（动力机械及工程专业论文）柴油机进气瞬时流动的三维数值模拟及性能研究.pdf

i i iz li ii lli l li ii iillll ly 18 9 4 2 9 8 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅， 同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并向社会提 供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论 文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 凇1 矽17 年占月f 弓日 指导教师签名： 沙l f 年月f 多日 柴油机进气瞬时流动的三维数值模拟及性能研究 t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp e r f o r m a n c e r e s e a r c ho fi n t a k e t r a n s i e n tf l o wi nd i e s e le n g i n e 姓 江苏大学 2 0 1 1 年6 月 i 江苏大学硕士学位论文 摘要 柴油机螺旋进气道及气缸内的流场是影响其混合气形成和燃烧以及排放 的重要因素，利用数值模拟方法对螺旋气道进行三维c f d 仿真模拟能够直观 地检验柴油机进气系统是否合理，也可以根据柴油机性能的需要来改变进气 系统的结构，设计合理的螺旋气道及组织缸内气流。本文具体内容如下： 以柴油机螺旋进气道为研究对象，在稳流气道试验台上进行稳态流动试 验，在不同气道升程下测试气道性能并分析其结果，计算出流通系数和无量 纲涡流数等参数。 通过c a d 三维造型软件p r o e 实现了螺旋气道气门气缸的三维实体 模型，并运用f i r e 软件实现了三维实体的稳态数值模拟，分析了螺旋气道内 部及缸内的详细流场信息，并把计算结果与稳流试验数据进行对比，验证了 c f d 模拟计算评价气道性能的可行性。 最后，对气道气门气缸模型做出一定的修改，并且不考虑排气道与 燃烧室的影响。在计算软件中对三维模型进行瞬态模拟。通过计算结果分析 了气道气门气缸内空气流动的三维轨迹线图，速度矢量及湍动能分布图， 并将瞬态模拟结果与稳态计算结果做出对比，分析结果表明气道螺旋段和气 门座圈区域是速度和湍动能最大的部位，气门下端则是流场最复杂的区域， 相比稳态模拟而言瞬态模拟有很大的优越性，模拟更加真实可靠，速度矢量 和湍动能的分布符合柴油机运转工况，可以作为螺旋进气道设计开发过程中 流场分析的参考，或为气道性能的改进做出评价。 关键字：柴油机，螺旋进气道，稳态流动，瞬时流动，数值模拟 柴油机进气瞬时流动的三维数值模拟及性能研究 江苏大学硕士学位论文 o n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ei n c y l i n d e rf u e la i r m i x i n g ，c o m b u s t i o na n de x h a u s te m i s s i o n so f d i e s e le n g i n ei st h ef l o wf i e l dw i t h i n h e l i c a li n t a k ep o r ta n dc y l i n d e r w i t ht h ea p p l i c a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , a t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h eh e l i c a li n t a k ep o r to fd i e s e le n g i n ew a sf i r s t l y e s t a b l i s h e d ，t h e ns i m u l a t e di nt h ec f d s o f t w a r e i nt h i sw a y , w h e t h e rt h ei n t a k e s y s t e mi sr e a s o n a b l eo rn o tw a si n v e s t i g a t e d t h es t r u c t u r eo ft h eh e l i c a li n t a k e p o r tf o rab e u e rd i e s e le n g i n ep e r f o r m a n c ew a sd e s i g n e d s ot h a tt h eo p t i m u m d e s i g no fh e l i c a li n t a k ep o r ta n dt h er e a s o n a b l ei n c y l i n d e rf l o wf i e l dm i g h tb e a c h i e v e d t h er e s e a r c ha b o u th e l i c a li n t a k ep o r to fd i e s e le n g i n ew a ss h o w ni nt h e f o l l o w i n g ： t h es t e a d yf l o wt e s to ft h eh e l i c a li n t a k ep o r to fd i e s e le n g i n ew a sc a r r i e do u t i nas t e a d yf l o wt e s tr i g ，t h ep e r f o r m a n c eo fi n t a k ep o r th a sb e e ns t u d i e du n d e r d i f f e r e n ti n t a k ev a l v el i f t s ，t h e nt h er e s u l t sw a sa n a l y z e db yc a l c u l a t i n gt h e d i m e n s i o n l e s sf l o wc o e f f i c i e n ta n ds w i r ln u m b e r t h e3 - dm o d e lo fh e l i c a li n t a k ep o r t v a l v e - c y l i n d e rw a se s t a b l i s h e db yt h e c a d m o d e l i n gs o f t w a r ep r o e ，t h e ns i m u l a t e db yas t e a d yf l o wm e t h o dw i t ha v l s o f t w a r ef i r e ，w h i c hm e a n sas t a t i cv o l u m em e s hw a su s e di nt h es i m u l a t i o n p r o c e s s t h ei n - c y l i n d e rf l o wf i e l da n do u t p u td a t aw a sc o m p a r e dw i t hs t e a d yt e s t r e s u l t s ，i tw a sp r o v e dt h a tc f d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o u l dc o r r e c t l ye v a l u a t et h e i n t a k ep o r tp e r f o r m a n c e t h et r a n s i e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hm o d i f i e ds o l i dm o d e lw a sc a r r i e do u t ， w h i c hm e a n sad y n a m i cv o l u m em e s hw a sc r e a t e d ，w h e r et h ei n f l u e n c eo fe x h a u s t p o r ta n dc o m b u s t i o nc h a m b e rw i t h i nc y l i n d e rw a sn e g l e c t e d t h ed i s t r i b u t i o n g r a p ho fv e l o c i t y v e c t o r sa n dt u r b u l e n c ek i n e t i c e n e r g y ( t k e ) ，a n d 3 - d s t r e a m l i n e sw e r eo b t a i n e db yt r a n s i e n ts i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e m a x i m u m v e l o c i t ya n dt k e g o tc l o s et ot h ea r e ao fs w i r ls h e l la n di n t a k ev a l v e s e a t ，a n dt h em o s tc o m p l e xf l o wa p p e a r e dn e a rt h ei n t a k ev a l v e ，w h i c hw e r e h i 柴油机进气瞬时流动的三维数值模拟及性能研究 o b v i o u s l yd i f f e r e n tf r o mt h es t e a d ys i m u l a t i o nr e s u l t s t h ec o n t r a s ta l s oc l a r i f i e d t h a tt h et r a n s i e n ts i m u l a t i o nw a sm u c h s u p e r i o rt h a nt h es t e a d yo n e t h et r a n s i e n t s i m u l a t i o nw a sm u c hm o r er e l i a b l e ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t ya n dt k e c o m p l i e dt ot h er e a ld i e s e le n g i n eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，s ot h a tt h et r a n s i e n t s i m u l a t i o nm e t h o dc o u l db eu s e dd u r i n gt h ed e s i g n i n g ，d e v e l o p i n ga n di m p r o v i n g o ft h eh e l i c a li n t a k ep o r t ，o ri ne v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fh e l i c a li n t a k ep o r t s a f t e rm a n u f a c t u r e d k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，h e l i c a li n t a k ep o r t ，s t e a d yf l o w , t r a n s i e n tf l o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 柴油机进气流动概述1 1 1 1 缸内气流运动1 1 1 2c f d 三维数值模拟4 1 2 国内外气道c f d 研究现状7 1 2 1 国外气道c f d 研究概况7 1 2 2国内气道c f d 研究概况9 1 3 本文开展的研究工作1 0 第二章c f b 的数学理论基础 1 1 2 1 模拟计算流程1 1 2 2 流动控制方程1 2 2 2 1 质量守恒方程( 连续性方程) 1 2 2 2 2 动量守恒方程1 2 2 2 3 能量守恒方程1 3 2 2 4 状态方程1 3 2 3 湍流模型的选择1 3 2 4 壁面函数1 7 2 5 本章小结。：。1 7 第三章螺旋气道稳流模拟与试验1 8 3 1 三维稳态模拟1 8 3 1 1 三维模型的建立1 8 3 1 2 网格划分。1 9 3 1 3 边界条件2 2 3 1 4 方程的离散与求解。2 3 3 1 5 模拟流场结果分析2 4 3 2 气道稳流试验2 6 3 2 1 气道试验台2 6 v 柴油机进气瞬时流动的三维数值模拟及性能研究 3 2 2 试验方法介绍2 7 3 3 螺旋气道评价方法。2 8 3 3 1 流通系数p a r 2 9 3 3 2r i c a r d o 方法2 9 3 3 3j 蜗厂l 方法3 0 3 4 试验结果与数值模拟的对比3 1 3 5 本章小结3 2 第四章进气流动瞬态模拟及其结果分析 4 1 螺旋气道三维瞬态模拟计算模型的建立3 3 4 1 1 动态三维造型的确定3 3 4 1 2 动网格的生成3 4 4 1 3 初始边界条件的确定3 5 4 2 螺旋气道瞬态模拟的缸内流场分析3 6 4 2 1 三维轨迹流线3 7 4 2 2 速度场3 9 4 2 3 湍动能场4 3 4 2 4 不同转速下的流场速度对比。4 4 4 3 不同气门升程下稳态与瞬态模拟结果的对比。4 5 4 3 12 m m 气门升程下的对比4 6 4 3 25 m m 气门升程下的对比4 7 4 3 38 m m 气门升程下的对比4 9 4 3 4 9 3 m m 气门升程下的对比5 l 4 4 本章小结5 2 第五章总结与展望 5 1 总结5 4 5 2 展望j 5 5 致谢 参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文 5 6 5 7 6 0 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 当今世界经济正在飞速的发展，但支撑整个经济发展的能源也在日益枯竭，尤其是现 代汽车工业所需求的化石能源成为了各国竞相争夺的战略资源；另一方面，车用发动机造 成的环境污染和温室效应已经给全球气候及人类健康造成了严重的损害；为了解决这些问 题，各国相继制定了越来越严格的排放法规和燃油消耗法规。所有的这些都要求现代车用 发动机向着高效、节能、环保的方向发展，这同时也给车用发动机的设计和研究带来了前 所未有的挑战，而柴油机因其较高的动力性、较好的燃油经济性和排放性能而越来越受青 睐，在汽车工业中得到广泛运用【1 1 。 努力提高柴油机的动力性能，降低汽车的排放已经成为国内外研究者的重要课题。影 响这些性能的因素是多方面的，其中内流系统又是众多影响因素中十分重要的一个。进气 过程作为内流系统的重要组成部分，柴油机每循环进入气缸的新鲜工质的量愈多，燃烧才 能放出更多的热量，从而增大柴油机功率和扭矩，这是保证柴油机动力性能的前提和关键。 此外，在柴油机中，进气过程进入气缸的空气量和气体的速度分布及其涡流和湍流状况等 明显影响着燃烧过程，而进气道的结构设计合理与否很大程度上决定着进气过程的优劣， 进而影响其经济性、动力性和排放性能指标【2 】。用数值方法对柴油机的进气道进行c f d 仿 真模拟，可以更加直观地检验柴油机进气系统设计是否合理，也可以根据柴油机性能的需 要通过改变进气系统的结构，合理的设计和组织气流。另外，柴油机进气过程的数值模拟 可以减少大量的重复性实验，缩短柴油机优化设计的周期，节约大量的人力和物力【3 1 。因 此，针对柴油机进气道开展三维数值模拟的工作具有其现实意义。 1 1 柴油机进气流动概述 柴油机气道及缸内的空气运动具有强压缩、强瞬变、强旋流等特征，这是影响柴油机 燃料空气混合和燃烧过程的主要因素之一。尤其是现代柴油机的转速日益增高，缸内流动 在混合气着火和燃烧扩散方面的作用尤为突出【4 】。目前人们了解的柴油机缸内空气运动形 式包括涡流、挤流、滚流和湍流。 1 1 1 缸内气流运动 1 1 1 1 涡流运动 在进气过程中形成的，绕气缸轴线有组织的气流运动称为进气涡流( s w i r l ) 。由于存 1 柴油机进气瞬时流动的三维数值模拟及性能研究 在气流之间的内摩擦耗损和气流与缸壁之间的摩擦，将使进气涡流在压缩过程逐渐衰减。 一般情况下，在压缩终了时，约有1 4 - 1 3 的初始角动量损失掉。当活塞接近上止点时， 大量空气被迫进入位于活塞顶部的燃烧室内，使凹坑内的切线速度有所增加。进气结束时， 气缸内旋流速度的分布表明，小于某一半径时，切线速度随半径的增加而增大，速度呈刚 体涡流分布；超过这一半径时，切线速度随半径的增加而减小，速度仍呈势流分布。当活 塞接近于上止点时，刚体流动明显增强，势流运动明显减弱，可以认为此时燃烧室凹坑内 的旋流运动为刚体流。研究表明，进气过程所产生的旋流可以持续到燃烧膨胀过程【5 1 。进 气涡流是利用进气道内腔、气门结构形状以及气门相对于气缸壁的位置，使气体在缸内形 成具有方向性的旋转气流。进气涡流的大小由进气道形状和柴油机转速决定，根据进气涡 流的形成原理【5 1 ，人们研究了各种产生进气涡流的方法，如带导气屏的进气门、切向进气 道、螺旋进气道和双层进气道等。在柴油机上，进气涡流可以持续到膨胀过程，主要是增 强喷油油束与空气的混合，提高燃油空气混合速率，实现快速燃烧。 在进气系统中，螺旋进气道对柴油机的充气效率和涡流强度有较大的影响。合适的螺 旋进气道不仅仅在小缸径高速直喷式柴油机中得到普遍的应用，中高速直喷式柴油机也利 用螺旋进气道来产生适当的进气涡流以促进柴油与空气的混合，改善其燃烧过程。由螺旋 进气道产生的气体涡流对燃料与空气混合速率，燃烧过程以及排放控制有着最直接和明显 的影响。因此，提供尽可能大的流量系数，并能够产生合适的涡流比的螺旋进气道是柴油 机研究的重要任务之一。螺旋进气道形成一定强度的涡流后，要使其达到与油、气及燃烧 室的最佳匹配，实现较理想的燃烧过程，还要考虑到气门、气门座形状及气道对于气缸壁 的相对位置，使气流获得理想的方向，在缸内形成对燃烧有利的涡流。螺旋进气道是将气 门座上方的气门腔做成螺旋形壳状，气流在气道内流动时就形成一定旋转的运动。气流进 入气缸后一边自转，一边顺气缸壁绕气缸轴线公转。在气缸盖上布置气道时，气道的气门 室高度不能太大，气体流入气缸时必定会含有一部分切向气流，因此实际使用的螺旋气道 中的空气旋转运动都由两部分组成。虽然螺旋进气道的流动阻力小，涡流强度大，但其结 构尺寸要求较为精细，这就大大提高了对铸造工艺和加工工艺的要求。 1 1 1 2 挤流运动 在压缩过程后期，当活塞接近上止点时，活塞项上部还存在着一种径向或横向的空气 挤压流动。对于口径比较小的深坑形燃烧室来说，即使在没有进气涡流的情况下，也会因 活塞顶上部环形空间中的空气被挤入燃烧室凹坑内而产生空气流动，这种流动称为挤流 2 江苏大学硕士学位论文 ( s q u i s h ) 。挤流的强度主要是由挤气面积和挤气间隙的大小决定，挤流在汽油机上得到了 广泛的应用。当活塞下行时，燃烧室中的气体又向外流入到环形空间，产生膨胀流动，成 为逆挤流( i n v e r s es q u i s h ) 。逆挤流在柴油机上有助于将燃烧室内的混合气流出，使其进一 步和气缸内的空气混合燃烧，对改善燃烧和降低排放十分有利。缩口型燃烧室就充分利用 了较强的挤流和逆挤流，在燃油喷射过程中加强了油气混合【5 】。 在压缩过程中形成的有组织的空气旋转运动，称为压缩涡流。如涡流室柴油机在压缩 过程中，气缸内的空气通过与涡流室相切的通道被压入涡流室中，形成有组织的旋流运动。 这种压缩涡流可促进喷入涡流室中的燃料与空气的混合。涡流强弱有涡流室形状、通道尺 寸、位置和角度决定。压缩涡流持续的时间比较短暂，但因涡流角速度较高，又处于燃烧 过程的关键时机，所以仍对燃烧起着很重要的作用。 1 1 1 3 滚流运动 滚流是一种在气缸内形成的大幅度空气旋转运动，其旋转轴垂直于气缸轴线，因此也 可称为横轴涡流( t u m b l e ) ，世界各研究机构对滚流的产生、发展、破碎机理以及它对燃烧 的影响进行了大量的研究，通过对滚流的湍流频谱分析发现，湍流结构中低频能量占8 0 ， 滚流破碎后使低频和高频分量都以不同程度的增加。大量的实验研究和数值模拟表明，在 滚流破碎的时刻，湍流分量的积分尺度突然增大，但随后又下降到比较小的数值。滚流强 度越大，湍流的积分尺度就越小。在二气门汽油机上对滚流和涡流的结构分析发现，尽管 滚流结构中的低频分量较多，但滚流的湍流总能量比涡流的湍流总能量要高，因此滚流对 汽油机燃烧的改善作用比涡流更大。 滚流运动在进气过程产生，在压缩过程的早期和中期得到加强。但在压缩终了，由于 其运动轨迹与燃烧室形状不相适应而产生极大的变形，整个结构破碎变成湍流，从而形成 异常强烈的湍流运动，大大加快了火焰传播速度，可抑制爆震，减少循环变动，提高稀燃 能力，改善柴油机性能。通过优选进气道和燃烧室结构以产生较强的滚流，已成为当今有 效组织四气门汽油机燃烧过程的关键技术之一。 1 1 1 4 湍流运动 柴油机进气过程中在气缸内生成的涡流、滚流或斜轴涡流在压缩过程中不断衰减，和 由活塞顶凹坑形燃烧室所产生的挤流一起在上止点附近转化为一种不定常的气流运动，即 湍流( t u r b u l e n c e ) 。一般说来，湍流是各种流动形式中最本质的一种流动现象，其它流动 形式是湍流在某一瞬时某种宏观规则性的表现。实践证明，湍流与内燃机燃烧，排放物的 3 柴油机进气瞬时流动的三维数值模拟及性能研究 生成关系极大，例如对火花点火内燃机，主要表现在湍流对点火能量，火核生成，火焰传 播，燃烧速率，循环变动以及稀燃极限等有重要影响；对于压缩点火式内燃机，扩散燃烧 阶段的燃烧速率主要决定于混合速率，在湍流中物质的输运和混合的速率，远远大于层流 时仅靠分子间的浓度扩散的速率，在一定范围内增加湍流强度，将有利于燃烧过程的进行 和降低烟度【6 l 。湍流速度的大小、方向及压力都随时间而不断紊乱地变化着，湍流中的流 体微团会绕其瞬时轴作无规则的且经常被扰乱的有旋运动，这些旋涡会不断地发展或消 灭，即湍流具有极强的扩散性、耗散性和有旋性。湍流的破灭导致缸内湍动能增加，从而 也可以增强油气混合，提高燃烧速率。湍流和涡流可能形态相近，湍流不一定是涡流，但 是涡流肯定是湍流。涡流可用规则的数学模型来描述，而湍流的数学模型至今还没有一个 统一的模式。 实际上，由于进气系统的扰动等因素影响，缸内流动形式不仅仅是上述几种中的哪一 种，它们有时共同存在，有时从一种形式转化为另一种。柴油机缸内主要以涡流为主，而 汽油机缸内涡流和滚流并存。 1 1 2c f d 三维数值模拟 1 1 2 1c f d 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) ，是一门涉及计算机科学、流 体力学、偏微分方程的数学理论、数值分析等多领域的交叉学科。它采用数值技术和模拟 的手段解决各类具有强烈非线性的流动和传质问题，是一种新型的计算方法，属于三维数 值模拟的范畴。数值模拟不需要花费原型生产和反复测试的代价，能够在设计的初级阶段 及时地评价设计并做出反应，大大减少了费用，时间和风险；并且还能对实验难以测量的 量进行预测，比实验研究更灵活，更自由。目前c f d 已经广泛地应用于航天航空、汽车以 及加工工业当中。 若采用三维数值模拟的方法对气道内气体流动进行研究，不仅可以获得气道、气门和 气缸结构参数以及它们的相对位置对流动宏观特性( 包括流量系数、涡流比等) 的影响，而 且可以获得其内部流场的大量微观信息，为气道的优化设计和改进提供重要的依据阴。另 一方面，同稳流试验法相比，三维数值模拟的研究方法具有以下优点： ( 1 ) 通过对结构参数与计算结果进行分析，可以发现气道性能随结构参数变化的规 律，从而找出影响气道性能的主要参数，从理论上指导试验工作，减少试验的盲目性； ( 2 ) 数值模拟可获得一些试验不能测量或难于测量的结果，是试验研究中的一个重 4 江苏大学硕士学位论文 要补充； ( 3 ) 在了解影响气道性能的主要参数后，便于对气道结构进行优化设计，找出最佳 的气道结构形状。 因此，为了减少对进气道的试验调试工作，必须对进气道内气体流场进行数值模拟， 以了解气道内流动的详细情况，探求进气道的几何形状、结构对气体流动的影响规律 s - g l ， 进而对要设计的进气道进行性能预测，从理论上提出改进方向。 1 1 2 2c f d 商用软件介绍 自从1 9 8 1 年英国首先推出求解流动与传热问题的软件p h o e n i c s 以来，在国际软件 产业中形成了通称为c f d 软件的产业市场。在促进c f d 技术应用于工业实际中起了很大 的作用。其中应用较广泛的软件包括有p h o e n i c s ，f l u e n t ，s t a r c d 及f i r e 等。它 们的差异表现在各种描述燃烧和流动的物理化学过程模型的各种有机组合以及采用不同 的数值计算方法上。 ( 1 ) p h o e n i c s p h o e n i c s 软件以低速热流输运现象为主要模拟对象，由于长期积累以及s p a l d i n g 在 建立理论模型上非凡的创造力，p h o e n i c s 包含的湍流模型、多相流模型、燃烧与化学反 应模型等相当丰富，p h o e n i c s 可用非正交贴体网格，但网格畸变较大时可能会发生困难， 估计是在算法中采用交错网格离散的缘故。p h o e n i c s 又提倡采用直角形网格( 笛卡儿网 格) ，并提供了网格局部加密功能与网格被边界切割的补偿功f l 皂( p a s o l ) 与之相配合。 p h o e n i c s 软件的价格比其他c f d 通用软件低得多，其高性价比使之成为国内用户最多 的软件【螂。 ( 2 ) f l u e n t f l u e n t 软件，是由f l u e n ti n c 公司于1 9 8 3 年推出。f l u e n t 使用有限体积法来求解 n 二s 方程组。f l u e n t 可以进行结构化正交网格，非正交和曲线坐标系网格划分。f l u e n t 使用p o w e r - l a w 格式、二阶迎风差分格式和三阶q u i c k 格式来进行3 个空间步长的离散， 使用一阶e u l e r 隐格式实现时间步长的离散。压力与速度的耦合由s i m p l e 算法来实现求 解。f l u e n t 使用标准k 一占模型、r n g 湍流模型和雷诺应力模型( r s m ) 来模拟湍流流动。 可以计算的物理问题类型有：定常与非定常流动，不可压缩与可压缩流动，含有粒子液滴 的蒸发、燃烧模型，多组分介质化学反应等。f l u e n t 有良好的图形化界面可以方便问题 的定义、求解以及结果的处理。同时也有很强的通用性和二次开发性能，因此，是目前使 5 柴油机进气瞬时流动的三维数值模拟及性能研究 用最广应用最多的流体计算软件。 ( 3 ) s t a r c d s t a r - c d 软件是由c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c sl t d 公司推出，s t a r c d 使用非结构化网 格和有限体积法来求解n s 方程组。模拟湍流流动使用的湍流模型有标准贸一占模型、r n g 湍流模型和k s 的两层变形模型，在近壁面区域使用n o r r i s 和r e y n o l d s 方程低雷诺数模 型。s t a r c d 可以进行包括多相流动，热和质量传输，化学反应流，可压与不可压等大量 的工程实际问题的模拟分析。这一软件在世界汽车工业中应用尤广，有一专门模块 s p e e d d c 专门用来分析汽油机和柴油机的内部流动状况。s t a r c d 有集成的前后处理 器使得问题的定义、求解和结果输出均可以图形化显示，但由于界面操作复杂，使得其不 容易被使用【1 l 】。 ( 4 ) f i r e f i r e 软件是由奥地利a v l 公司开发的用于模拟内燃机流动、喷雾、燃烧过程的c f d 软件，跟大多数的c f d 软件一样，f i r e 由前处理，求解器和后处理三部分组成。f i r e 拥 有网格和动网格生成能力，包含了全自动，半自动以及手动网格生成功能，能够对包括进 气道在内的复杂结构轻松实现快速优质的网格划分。同时，f i r e 包含了丰富的湍流，燃烧 和排放预测模型，湍流模型有k s 湍流模型、r n g 、r s m 模型和a v l - h t m 模型等，燃 烧模型有e b u 模型，小火焰模型，p d f 模型，拟序模型和特征时间尺度模型等。排放模 型包含了z e l d o v i c hn o 预测模型，k h m 碳烟模型，k h m r a d 碳烟模型以及高级碳烟模型。 能模拟内燃机进气一喷雾燃烧的多维全过程，包括：进排气系统优化设计、瞬态缸内流 动、喷雾燃烧、冷却水套热力分析等等。相对于f l u e n t 和s t a r c d 而言，它更重视用 户在几何模型阶段的内燃机参数设计，同时f i r e 还有预留给用户自定义模型。用户可以 非常方便地根据不同的求解对象和环境选择各类不同的计算模型，以实现模拟计算与实际 情况的一致性【1 2 1 。 1 1 2 3c f d 在内燃机中的运用 ( 1 ) 流动模拟 目前对内燃机进排气系统、冷却水套及燃烧室内湍流运动进行数值模拟是c f d 数值模 拟中最实用的部分，在内燃机冷却水套内流场 1 3 1 、进排气系统【1 4 l 和缸内流动【1 5 】的模拟分 析方面都有很多的研究成果。在定常流动中，可利用l d v 、p 1 v 等手段对涡流、滚流进行 测量，将这些试验结果与三维流动数值模拟结果进行比较【1 6 1 ，充分证明了c f d 在模拟流 6 江苏大学硕士学位论文 动上的有效性。 ( 2 ) 燃烧模拟 内燃机的燃烧过程涉及到许多复杂的物理化学变化过程，是流体数值模拟最具有挑战 性的领域。燃烧过程的三维模拟较进排气流动模拟还处于初级开发阶段。缸内燃烧过程包 含湍流流动、化学反应及层流扩散。目前对火焰的结构及其传播机理的研究还不够充分， 还不能提出切实有效的燃烧模型。但也出现了很多应用于内燃机领域的各种燃烧模型和方 案，更值得一提的是还出现了柴油均质压燃燃烧唧c i ) 的模拟【1 7 1 。 ( 3 ) 喷雾模拟 喷雾过程包括喷射、雾化、蒸发和与空气的混合，喷雾过程是决定压燃式内燃机燃烧 特性的重要因素，燃油喷射模型中的液滴模型，有离散液滴模型( d d m ) 和连续液滴模型 ( c d m ) 两种。虽然后者可以为喷雾场提供更全面的描述，但由于计算量太大，现阶段难以 应用于实际工程问题中。目前在喷射模型的建立方面，包含对液滴振动、破碎、碰撞、碰 壁乃至聚合模型的建立i 堋。 ( 4 ) 传热模拟 内燃机传热与燃烧是密切耦合的关系，而且内燃机传热问题是所有工程传热问题中最 复杂的一个，边界条件的获取也存在很大的困难。建立传热模型对分析内燃机燃烧性能以 及排放具有很重要的意义。内燃机传热计算大致包括三个方面内容：工质与壁面间热量交 换；燃烧室壁内热传导；壁面与冷却系统间热传导【1 9 1 。 ( 5 ) 排放物模拟 内燃机缸内数值模拟的一个重要内容就是对燃烧产物的预测。虽然排放物模拟也是燃 烧模拟的有机组成部分，但在燃烧模型中都尽量避开化学动力学机理。而这些正是排放物 生成研究的重点及难点。目前，除对n o x 生成机理的研究外，对h c 、c o 、碳烟等的生成 机理还没有取得突破性的进展。因而对排放物的模拟和预测主要还是基于经验性的现象模 型。由于目前的试验无法对排放的各组分及各阶段生成产物进行分开考虑，所以模拟计算 仍然是研究排放生成机理的有利工具例。 1 2 国内外气道c f d 研究现状 1 2 1 国外气道c f d 研究概况 随着湍流理论的日益成熟和计算机技术的迅猛发展，内燃机进气道及缸内空气流动的 7 柴油机进气瞬时流动的三维数值模拟及性能研究 数值模拟计算不断完善，它经历了从二维模拟到三维模拟，从层流到湍流直至喷雾、燃烧、 排放模拟的历程。近几十年来，国外众多内燃机研究工作者对计算机数值模拟在气道设计、 评价和改进中的应用做了大量的工作，取得了很大进展。 1 9 7 9 年j i r a m o s 2 1 】研究具有气门中心布置的轴对称进气道的内燃机拖动状态下循环 过程的流场，结果表明：进气和排气产生的湍流比活塞运动产生的湍流更重要；由活塞运 动产生的湍动能比进气产生的小；雷诺应力、湍动能和耗散率在高压缩比和高转速时作用 显著；不同的进口条件显示，如果轴向进气，则气缸壁只形成一个逆时针旋涡，如果4 5 。进气则形成两个旋涡。气缸壁周围的旋涡在整个循环过程中一直存在；气门处进气和排 气条件下湍流模型中的经验系数要用实验验证。 1 9 8 5 年w b r a n d s t a t t e r 等人1 2 2 1 进行了螺旋进气道产生的进气流动的实验和理论研究。 他们采用l d v 测量了稳态流动情况下不同气门间隙处的三个正交速度分量，而且对进气 过程中气门上游的热力学条件和气门开口处质量流率进行了非定常气体动力学计算，然后 将l d v 测得的速度值和计算信息一起提供准稳态速度分布，用作进气过程中缸内三维计 算的边界条件。 1 9 8 7 年，a d g o s m a n 和a m y a h m e d 2 3 】采用有限差分法、贴体计算网格和k s 湍流 模型对轴对称进气道气门气缸装置内定常流动进行了计算研究；用热线测量了不同气 门升程的流量系数、平均速度和湍流雷诺应力场，通过比较发现小升程时可以得到流动的 满意预测，但所采用方法在大升程时与测量的湍流特性之间存在差异；并用流动可视化研 究补充了测量结果。 1 9 9 4 年，p i e r r eg o d r i e 等人1 2 4 1 对内燃机螺旋进气道和直进气道进行稳态流动数值模拟， 计算结果表明流量系数和缸内速度场吻合较好，验证了数值模拟方法可以作为预测进气道 及缸内定常流动的一种方法，分析了基于计算流量系数的内燃机性能预测的机理。 1 9 9 6 年，m i t 的w r o l fb a u e r 和j b h e y w o o d 采用s t a r - c d 预测一台单缸2 气门汽油机 的瞬态流场【期，计算模型包括进气管、进气道、气缸、排气管并与实验结果比较，其研究 目的是了解整个进气流动过程包括倒流现象。 2 0 0 1 年，b b a s a r a 采用标准的r n g 、非线性的k s 模型以及完全的雷诺应力模型， 对双切向进气道进行数值模拟，并将计算结果与l d a 实验结果进行了对比，结果表明， 在进行进气道流动特性的数值模拟时，完全的雷诺应力模型优于其他几种简单模型【硐。同 年， c m m o r a e s 等人提出了基于有限元法解决缸内非稳定流的新的数值模拟策略【韧。 2 0 0 4 年，u g u rk e s g i n 等人利用奥地利a v l 公司的f i r e 和b o o s t 软件进行了内燃机 8 江苏大学硕士学位论文 进排气系统的模拟研究与优化设计【冽。 综上可见，国外已掌握了有关进气道气门气缸内的流动多维数值模拟计算的关键 技术，如数值模拟方法、湍流模型、网格生成及运动边界( 活塞和气门) 的处理等，但大 量工作仍在深入开展之中。目前，f i r e ，s t a r - c d 已经是内燃机行业中较为成熟，应用最 为广泛的流动模拟计算软件，越来越多地应用在内燃机的研发设计过程中 1 2 2 国内气道c f d 研究概况 国内对内燃机进气道气体流动方面的数值模拟研究起步较晚，大概在2 0 0 0 年的时候 才开始引进c f d 软件。但近年来，随着c f d 商业化软件如f l u e n t 、f i r e 在国内逐步设立 代理，推动了数值模拟方法在内燃机内的普遍应用；与此同时，国内学者在气道模拟的数 值模型上进行自我探索，不断实践，得到了很多有价值的结论。 华中理工大学胡贵生等人应用贴体正交网格技术，k 一占双方程模型，选择乘方律格式 离散各流动控制方程，采用s i m p l e 算法，对进气道内的空气湍流运动规律进行了研究【2 9 】。 但这两种计算方法都只是单独地对简化的进气道进行了数值模拟，不能对具体气道进行模 拟。杨玟在1 9 9 9 年对进气道稳流实验装置内三维流动特性进行数值模拟研究，建立了贴 体正交曲线坐标系中螺旋进气道气门气缸内的三维流动模型，采用贴体正交网格、乘 方律差分格式、k f i - 双方程湍流模型以及s i m p l e 算法，开发了进气道气门气缸内三 维湍流场的数值模拟程序，计算与实验结果吻合【3 0 1 。北京理工大学韩占忠利用计算流体力 学中的任意拉格朗日一欧拉( a l e ) 计算方法对车用发动机内经进气门进入气缸套的气体流 动过程进行数值模拟，得出了气流流经气门时自入口到出口的流动过程速度图谱及稳态时 的压力分布，模拟计算速度图谱与用激光测速仪所进行的测量结果基本吻合p 1 1 。王志在 2 0 0 2 年应用a v l 公司的f i r e 软件对螺旋进气道开展了c a d c a m c f d 一体化研究，提 出了c a d c a m c f d 集成的现代气道研制方法；研究了分离螺旋涡流和切向涡流的方法和 评价螺旋进气道的原则【3 2 1 。同年无锡油泵油嘴研究所夏兴兰对某气道流场结构进行了分 析，找出并修改了气道结构中不合理的部位【3 3 1 。2 0 0 5 年，上海交通大学的罗马吉等人采用 任意拉格朗日一欧拉( 朋慢) 方法和动态网格生成技术，实现了车用发动机进气流动过程 中的三维瞬态可压缩湍流数值模拟 3 4 1 。2 0 0 8 年，湖南大学杨靖等人利用计算流体力学软件 对长短结合的双切向进气道进气过程进行三维瞬态数值模拟，获得了进气过程中气缸内部 流体的速度场和湍动能的变化规律，揭示了其涡流从双涡流结构向单涡流结构的形