i cs t r u c t u r eo fc y l i n d e ra n dc o m b u s t i o nc h a m b e r 3 2 计算网格的划分 网格划分工具g a m b i t 网格划分质量决定了仿真结果及精度，是燃烧数值模拟的重要前提。对燃烧仿真 来说，网格的智能划分是其不可或缺的组成部分。 f l u e n t 的前处理软件g 锄b i t 具有以下特点：是面向c f d 的专业前处理器软件，包含 完整的几何建模能力：可导入c a t 队、p a t r a n 、p r o e 、s o l i d w o r k s 等建立的模型 及网格；用户可对j o u m a l 文件自定义：新增几何修正工具：采用先进的六面体核心算法， 在很大程度上减少了网格生成时间和数量，提高了网格质量：如果构建的几何结构非常 复杂，选中要划分网格的区域后，g 锄b i t 可自动提供较为合适的网格类型及划分方式， 其中包含结构化网格和非结构化网格以及他们的混合使用；当附面层网格存在于网格生 成过程中时，为得到较好质量的网格可采用新添加的网格生成器一附面层网格生成器； 为满足求解需求，可使用尺寸函数功能来划分网格，使网格得到充分的分布和合理的过 渡，此功能可以自动控制网格的分布与生成；随时网格检测；从g 锄b i t 中导出相应的网 格类型及格式可以导入到a n s y s 、f l u e n t 等求解器中，充分发挥了其网格的前处理功能。 此外，无论是对简单还是复杂几何造型划分网格，g a m b i t 都有较针对性的结构化和完全 非结构化的网格与之相匹配，如图3 2 有三角形、四边形、六面体、楔形、四面体以及 锥形网格其中还包含它们的混合模式，网格生成的方法较多且能智能化地生成，这在 1 华北水利水电学院硕士学位论文 很大程度上节约