（机械设计及理论专业论文）基于粒子系统的内燃机燃烧可视化研究.pdf

溉江大学硬 论文 摘要 摘要 可视化作为理解复杂现象和数据的有效手段，在自然科学领域得到了广泛应 翅。本文提留蒸子粒子系绞茨蠹燃枫燃烧胃撬 二模型，该模型综合了火焰簧播可 视化模型、流场可视纯模垂及燃料属性w 视化模型三个子模型。 在对内燃机燃烧特征和现象分析的熬础上，本文引入粒子系统作为燃烧可视 化建模的基本方法，并介绍了面向内燃枫燃烧的粒子系统建摸的组成模块。 在火焰传播可视纯模黧中，采用火洛粒子系统追踪燃烧火焰前锋瑟的运动扩 展，火焰前锋两由火焰粒子组成，火焰被子的速度体现火焰传播速度。对于压燃 式内燃机，定义喷雾粒子系统模拟燃油喷嚣过程，喷雾粒子的运动体现雾束的运 动。 流场可视化模型是在分析燃烧湍流流动特征的綦础上模拟并构造流场，将流 场作用到火焰传播粒子使其运动发生改变，体现燃烧中的气流运动对火焰面形状 以及火焰传播速度静影魂。 燃料属性可视化模型，鼯将燃烧室窘阉离散成一系列阏格体单冗，嘲格体内 有一定质量的燃料气体，以及相应的温度、密度等属蚀。当火焰面传播到网格单 元所在的位置时，由于燃烧使得网格体的瀛度与浓度变他，其变化饿通过对应的 簇色与透暖菠遂示，器俸瑷燃浇孛豹湿度与浓度分毒。 文中介绍了模型实现的数据结构，建妲了温度一颜色映射表，构造了可视化 系统，实现了火花点火内燃机与双燃料聪燃式内燃机燃烧过程的三维动态可视 化，势给出了效果图片。 最后，对念文作了总结，并展望了今后的研究工作。 关键谲：粒子系统，内熬梳燃烧，霹褪徒，火焰传播，流流场，燃摹萼属性 = 勰掣= = = = = = 揣搿拦兰= = = ；蹴黜= = = = = = 畜= = 攀= = 一= ；= 罱： ：= i 浙江大学顾l 论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a sa na v a i l a b l em e t h o df o rc o m p l e x p h e n o m e n a a n dd a t af i e l d ，t h et e c h n i q u eo f v i s u a l i z a t i o nh a sb e c o m ea h o t s p o t i n e n g i n e e r i n g r e s e a r c h i nt h i s p a p e r , a v i s u a l i z a t i o nm o d e lb a s i n go np a r t i c l es y s t e mh a sb e e np u tf o r w a r dt ov i s u a l i z et h e c o m b u s t i o n p r o c e s s i ni n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e t h i s m o d e li n c l u d e st h r e e s u b m o d e l s ，t h a ti s ，f l a m ed i f f u s i n gv i s u a l i z a t i o ns u b m o d e l ，t u r b u l e n c es u b - m o d e l ， a n df u e lp r o p e r t ys u b m o d e l i nt h ef l a m ed i f f u s i n gv i s u a l i z a t i o ns u b m o d e l ，f l a m ep a r t i c l es y s t e mi sa d o p t e d t ot r a c kt h es p r e a do ff l a m ef r o n ts u r f a c ei nt h ec o m b u s t i o no fi n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e t h ef r o n ts u r f a c ei sc o m p r i s e do fl o t so ff l a m ep a r t i c l e s t h ef l a m ep r o f i l e v a r i e dw i t ht h em o v e m e n t o f p a r t i c l e s a sf o r t h ec o m p r e s s i o n i g n i t i o ne n g i n e ，as p r a y p a r t i c l es y s t e mi sd e f i n e dt os i m u l a t et h ef u e ls p r a yp h e n o m e n a , a n ds p r a yp a r t i c l e s a r eu s e dt od e s c r i b et h es p r a yf u e lp r o f i l e i no r d e rt o v i s u a l i z et h et u r b u l e n c e p h e n o m e n a i n c o m b u s t i o n ，a v i r t u a l t u r b u l e n c ef i e l ds u b m o d e lh a sb e e nc o n s t r u c t e d t h et u r b u l e n c ef i e l dc o n t r i b u t e dt o t h ef l a m ed i f f u s i n gp a r t i c l e s t h e r e f o r e ，t h em o t i o no fap a r t i c l ei sc h a n g e d ，a n dt h e p r o f i l eo ff l a m ef r o n ts u r f a c eb e c o m e sm u c hm o r ew r i n k l e d m o r e o v e r ，t h i sc a u s e s t h ef l a m ed i f f u s i o nm o r e q u i c k l y b e c a u s e t e m p e r a t u r e a n dd e n s i t ya r ev a r i e dw i t ht i m e ，i ti s s u p p o s e dt h a t t e m p e r a t u r ea n dd e n s i t ya r et h ep r o p e r t i e so ff u e l av o x e ls u b m o d e li sp r e s e n t e dt o d e s c r i b et h ev i s u a l i z a t i o no ff u e l p r o p e r t y t h es p a c eo fc o m b u s t i o nc h a m b e ri s d i v i d e di n t om a n yv o x e l s f o re a c hv o x e l ，i ti sn o to n l yf i l l e dw i 也f u e l b u ta l s oh a s l t so w n p r o p e r t i e s - s u c ha st e m p e r a t u r ea n dd e n s i t y a ss o o na st h ef l a m ef r o n ts u r f a c e r e a c h e st h ev o x e l ，t h e p r o p e r t i e sw i n b ec h a n g e d ，a n dt h e s ec h a n g e sw i l lb es h o w n o n t h es c r e e nb y a p p l y i n g d i f f e r e n tc o l o r sa n d 仃a n s p a r e n c e s t h ed a t as t r u c t u r eo fv i s u a l i z a t i o nm o d e li s g i v e na n dat e m p e r a t u r e c o l o r m a p p i n gt a b l e i s c r e a t e d b yu s i n gt h ec o m b u s t i o nv i s u a l i z a t i o nm o d e l ，t h e3 d d y n a m i cv i s u a l i z a t i o nf o rb o t hs p a r ki g n i t i o ne n g i n ea n dc o m p r e s s i o ni g n i t i o nd u a l f u e le n g i n ea r er e a l i z e d f i n a l l y , a l lo fw o r k si nt h i sp a p e ra r es u m m e du p ，a n dt h ef u t u r ew o r k sa r e p r o s p e c t e d k e yw o r d s ：p a r t i c l es y s t e m ，e n g i n e c 。m b u s t i 。n ，v i s u a l i z a t i o n ，r a m ed i f f u s i n 舀 t u r b u l e n c e ，f u e lp r o p e r t y = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = i i 塑登盔兰鳖圭鲨兰篓二兰型 i 课题背繁 1 1 1 引言 第一章绪论 箍漂与玮境俸受天类生存蠢发震鹣器零条辞，是我落蜀持续袭袋超蘧懿重委 潦题。在内燃机工业高度靛展的今天，嚣在排放限制、燃料经济性标准等要求下 获得最佳的内燃机使用特性，对于内燃机燃烧过程的研究，也益发漫得重要而迫 切。 内燃枫的燃烧过程是涉及劐化学热力学、流体力学等学科的复杂过程，所 鬻 燃烧模型也即戆一系列满瓞备种守恒条件的封闭微分方程组。要获樽内燃机的燃 烧性能参数，必然要求解这些微分方程缌。对所得的数据进行统计姆分橱，从丽 了解震浇缝麓。鬣蠹势蠹燃橇专家褒翳麓予实验涮爨或尝诗冀穰效毽分褥等手 黢，对燃烧模型的建立与优化，研究内燃机燃烧性能如热效率、摊敞物、燃烧室 内的流场分布等方面作了大爨工作 赵坚行2 0 0 2 蒋德明9 2 】。 怼于巍燃撬爨浇过程熬磺窥，无论蹩实验逐曩数整诗篝帮凌产生大萋数摇。 这些数据中裁岔了庞大焉籍杂翡信惠，不翕被理解与转橱。磐秘对大薰繁杂的诗 辫数据进行分析并将其以简单、直观、翳懒的方式表达出来，就是可视化的过程。 可视化是理瓣复杂现蒙帮犬攫摸数搬的重要工具，程鱼然辩学镁域穆到了广 泛廑霉。叁1 9 8 7 年露撬诧檄念鬟毒激寒 m c c o r m i c k $ 7 ，零 逮丁霆际上戆态 魔鬟视，发达阐家竞相研究w 视化理论、方法，开发w 视化工具与环境，并将可 视化研究成浆广泛应用于气象预报、航必航空、医学图像处理等科学与工程领域。 西，秘化终为一耪嚣算壤技术，将数字密符芍转纯为见秘，变芩可见麓可霓，茨研 究学戆囊察裂镪粥静研究工终，丰塞了辩学发瑷鹣途径，绘予天稻意恕不囊戆痿 示。在众多的学科领域使科学家的研究发生了根本的淑变。 在内燃机燃烧研究领域中，需要对燃烧过程中的潺度分布、浓发分布、流场 钓遴度分毒等慕雳毒鬟琵熬方式表达密采，玖蘑予了躲在撩囊过程中发生了骨么 瀚藩，从而对计算模型律鞠艨的谣整或优优。 内燃机燃烧过程的可视化不仅可节钳因采用实验警段而带来的实验设备开 支，薅虽哥大大减乡实验掰嚣鼹霹彝，冀燃浇矮壤嚣磷究提龚囊方法。燃烧蜀裰 豫对于程避内燃凝辩学研塞琢凌菸瑗代豫，羧及帮魏磷究者游察数辩场的现象、 本质与规律、提高科研效率具有重要意义。 本课题结合计算枫图形举知识与显示技术，在分据内燃狙燃烧避稷题理象以 及簸律酶蓦碗之上，藏据诗算骥及实骚蕊获得势羲疆，建立蘩反交燃烧主要特徭 l 鎏鋈盔兰窭兰笙苎 一i ! 邑! 耋燕 的可视化模型，实现燃烧火焰的动态传播过程可视化。 本课题怒豳家蜜然科学蘩金项目“基予享孛经网终躲双燃料内燃掇控割和燃烧 可税化的醑炎”中的一部分。 1 ，1 2 可视化方法简介 ( ) 标量塌熬霹褫化方法 标量场悬指数据只有大小而无方向的数据场。比较常见的有密膦场，温度场 簿。标量场的w 视化主要是揭示各分类物质的空间分布。标量场可视化方法有三 穆，帮颜色浃瓣法、褥造等壤瑟法纛蒋绘捌方法。 颜色映射方法 颜色映射方法通过建立场值与颜色的一映射函数米构造它们之间的对应 关系，可透过颜色篷筑交纯瀵濒蘧表瑷场分鑫瓣交绽。遴遘对数豢会蘧蠢奏效蕊 分类，颜色方法在表现不同场值范围的分布方面简单翳行。颜色映射方法是标量 场可视化最常用的方法。 构造等值麟法 就是运用分类操作将数据场中感兴趣的部分提取融来并以面酶方式表达显 示，常用的是镣值面。其方法可分为两大炎：一类方法趄先在一系列的2 维切面 上生成等值线，然后将这些簿值线连接成等值监面 c h 0 1 9 4 ；另一炎方法是不 生箴2 缝甥嚣上豹等篷线，瓣是壹揍在数旗汤孛薤取繁壤嚣。蔫蠹蠢耀存德少， 速度快，但在确定多分支等值线在相邻切片闻的拓扑关系以及分支处顶点的连接 必系时比较困难。后者可以盥接生成三维的等值曲面，其中最著名的是立方块匹 配方法( m a r c h i n gc u b e s ) f l o r e 8 7 。 在将感兴懑瓣部分戳等毽嚣静方式抽取出来蓐，便予秘薅颜色、尧度等显示 技术生成高质擞的图象，使研究人员可方便地进行观察和分析。但这种方法每次 只能显示一个慎的等值面，不能反映数据场中各种因素的相互关系，使研究人员 难以把握数据场豹全局状况。 体绘制方法 该方法并不产生等值面，黼是给数据场中的体元赋子定的色彩釉透明度， 由光线穿越半透明物质霹戆爨集聚豹光学琢理，速行色彩会成豹藏象攥接。其一 般过程楚：首先榆遣场静整俸筏觉模型。然蘑箍诧计算每个象素点的光亮度、其 中包含了场深殿方向各个部分的光亮度贡献 l e v 0 9 0 ，m a x 9 0 d u n n 9 2 。 d e n g 9 5 。 髂绘裁方法鹣挽熹在予不霉要穆造场憋瑟瑟表示这一孛瓣环节，掰处理的黠 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 塑坚查兰堕! 垒塞生二里! ! 鱼 象不再是曲线、曲面等几何对象，而是一个作为整体的场。可以方便地对数据中 包含的信息进行分析提取，不会丢失体数据的整体信息，由此表现数据的内部结 构，使人们可以从一幅图像上感受到场整体的分布，适于并行计算。其缺点是计 算量大、占有内存多，输出画面的性态和质量对具体模型算法的依赖性大。 ( 2 ) 矢量场的可视化方法 矢量场的数据不仅有数值的大小，还有方向的变化。矢量场的可视化除了揭 示各分类物质的空间分布外，还要反映其变化的趋势。矢量场可视化要经过矢量 数据预处理、矢量数据映射、绘制和显示三个基本步骤。矢量场可视化方法通常 有以下几种。 几何方法 基于几何形状的矢量场映射方法是指将矢量数据映射到一些具有方向性的 几何图元上，借助几何图元的方向性表达矢量数据的方向。 点图标是最简单最直观的几何形状矢量场映射方法，即采用箭头、锥体、有 向线段等几何形体，其长度表示矢量的大小，其方向表示矢量的方向。在二维矢 量场中，箭头等几何形体可以较好地反映场的信息。在三维空间中，则还需添加 别的辅助信息，如箭头的粗细、光照、明暗等，以避免由于方向的二义性而产生 的视觉混乱 k l a s 9 1 】。另外，几何方法还包括矢量线法 k e n w 9 2 p o s t 9 3 ，矢 量面和矢量管法 h u l t 9 0 】【w i j k 9 3 等几何形状方法。 基于几何形状的可视化方法具有信息准确、直观的优点，利用光强、消隐、 透视投影等手段可表达出许多三维信息，因而是目前可视化中用得最多的方法。 但是这类方法是建立在离散采样的基础上的，故很难全面、连续地反映矢量场。 粒子方法 粒子方法可用于不规则的复杂几何形体的建模，在粒子的整个生命周期中， 各种动态性质如位置、速度、运动方向等和视觉性质如形状、大小、颜色、透明 度等都随着时间而改变。在矢量场可视化中，可将粒子的某一具体性质与矢量场 中的矢量联系起来，如在流场中，可将速度矢量映射为粒子运动的动态性质，而 将其他物理量映射为粒子的其他性质。 粒子方法有点粒子跟踪法、面粒子方法【w i 9 2 】、扩展的粒子方法【s i m s 9 0 】、 粒子轨迹跟踪法 h i n 9 3 】等几种。用粒子方法来显示矢量场，灵活、方便，但有 可能丢失场的连续性特征。 特征可视化方法 对于具有庞大数据量的矢量场，很难将其蕴含的信息全部展现在二维屏幕 上，由此产生了特征可视化方法【唐泽圣9 9 。所谓特征，即矢量场中有意义的形 状、结构、变化和现象等，或者从数据场中分离出来的用户感兴趣的区域。特征 3 可视化就是通过对场中的这些特征，重点地进行可视化，从而减少可视化映射的 数据量，却保持了量的准确性。 目前的特征可视化成果有矢量场拓朴结构分析法 h e l m 9 0 h e l m 9 1 ，流场 特征结构可视化【s i l v 9 3 z a b u 9 2 等。 ( 3 ) 可视化实现技术 对数据场的可视化处理，并非追求与数据精度相吻合的精确画面，而是要构 造、绘制易于对其中的规律和信息进行理解，观察与分析的图形和图像。所 以，其实质是一种信息模拟。可视化技术可以使计算模拟和分析并发进行， 根据其并发的程度，可以将可视化分成三个层次： 后置处理( p o s t p r o c e s s ) ，可视化过程在数据完成计算之后才开始，用户与数 据计算没有交互，其优点是可以重复显示，目前这一层次上的可视化工作最 为常见。 跟踪( t r a c k i n g ) ，具有一定的交互性，随着计算的进行，计算的中间结果和 最终结果都可以及时显示，使用效率高。 操纵( s t e e r i n g ) ，操纵是充分交互的，数据计算与可视化是充分并发地进行， 通过修改计算过程中的参数，可直接对数值模拟进行控制和引导。 1 1 3 燃烧可视化常用方法 在内燃机燃烧过程中，实验与计算产生的数据包含有温度场、浓度场等标量 场数据，也包含有流场、速度场等矢量场数据。在已有的燃烧可视化研究中，通 常是针对温度场、流场或者两种场相互结合的可视化，主要有以下几种方法。 ( 1 ) 基于图象采集的可视化方法 基于图像采集的可视化方法是建立在实验基础上的，借助于实验手段来进行 的，其实质也是对温度场的可视化。主要有双色法 m a t s u l 7 9 ，激光诱导荧光 法 n a k a g a w a 9 7 a l a t a s 9 7 两种。 热辐射是自然界中普通存在的现象，一切物体，只要其温度高于绝对零度， 都要不同程度地产生辐射。由普朗克( p l a n c k ) 黑体辐射定律可知，当黑体的温度 一定时，其光谱辐射出射度符合普朗克公式。双色法的基本原理在于通过测量两 个波长的发光强度拟合黑体辐射曲线，从而可以推断物体的温度。双色法主要用 来测量燃烧火焰的温度和碳粒的浓度 赵奎翰9 7 ，利用胶片拍摄不同波长的火 焰照片以获得不同波长时的发光强度，再进行处理得到火焰温度。 近年来发展的最新技术是采用高速红外图像采集处理系统，直接利用扫描摄 像机把图像输入到处理系统中进行图像处理，从而得到燃烧火焰的温度，这大大 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = ： 4 塑垩盔兰堡：! 堡苎 兰二兰_ ! ! 鱼 提高了火焰温度的分析处理速度。较成熟的内燃机燃烧系统图像采集系统是a v l 公司推出的a v l 5 1 3 d 内燃机缸内燃烧图像采集与处理系统 a v l 9 6 a 但是该系 统不能采集同一工作循环的燃烧图像，只能采集一幅图像。因此，该系统采用在 多个循环中分别采集不同曲轴转角时缸内燃烧图像的方法，获得完整的燃烧过程 图像。 在获得原始图像数据的基础上，利用双波映射法、新波比法和三波迭代法等 r h e e 9 2 c h a n g 9 7 c l a s e n 9 5 等分析方法，不仅可以获得温度和水蒸气浓度 的瞬态分布图像，还可以获得碳粒的分布图像 s h y 9 9 。 激光诱导荧光法是一种高灵敏度的检测浓度和温度的方法 马凡华9 9 】方法。 其原理是当激光波长调谐到分子的某两个特定能级时，分子发生共振并吸收光子 能量而激发到高能态，在从高能态返回基态过程中，分子会发出荧光，荧光用光 电倍增管接收即可获得相应的信号。激光诱导荧光法可用平面二维图形显示燃烧 的瞬态温度场与浓度场分布。激光诱导荧光法也可用来测量n o 和o h 的分布。 虽然，我国近年来在燃烧图像采集可视化方面的研究取得了一定的进展，但 目前对缸内的探测基本上还局限于空间某一点或极少数点，而对缸内燃烧图像的 采集与处理尚处于起步阶段 马凡华2 0 0 0 。 ( 2 ) 基于对温度场直接进行可视化的方法 对温度场直接进行可视化属于前述可视化方法分类中的标量场可视化，通常 采用颜色方法。 三维温度场的可视化研究根据三维温度场数值计算与构型数据分布的特点 王昌凌9 7 张师帅9 9 ，结合实体造型理论，采用了颜色纹理法的可视化方案， 建立温一色对应表。用空间二进制矩阵最小单元的灰暗度来产生无级的浓淡阴影 变化，描绘出三维温度场的色温图，将每一瞬态的色温图顺序播放出来，从而实 现三维温度场的可视化。介绍一种运用计算机图形、图像技术对工程热物理中三 维温度场进行可视化处理的计算机可视化系统。 对三维温度场结合纹理映射等，可以直接实现可视化，但是其缺点是得到静 态的图像，需要建立剖切面模块，以观察火焰锋面信息。 对三维温度场进行可视化的方法还有等值 磁 c h o l 9 4 等，也是通过对三 维温度场的分析，构造温度等值面，再填充以颜色、亮度等图像属性，进行可视 化。 ( 3 ) 基于流场与温度场结合的可视化 对于燃烧室内的流场可视化，一般采用前述的矢量场点图标方法【吴飞 2 0 0 1 ，如流箭头，表达某一时刻燃烧室内的气流运动，同时箭头的颜色代表温 度值，箭头的方向代表了该点的速度方向，箭头的长短代表速度值的大小。以助 浙江大学硕士论义 第一章绪论 于理解燃烧过程中的反应物浓度分布、燃烧温度场分稚、以及一魃别的燃烧现象。 1 2 本文磷究内容 1 2 1 本文研究目的 在对零爆舞懋浇可浚纯方法逐行分拆与琵较之爝，可知已骞瓣冗季孛内燃巍燃 烧可视化方法有以下几个不足之处： 基于图像采集的内燃机燃烧可视化方法严重依赖于实验设备，如双色法，以 及激光诱导荧光法等，必须购买c c d 彩色摄缘纹、跌及鹫像处理软锌等， 需要器嶷的经费支出。 采用较简单的基于颜色映射的方法将燃烧的温度场、浓度场等标量场进行可 视化，妓毒采用流场可视化等方法，一般褥到的是二维的、静态的、只能反 映菜一个曩季弱数据分密获况静图像。 以上几种燃烧可视化方法都依赖于大量的实验数据与计算数搬，可视化过獠 无法反映燃烧的内在规律。 针霹滋主燃烧可程纯麴不是之处，本文欲建立一令戆薅璃燃烧豹冗耱重婺魂 象，以及燃烧主要特征规律的可视化模裂。依据该研视化模型，在计算与实验数 据的基础上，结合显示技术和图形学相关知识，实现计算机绘制内燃机预混燃料 燃烧三维动态火焰传播现象，使燃烧过程中的火焰传播其体诧和形象亿。 1 2 2 零文主要工作 1 面向内燃机燃烧可视化的粒子系统逑模 本文在研究内燃枫燃烧过程，以及参考已有研究成果的基础上进行分析，认 为对于点燃式内燃机，研究者们感兴趣的主要有三种现象，即火焰前锋面的传播 现象、燃烧璧内气体作湍流运动而引起的火焰前锋藤形状变化现象、以及燃烧弓| 起鲍燃餐嚣燃专跫态交讫褒象。慰予双燃耱莲燃式内燃飘，灸筵簧攒溪蒙还毽含奔 燃油喷雾子现象。 粒子系统方 法 r e e v e s 作为矢量场可视化方法的一种，在对模拟火焰的研 究中常被采髑【张劳2 0 0 0 1 f 杨溶2 0 0 0 麟隽毅2 0 0 1 【张芹2 0 0 0 。粒子系统是砖 火焰等其有模糊舞形物体造垄的有效方法。 本文采用粒子系统作为内燃机燃烧可视化的建模熬本方法，综食火焰传播模 型、湍流流动模型及燃料属性网格模型三个子模型建立燃烧可视化模型，以体瑷 燃烧各秘褒象穗特援趣德。 在内燃机燃烧过程中，火焰前锋面的传播现象是弓 超内燃机缸内气流剧烈运 # = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = ：= ： 6 浙江大学坝l 论文 第一章绪论 动，以及燃料由未燃气体变成燃烧产物，同时伴随其温度、密度等属性变化的根 本。定义火焰粒子作为火焰前锋面的构成元素，赋予火焰粒子系统运动变化属性， 使之作为燃烧各种现象的触发源。对于喷雾现象，同样采用喷雾粒子系统构造喷 雾雾束，喷雾过程具有与火焰前锋面不同的运动规律。 对内燃机燃烧中的湍流运动现象建立流场可视化模型。依据雷诺对流场中运 动质点的速度分解，火焰粒子的运动速度可分为平均速度与脉动速度两部分。火 焰粒子的平均速度依据实验或计算数据给定，脉动速度则由湍流涡作用得到。将 气流引起的速度脉动叠加到火焰粒子系统的运动参数上，使得粒子运动发生改 变，从而体现气流运动对火焰前锋面形状的改变作用。 构造网格体单元模型作为充满内燃机燃烧室的燃料属性特征模型，网格体单 元内充满燃料气体，并具有温度、密度、颜色、透明度等属性。当由粒子系统构 成的火焰面传播到网格单元所在的位置时，依据燃烧模型中的卷吸燃烧原理，将 网格体内的燃料卷入前锋面进行燃烧放热，按燃烧放热及热交换公式计算燃烧引 起的网格体单元的温度与浓度变化。 为体现燃烧过程中温度的分布，建立了温度一颜色映射表。对于可视化场景 设置光照模型，以体现燃烧过程中的亮度、深度等信息。 2 构造燃烧可视化系统 介绍了各种现象可视化模型实现的数据结构，在v c + + 平台上，基于o p e n g l 图形库构造了可视化系统。 可视化系统整体框图如图1 1 示 3 燃烧可视化实现 图1 - 1 可视化系统构造图 实现两个火化点火内燃机与双燃料压燃式内燃机两种典型内燃机燃烧过程 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一：= ： 7 蠢注大学骚士论文第一章绪论 的三维动态可视化，并给出实例效果图片。 2 3 本文章葛安捶 论文共分为穴章，组织络构图如图1 2 所示。 蚕l 龙论文缝缀终 奄霾 1 3 本章小结 本章从课题鹜豢出发，奔缓了当前静爵筏他方法分类，说髓了燃烧w 筏亿的 研究现状，并针对已有的燃烧可视化方法的不足之处，提出要解决的问题，阐述 了本文的主要工作，最后给出了论文的组织结构图。 浙江大学硕士论文第二章面向内燃机燃烧可视化的粒子系统模型 第二章面向内燃机燃烧可视化的粒子系统模型 2 1 内燃机燃烧理论简介 内燃机燃烧过程同一般在开式环境下的燃烧不同，它是在密闭的，假设与外 界没有热量交换的燃烧室中进行的，本文讨论的是预混气体燃料的燃烧过程。 由于电火花和其他炽热物使燃烧室内可燃混合气某一部分着火以后，火焰向 四周传播形成一个近似球形的火焰面，火焰面前方是未燃混合气，后面则是已燃 高温燃烧产物。化学反应主要集中在火焰前锋内进行，在边界上产生强烈的热量 和浓量梯度，导致剧烈的热量和质量交换，热量和质量的传递又引起邻近的未燃 混合气的化学反应，形成化学反应区的空间传播，这种一层层把燃烧扩展到整个 混合气的现象称为火焰传播。 根据燃烧时气流的流动情况，火焰传播可分为层流火焰传播和湍流火焰传播 两类。在真实流体中，总是同时存在层流与湍流两种流态。以霄诺数r 。作为判 断流体流态的标准： r。：vd(2-1) 其中v 表示流动的特征流速，d 表示流动的特征长度，v 为动力粘度。雷诺 数r 。表征了流动的惯性作用与粘滞作用之比。雷诺数r 。超过某一临界值以后， 层流流动将转变为紊乱的湍流流动。雷诺数越大，湍流运动越激烈。 2 1 1 两种火焰传播方式 i 层流火焰传播 火 廖寥 火焰前锋面 t t + d t 图2 - 1 层流火焰传播示意图 燃烧以层流方式进行，即为层流燃烧，火焰前锋面以层流燃烧状态传播。在 = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = 9 浙江大学硕士论文 第二章面向内燃机燃烧可视化的粒子系统模型 层流燃烧状态，反应速率取决于热力学状态和化学动力学参数。 从图2 1 可看出，在已燃气体与未燃气体之间有一明显的分界面，即火焰 前锋面。火焰前锋面实际上是一层化学反应区，其厚度很薄，一般只有十分之几 毫米甚至百分之几毫米。在层流燃烧状态下，火焰前锋面形状比较规则，而且光 滑。 2 湍流火焰传播 与层流燃烧的定义相似，燃烧发生在湍流流场中，称为湍流燃烧。在湍流状 态下，流体质点的速度大小与方向、压力大小等都随时间不断地、无规律地变化。 在湍流流场中无数不规则、不同尺度、瞬息变化的涡团相互掺混地分布在整 个流动空间，涡团自身经历着发生、发展和消失的过程。这种流体质点或微团的 运动与动力参数随时间变化的现象称为脉动。通过实验观测发现，湍流状态下的 速度和压力是在一个平均值的上下脉动。 由于化学反应与湍流的相互作用，湍流影响反应与生成物的混合、燃烧强度 以及温度分布、密度分布等。研究人员利用热力学、流体力学及化学动力学对这 一物理化学现象做了大量的研究【刘永长2 0 0 1 】【蒋德明9 2 。湍流火焰具有区别于 层流火焰的一些明显特征： 火花 t t + d t 图2 - 2 湍流火焰传播示意图 湍流使火焰面弯曲皱折，增大了反应面积，如图2 - 2 所示。 湍流增加热量和活性物质的输运速率，从而增大垂直于火焰面的燃烧速度。 湍流可以快速地混合已燃气和未燃气，使火焰在本质上成为均质反应物，从 而缩短混合时间，提高燃烧速度。 如图2 2 所示，依据雷诺分解，湍流运动中某点的速度可以分解为时均值u 与脉动值f 之和： ( 2 2 ) 一般来说，边界层类型的湍流问题可以采用近似解法，而对于非均匀湍流场 则必须采用数值解法。但是，目前几乎不可能直接求出湍流的瞬时值，通常都是 1 0 溉江大学硕： 论文第二牵面向蠹燃辘燃浇可视证豹穰子系统攘垂 采用求解湍流量时均值的方法，建立起有化学反应的作组分气体湍流流动的时均 值方程，即雷诺方程缰【刘永长2 0 0 1 。 2 1 ，2 湍流燃烧模型及求解方法 溃流燃烧模型【薄德明9 2 】【刘永长2 0 0 1 】【杨振中2 0 0 1 实际上是一莘孛分区模 璧，它将燃浇空润翔分为羞于个区壤，然螽诗冀各个分嚣内静温疫或浓浚等参数 的分布。它从燃烧、可燃混合气的形成以及火焰传播等现象出发，列出描述分区 内备参数随时间变化的关系式，这些方程式的集合就构成丁燃烧模型。湍流燃烧 模型主要由热力举子模块、潴流燃烧予模块、火焰传播遽发子模块等缎戏。 1 热力学子模块 热力学子模块采用双区热力学模型，取熬个燃烧室为研究系统，在燃烧过程 孛，火憝将燃浇麓分成毫黎嚣秘来燃区两部分。当火花寨点火强嚣，形蔽火棱， 火焰以近似球形掰向四周传播。作以下假设： 气缸盖火花毫 图2 - 3 双区模型 缀设一令半径必轴豹无疆薄豹必缕藩锋嚣在燃浇室内抟撵，絮圈2 。3 灏示。 气缸内的已燃、未燃气体均为理想气体，燃烧过程瞬时完成，认为束燃区的 热力学过程为等熵压缩过程。 任一时刻缸内器处压力瞬间达到平衡，西燃区与未燃隧压力相等，滔区各自 鹣滋廑均匀，仅纹是嚣阑t 熬霪数。 在上述假设的基础上，取熬个燃烧室为研究对象，湍流燃烧模型实质上是由 质量守恒方程、能艇守恒方程、理想气体状态方程以及等熵压缩过程方糨构成的 微分方程组，由微分方程组可捺导出气赶内毯力p 、来燃熬湛度乏，已燃送湛度 瓦隧内燃辊益辘转角0 的交诧f 陈泽智2 0 0 0 e 髑龙傈蚓： ，p d v ，b 考= 砸ad 0 1 a = 乃( 魍黝 ( 2 1 3 ) c ，。p a l l 疆注犬学矮士论文 第二章露南蠹燃辘燃浇可筏他的粒子系统摸鳖 盟d o 一旦c 鱼=厶(n毛，瓦)p d o m ， ( 2 4 ) 等= 去 等一等一p 等巾。飞可m 8 ，面d n b 一厶( 巩】 ( 2 - 5 ) = ，热瓦，乏) 其中 爿= 代r 一1 r n u - c “ 嚣叫瓦一瓦刃m b 万d n b + 击【等一万d q w p 等呻。吨刀m b 面d n b 】 c 。，c 0 基燃、寒燃嚣气抟定客愆热 c 。朱燃区气体定压比热 壤，栉。己燃、来燃区气 搴物痰静量 鲤爨烧效热拳 ，d 8 豇8 8 乇氓3 0 “ d q w 散热率d o f u 十 矿燃烧室体积 “。，“。已燃、米燃区气体摩尔热力学能r 蒋适气体常数 村，材。已燃、宋燃区气体平均分子萤 2 湍滚燃烧速度予模块 i 妇于在内燃机燃烧以湍流燃烧方式进行，关于湍流燃烧速度的求解一壹是研 究的热点，研究者也提出了各种经验或半经验计算公式，如皱折层流火焰表面燃 烧理论，微容积扩教燃烧理论潜德疆9 2 】以及皱辑火焰瑟分形理论等。 湍流火焰燃烧遥度品采用皱拆火焰面分澎理论计算，搬据皱折火焰筒分形 理论，湍流火焰传播速度的最主鼹的影响因素怒湍流涡运动造成的锋面磷积的增 大。湍流火焰的传播速度与层流火焰传播速度之比舄s ，阍皱折火焰袭妪面积 与未受溱渡影稳熬擎滢火嫠表嚣甏获之览重4 ，存在懿下关系： 显：生 s fa ( 2 6 ) 霹予蔫冀耱求取，骞各耱方法，主要是放试羧孛葸结麓德，羧据穰率穰鍪或已 有的缀验公式 陈泽锗2 0 0 0 】求得。较简单的方法是利用多尺度理论【杨宏鬟2 0 0 1 】。 = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = # _ = = = ： 1 2 游疆天学颈圭论文第二章瑟肉肉燃瓤燃浇可褪纯鹣粒子系统模型 由于火焰皱褶表筒的几何特性非常复杂，多尺度分析的非线性分形理论为描述其 边界提供了手段。在边界多尺度分形分析中的衡量边界长发豹众多尺度中，可以 获簿锋露灞霞尺震犬小翡范嚣帮交纯蕊禧。将这些尺痰在滚滚积分尺度裙徽尺度 之间进行划分，它们分别对应于符合指数线性规律的最大与最小尺度。对试验所 得图像进行分析，对长度分布进行概率统计，可得公式： 鱼。由一 a f叩 ( 2 7 ) 为湍流积分尺度，叩是k o l m o g r o v e 微尺度【蒋德明9 2 】，d 3 为火焰分形面维 ( 2 8 ) 其中“为溘流强度。 层流燃烧速度s j 通常依据试验 b e t q m a n 8 4 】 a n d r e w s 7 3 k o r o l l 8 6 或者经验公式( 2 * 9 ) 【周力行8 6 】简化分析计算。 s 4 偿 ( 2 9 ) 万导温系数t 平均化学反应率特征时间 3 火焰传播速度予模块 火焰传播状态密切相关的参数还有火焰传播速度品，以及火焰前镣箍半径 震，e 火焰传播逮菠是燃浇速度与邑燃区膨强速度之蠢，逸辩是灭焰健撩速度静 绝对速度s ，等于湍流燃烧速度s ，( 为已燃隧相对未燃区的相对速度) 和已燃区 膨胀速度s 。( 已燃区相对于燃烧室壁的速度为牵连速度) 志和，即 s s f s e 火焰半径亿可通过积分求得 ( 2 1 0 ) r | = l s 口d t ( 各i i ) 0 其中，曲由湍流燃烧子模块计算可得，膨胀遴度品是活塞遥动及燃气膨胀的结 果， 2 = = = = = = = = = = _ = = = = = = = = = = = = ；= _ = = z = 1 3 蒜揣 浙江大学硕论文第二章面向内燃机燃烧可视化的粒子系统模型 耻钙d v a d 讲x ) ( 2 - 1 2 ) 驯d t 是活塞瞬时速度，a 。为火焰前锋面积a 在垂直气缸轴线平面上的投 影。 4 几何计算模块 燃烧室内体积随转角变化率由以下公式计算： d _ v ：一7 t d ：s ( s i n 0 + 善墅! ! ! ! 皇) 三 ( 2 1 3 ) d o4 、 1 一s i n 20 1 8 0 矿= 1 2n 4 d 2 s 击- 1 + 1 - c o s 口+ 去( 1 一r 二了丽) 】 ( 2 - 1 4 ) 兄连杆比j 活塞行程 占压缩比d 气缸直径 5 化学动力学模块以及传热损失模块等 依据其他模块如化学动力学模块以及传热损失模块等，可以计算燃烧放热 率、散热率、气体摩尔量以及气体摩尔热力学能等参数。这些参数最终表达为活 塞曲轴转角0 的函数，代入公式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 式中，采用四阶龙格一库 塔法可积分计算出每一步长下的p ，瓦，瓦值，即燃烧过程中的任一曲轴转角 下的缸内燃烧压力、已燃区温度和未燃区温度值。 2 1 3 两种不同内燃机燃烧过程 1 点燃式内燃机燃烧过程 点燃式内燃机燃烧过程可分为4 个阶段： ( 1 ) 起始阶段：火花点火形成火核心，并以层流速度向外传播，此时火焰前锋 近似球形。点火产生的压力波、温度波等主要受气流特性参数与点火特性参数的 影响。 ( 2 ) 过渡阶段：火焰速度大于层流速度，火焰前锋面积增加，形成高度皱折和 回卷状火焰前锋，此时的火焰结构( 是指可燃气与未燃气以及很薄的一层反应区 之间的组合结构，它们在空间上的不规则分布随时间变化) 已经比较复杂。 ( 3 ) 湍流阶段：火焰结构仍然十分复杂，火焰速度增加，而燃烧速率达到某一 稳定状态，在这个阶段燃烧完大部分能量。 1 4 浙波犬学硕士论文 第二章面向内燃机燃烧可视化的粒子系统模型 ( 4 ) 最后阶段：当火焰到达然面后，火焰传播停止，进入结束阶段，卷吸入火 赡藏锋兹反应秘全帮浇竞。 2 双燃料压燃戏内燃机燃烧过程 双燃誊喜密燃梗是缮霹鞋莱臻主然瓣良及引臻潼懿聪燃式瘀燃凝。蒺燃烧方式 为：主燃料气体燃料( 勉乙烷、丙烷、氯气等) 经混合器与空气混合，然后 混合气进入气缸内被压缩。在接近上止点时，引燃油少量柴油、己醇等低燃 点燃料经由通用的喷油系统喷入燃烧室内，活塞压缩使褥弓l 燃油自行麓火释放出 丈爨熬量。麸搿零l 爨薮压缨瓣主燃料滢合气，譬致营火燃浇鞋及火焰扩震。 双燃料内燃机的燃烧过襁可以简单描述为以下几步： ( 1 ) 燃料喷注阶段：引燃油的喷注与预澎，假设在气融内的主燃料融达到充分 演合懿理想状态，在活塞悉缀至上盎点翦嚣尊喷入雩l 燃滚。 ( 2 ) 着火阶段：内燃机活塞上行对燃烧蜜内气体压缩，使引燃油达到着火点， 由于引燃油的壁比较少。可认为瞬间所有弓i 燃油燃烧完毕。 ( 3 ) 犬焰髟残与扩震验段：萼l 爨疆蓦必之嚣，主燃辩骜火燃烧，澎袋必核，嚣 始火焰的传播与扩展，并经历湍流燃烧，箕过程与火花点火内燃枫栩似。 ( 4 ) 结束阶段：当火焰到达壤面后，火焰传播停止，进入结束阶段。 当气露爨瓣野始燃烧塔鬣，霰凌弓；爨澳为擎炎深熹必，鼗懿试菇燃浇灾趋豹 产生与传播同预混气体火花点火内燃机的燃烧形式相两。 蠹l蠡2 a ) 几何形状b ) 浓度分布 墼2 - 4 雾象黪且舞髟攘蠢浓发玲毒 1 5 浙江大学硕士论文 第= 章谢向内燃机燃烧可税化的粒子系统横型 2 2 内燃机燃烧现象分析 2 2 1 燃油喷雾现象 压燃式内燃机与点燃式内燃机燃烧过程不同的怒，前者在火焰传播开始之前 还舂一令燃涵囔雾过程。辫子喷雾形成懿雾素，其糁形、运参方式骧及燃 瘗戆分 布等具有一定几何规律，几何形状特鬣参数如图2 4 所示。 雾束形状及顶端贯穿度x ( f ) 雾素静a 褥彩技翅烫2 4 瑟示，凌燹浸浚懿渣缓下，雾衷弱甥淹建移s 为零， 贯穿度x 幽以下公式所确定： x ( f ) = f t o 6 ( 2 1 5 ) 其中f 为经验公式掰礁定豹零数。 雾束锥角p 雾束外缘线之间的夹角为雾束锥角护，可由下式计算； 诏n 昙：霉：墨( 1 + 益) ( 2 - 1 6 ) 2叔 2 、p 。+ 式中，k 必经验常数，k = 0 2 4 ，b 秀雾寒戆半宽，成先空气密度，尹，为燃淫 密度。p ，戆x 豹增翅焉减小，所戳0 将麓善的增热舔扩张。 雾柬头部的轨迹 对于无涡流雾束，雾来头部的轨迹楚直线，式( 2 1 5 ) 描述了雾束矮点的遮 动。鼹予鸯瀵浚戆壤凌，雾豢不莰瀣辘灏，瑟显也游甥寓运动。 雾束尾部运动 在引燃油喷注结束以厝，雾柬离开喷嘴并向下游方向运动，假定尾部按顶端 速度历程款半诗，懿： x ( t o ) = 1 2 f ( t 一f ) “ 式中，f 为燃油喷注持续孵闻。 雾束横割掰豹形袄 ( 2 。1 7 ) 没有空气涡流影响的雾柬横剖面的形状是圆形的，流体的特性参数是轴对称 分布的。雾柬半宽b 的成长速率可表示为： 第二章面向内燃机燃烧可视化的粒子系统模型 雾束内燃油浓度的分布 在雾束内，燃油浓度呈正态分布，如图2 4b ) 所示。 式( 2 - 1 5 ) 至式( 2 - 1 7 ) 完整地描述了雾束的几何形状以及运动变化规律。 2 2 2 火焰传播现象 依