（动力机械及工程专业论文）柴油机三维流体流动数值分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 柴油机缸内气流运动状况将影响柴油机燃烧过程并进而影响其动力性、 经济性和排放性能。因此，一直以来对柴油机缸内流体流动过程的研究是柴 油机工作者特别关注的课题。由于柴油机工作时内部气体流动是多维多组分 的复杂瞬变过程，很难对气缸内的流体流动状况进行全面监测。随着计算机 计算能力的提高和计算流体力学( c f d ) 的发展，各国学者都致力于用c f d 的 方法来研究内燃机中的流体流动和传热问题。 以某缸径为2 8 0 m m 的机车柴油机气缸建立计算几何模型，利用数值计 算方法对气缸内速度场、温度场以及压力场的分布进行了耦合计算，计算中 缸内气体由连续性方程、动量方程和能量方程描述，紊流模拟采用k 一占两方 程紊流模型，数值计算采用有限体积法，差分格式为迎风差分格式，速度 压力耦合计算采用s i m p l e 算法。由于内燃机工作时进排气阀以及活塞都处 于运动状态中，对这一部分运用了动网格守恒方程。对柴油机缸内气流在不 同时刻的运动状态进行了仿真分析，并且在此基础上对不同转速、不同m p c 模块、不同配气相位时气缸内部的气流运动的影响进行了分析研究。 通过计算分析发现：进气过程中缸内涡流的产生是由于进气气流带动缸 内空气由小涡流转变成大涡流，且大涡流是偏心的，排气涡流是由于受气门 阻力产生气流回旋而生成的，最大气流速度集中在远离排气口的地方；转速 对缸内流场影响较大，在高转速情况下，缸内气流的平均温度、平均压力、 平均速度都要高于低转速的工况，且变化趋势也各不相同，不同的转速工况 下应采取不同的配气相位，利用数值分析进行迭代可以找到该转速下的最佳 配气相位；m p c 结构参数中的收缩比妒和夹角9 对内燃机性能影响较大，收 缩比跟动能利用率成正比；夹角9 一般取2 5 。- - 4 5 。，此时流动损失跟乡成 反比。在总管上游回流和沿圆周的2 次流是引起m p c 能量损失的主要因素， 后者的影响较大，支管进气对总管的影响一直延续到总管下游 关键词：柴油机；工作过程；数值模拟；流动 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t t h eq u a l i t yo fa i r f l o wf i e l di nc y l i n d e ro fd i e s e le n g i n ew i l le f f e c tt ot h e c o m b u s t i o np r o c e s sa n df u r t h e rt od y n a m i c a lp e r f o r m a n c e ，f u e le c o n o m ya n d e m i s s i o np e r f o r m a n c e t h e r e f o r ，d i e s e le n g i n er e s e a r c h e r sp a ys p e c i a la t t e n t i o n t ot h er e s e a r c ha l lt h et i m e b e c a u s et h e r ei sm u l t i d i m e n s i o n a l 、m u l t i c o m p o n e n t 、 c o m p l e xa n dt r a n s i e n tp r o c e s si na i r f l o wi n s i d et h ec y l i n d e ro fd i e s e le n g i n e ，i ti s d i f f i c u l tt om o n i t o ro v e r a l la i r f l o wc o n d i t i o ni nc y l i n d e r w i t ht h ei m p r o v e m e n t o fc o m p u t e rp o w e ra n dd e v e l o p m e n to fc o m p u t a t i o n a lf i u i dd y n a m i c s ，m a n y s c h o l a r sd e v o t et or e s e a r c h i n gf l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nd i e s e lw i t ht h e m e t h o d0 tc f d i nt h i sp a p e r ，a2 8 0 m md i a m e t e rc y l i n d e rm o d e lo fal o c o m o t i v ed i e s e l e n g i n ew a ss e tu p b a s e do nt h i sm o d e l ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l da n d p r e s s u r e f i e l di nt h ec y l i n d e rw a ss i m u l a t e db yn u m e r i c a lm e t h o d su n d e r d i f f e r e n t p a r a m e t e r t h e s i m u l a t i o nw a sb a s e do n c o n t i n u i t ye q u a t i o n ， m o m e n t u me q u a t i o na n de n e r g ye q u a t i o n si nf l u i dd y n a m i c s ；k - st w o e q u a t i o n t u r b u l e n c em o d e lw a su s e dt os i m u l a t et u r b u l e n c ef l o wi nc y l i n d e r f i n i t ev o l u m e m e t h o dw a su s e dt od i s c r e t i z et h ec o m p u t e da r e a ；u p w i n dd i f f e r e n c i n gs c h e m e w a su s e di nt h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o n ，a n ds i m p l e a l g o r i t h mw a sa d o p t e dt o c o u p l et h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r ei nf l o wf i e l d b e c a u s ei n t a k ea n de x h a u s tv a l v e s a sw e l la sp i s t o na r ei nas t a t eo fm o v e m e n tw h e nd i e s e le n g i n ew a sw o r k i n g ， m o v i n gm e s hc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n sw a su s e di nt h es i m u l a t i o n t oa n a l y s i sa i r f l o wi nc y l i n d e ri nd e t a i l ；t h es i m u l a t i o nw a sd o n ei nd i f f e r e n ts t r o k e so ft h e d i e s e le n g i n e b e s i d e st h a t ，t h ed i s t r i b u t i o no fg a s s p e e d ，t e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ei nc y l i n d e rw e r es i m u l a t e dw i t hd i f f e r e n tr u n n i n gs p e e d 、d i f f e r e n tv a l v e t i m i n ga n dd i f f e r e n tm o d u l a rc o n s t r u c t i o no fm p cs y s t e m t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w s ：t h ei n t a k es w i r li sf o r m e df r o mt h eo u t s i d et o t h ei n s i d e ，s m a l lt ob i g ，w h i l et h eb i gs w i r li se c c e n t r i c i t y ；t h ee x h a u s ts w i r li s f o r m e d f r o mt h ef l o ww h i r lw h i c hg e n e r a t e db yv a l v er e s i s t a n c e ，a n dt h e m a x i m u mv e l o c i t yo ft h ef l o wf o c u sa w a yf r o mt h ev e n t ；t h es p e e do ft h ed i e s e l e n g i n eh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ef l o w sc h a r a c t e r i s t i c si n c y l i n d e r t h ea v e r a g e t e m p e r a t u r e ，a v e r a g ep r e s s u r ea n dt u r b u l e n t k i n e t i ce n e r g ya t h i g he n g i n e 西南交通大学硕士研究生学位论文第| ii 页 r u n n i n gs p e e da r eh i g h e rt h a nt h a ta tl o we n g i n er u n n i n gs p e e d ，a n dt h e r ea r e m a n yd i f f e r e n c e si nc h a n g i n gt r e n d t h es i m u l a t i o nr e s u l ta l s os h o w st h a ta t d i f f e r e n tr u n n i n gs p e e dt h ed i e s e le n g i n es h o u l db eu s e dd i f f e r e n tg a se x c h a n g e t i m i n g ，a n dt h e b e s tv a l v et i m i n gc o u l db ef o u n di nt h en u m e r i c a la n a l y s i s m e t h o d t h ec o n t r a c t i o nr a t i o 妒a n di n c l u d e da n g l e 秒o fs t r u c t u r ep a r a m e t e r a b o u tm p ch a v eg r e a ti n f l u e n c eo ni c e n g i n ep e r f o r m a n c e t h ec o n t r a c t i o nr a t i o i si nt h ed i r e c tr a t i ot ot h ek i n e t i ce n e r g ye f f i c i e n c y ；a n dt h ef l o wl o s si n v e r s e s p r o p o r t i o nt oi n c l u d e da n g l e9 t h e r ei sm i n i m u mf l o wl o s sw h e n 目i se q u a lt o 4 5 。t h eb a c k f l o wi nu p p e rm a i np i p ea n ds e c o n d a r yf l o wa l o n gc i r c l ea r et h e m a i nf a c t o ro fe n e r g yl o s si nm p c ，w h i l et h el a t t e rh a sg r e a t e re f f e c t t h ef l o wo f b r a n c ep i p eh a ss u s t a i n e di n f l u e n c eo nl o w e rm a i np i p e k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ；w o r k i n gp r o c e s s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l o w 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密耐使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：同沲勃 e t 期：川占st 31 指导老师签名：袭幺 日期：幺。，矿 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 ) 建立了详细的三维气道一气缸一进排气阀和活塞运动的有限体积法计 算模型，在计算分析中比较精确的模拟了活塞、气阀运动。 2 ) 对内燃机一个工作循环的各个工作过程做了模拟计算，包括进排气过 程、喷油雾化过程、燃烧过程。计算结果示功图与实测示功图数据吻合较好。 3 ) 较详细的分析了进排气过程缸内及进排气道内气体流动和涡流形成及 变化情况，得到缸内气流较为直观的图像。 4 ) 研究了改变运转参数( 转速) ，改变控制参数( 配气相位) 和改变结构参数 ( m p c 结构参数) 等条件下对柴油机缸内流场及进排气过程的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 柴油机发明至今经历了一个多世纪的发展，对世界工业革命和社会经济 的发展起到了巨大的推动作用。在过去的一百年中，柴油机得到了非常大的 发展，从船用到机车、工程机械、发电，从运输车辆到军用坦克等多种领域， 都采用柴油机作为动力；这不仅表现在使用范围上，而且在质量、性能方面也 经历了飞速发展，单机功率不断扩大，油耗也在不断降低。1 9 2 7 年，机械式 燃油压力喷射系统问世，为柴油机提供了强有力的“心脏，为柴油机的技术 腾飞创造了条件；2 0 世纪5 0 、6 0 年代增压技术和中冷技术先后得到开发应 用，使柴油机基本性能指标得到巨大提高；2 0 世纪8 0 年代，电控喷油技术 的出现，到2 1 世纪第一台智能化柴油机的开发成功，使柴油机技术有了更加 精细化的发展【l 巧j 。 与汽油机相比，柴油机有诸多显著特点：柴油机比汽油机有更好的经济 性，其热效率可达4 5 5 以上，是当今各种通用动力机械中热效率最高的一 种；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 用任何机外后处理措施，其有害气体的排放量也可以达到带有普通三元催化 反应器并采用闭环控制系统的汽油机的排放指标。汽车柴油化是汽车工业发 展的必然趋势【6 j 嗍例。 柴油机给人们的生活带来便利的同时也带来能源问题和环境问题。而环 境污染的罪魁祸首，除了工业污染外，另一个相当重要的污染源就是机动车 尾气排放，随着能源短缺和排放法规的日益严格，节能和环保已经成为内燃 机行业需迫切解决的两大问题 7 - 1 0 j 。因此对发动机燃油经济性和排放性能的 要求不断提高，制造商们纷纷对一些新技术( 高压电控喷射、废气再循环、代 用燃料、控制燃烧技术、结构调整) 进行研究，这些技术需要对发动机的工 作过程及发动机缸内流动过程有更深层次的认识。 柴油机进气、压缩和燃烧过程中的气流运动是十分复杂的，并且进程是 多变的。目前对柴油机缸内的流场的研究方法主要有实验测量和数值模拟两 种方法i 实验方法要求有专门的设备而且十分昂贵，并且实验条件恶劣( 涉及 到燃烧等) 难以完全了解缸内流动细节，除了个别实验室以外并不被广泛使 用。随着计算机技术以及计算流体动力学等相应学科的发展，对柴油机工作 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 过程进行数值模拟的工作得到了迅速发展。与实验研究相比，数值模拟具有 周期短，见效快，费用低的特点，已经成为分析、设计柴油机的重要工具， 而且数值模拟能提供实验不能提供的信息。一般说来数值模拟能提供空间任 意位置和任意时刻的速度、压力、温度，可以为改进现有的发动机结构和开 发新的燃烧系统提供预见性指导。 1 2 国内外研究现状 柴油机缸内的物理现象极其复杂。它涉及各种流体力学及各种化学动力 学现象。另外，发动机是一个复杂的几何体，难以完全确定各点的不稳定边界 条件。这就需要建立各种各样的物理化学模型使方程简化。由于这些特点的 存在，发动机缸内数值模拟也经历了非常艰难的发展历程。 早期，对内燃机工作过程模拟计算时，受相关学科的发展程度以及计算 机发展水平的限制，不考虑内燃机工作的复杂性，主要采用零维模型计算【1 1 1 。 零维模型是假定气缸内工质均匀分布，零维模型可以通过示功图计算放热规 律，或者预先假设放热规律按v i b e 或双v i b e 函数规律变化，计算出示功图 以及发动机其它基本性能参数如油耗、转矩等，但对于排放物如n o 、c 0 ， 肌和微粒等的形成，由于与局部温度和各成分浓度密切相关，采用零维模 型就无能为力。 为了更好准确的计算分析，7 0 年代提出了准维模型。准维模型是从实际 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一燃烧过程中未燃区域、燃烧区域和已燃区域等的 实际存在，列出描述分区内各参数随时间变化的关系式，计算各分区内的温度 和组分浓度。 零维模型和准维模型都是在热力学理论的基础上以时间为自变量来描 述燃烧过程的，远不能从本质上去揭示有关燃烧现象的机理，因而也就不能 对内燃机的性能做出较详尽的客观分析和预测。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着计算机应用的普及，计算数值方法和计算流体 力学等学科的日益成熟，内燃机缸内的工作过程多维数值模拟得到了较快的 发展。在这类模型中，各守恒方程与描述湍流运动、化学反应、边界层特征相 应的子模型一起，结合适当的边界条件，用数值方法求解。计算结果能够提供 有关内燃机燃烧过程中的气流速度、温度和成分在燃烧时空间分布的详细信 息，是一种较为精细的模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 在c 形h i r t 提出用于内燃机的i c e d i l e 算法的基础上，美国的l o s a l a m o s 国家实验室经过多年的努力，相继推出用于缸内流动和燃烧过程模拟 的大型系列程序魍厢取得了一系列世人瞩目的成果。在a l e ( 任意拉格日一 欧拉法) 算法发展的同时，英国帝国理工学院首创了s i m p l e ( s e m i i m p l i c i t m e t h o df o ，p r e s s u r e l i n k e de q u a t i o n ) 算法，在此基础上g o s m a n 开发了直接喷 射柴油机三维模拟计算程序。近年来，随着对内燃机工作过程的大量研究，开 发出了一系列功能齐全的商用软件如英国a d a p c o 公司的s t a r c d 软件，里 卡多的v e c t i s 软件及奥地利彳比公司的疗，e 和b o o s t 等软件，为内燃机的研 制提供了十分便利的条件。2 0 世纪8 0 年代末s h i g e k is u g i u r a 等人对进气道 一气门一缸内系统进行了二维和三维稳态流动计算【l2 1 ，以研究进气系统几何 形状对质量流量和流型的影响。1 9 9 5 年，k a n gy h u h 等人采用修改过的k i v a 刀计算了稳态流动和运行工况下内燃机进气道一气门一缸内的流动【i 引，结果 显示稳流实验测量的涡流比用于预测运行工况发动机的涡流比是可能的。 1 9 9 6 年，m i t 的肋i f b 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【l4 1 ，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 0 年，s t e v ep i e r s o n 等人详细讨论了利用计算机数 值模拟的方法预测汽油机的燃油经济性和降低排放【l 副。 国内内燃机工作者在消化和吸收了国外先进的数学模型、数值方法和计 算程序的基础上开发出许多内燃机工作过程数值模拟程序也有不少研究取 得一些成果。华中理工大学的杨玟采用贴体正交网格、k 一占双方程湍流模型 以及s i m p l e 算法模拟计算了螺旋进气道一气门一缸内的三维湍流流场【l 引， 系统的研究了内燃机进气道稳流实验装置中气体的三维流动特征。天津大学 的刘书亮采用a l e 、经压缩性修正的k 一占双方程湍流模型计算了4 气门汽油 机进气及压缩过程的流场【2 ，气门采用颗粒模拟技术处理，其目的在于研究 滚流的形成及演变规律。蒋勇利用在k i v a 系列程序基础上开发的i p i c 一旺d 程序对直喷式柴油机螺旋进气道一气门一缸内进行了稳流和实机三维数值模 拟 2 1 1 ，结果表明采用贴体网格气门模型的计算精度最高。我国与国际先进水 平的差距主要体现在，进气道一气门一缸内系统三维流动模拟基本上停留在 稳流模拟，对瞬态模拟研究的不够；在少量的进气道一气门一缸内系统三维 流动瞬态模拟中，气门模型多采用颗粒模拟技术；三维流动还处于理论研究 和规律探讨阶段，结合发动机改型设计的实用化研究还未见报道。总的来说， 国内的发动机工作过程数值模拟还处于初始阶段，很多方面还不完善，尤其 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 是排放、燃烧和燃油喷雾等方面各种物理化学模型需要进一步完善。 1 3 柴油机工作过程模拟 柴油机的性能指标取决于各工作参数，如增压压力、空气流量、排气温 度、爆发压力、油耗率等。这些参数是相互关联、互相制约的，并且取决于 柴油机的设计和结构参数，如缸径、行程、压缩比、配气相位、进排气管的 结构等。结构参数的微小变化会使各工作参数产生较大的变化。常规的热力 计算是在对许多工作参数根据经验选定的基础上，对工作过程的几个特征点 进行估计，然后求出柴油机的其他工作参数和性能指标。这种方法的随意性 较大，误差较大，已不能满足对增压柴油机越来越高的优化设计和控制的要 求。随着计算机技术的发展，计算机的应用提供了一个快速而准确地计算手 段。柴油机工作过程多维数值模拟是从柴油机气缸及各系统的物理模型出发， 用微分方程组对工作过程各个阶段进行模拟，联立求解，求得各工作参数随 时间f ( 曲轴转角) 的变化规律，在此基础上算出综合参数及整机性能。目前， 内燃机工作过程的数值模拟已成为研究和开发内燃机的一种有效方法。对于 柴油机，在以下几个方面获得了实际应用： 1 ) 预测柴油机的性能指标。在柴油机制造之前，根据设计样图提供的结 构参数，可以预测其性能指标，并进行多方案的比较，以获得最佳的设计方 案，可以缩短研制周期并提高研制的成功率。 2 ) 对柴油机的结构进行优化。根据柴油机指标的设计要求，确定其主要 部件的最优结构参数，如配气相位、进气和排气凸轮型线、气门的结构尺寸、 压缩比、进气和排气管的结构尺寸。 3 ) 为柴油机的可靠性校核计算提供依据。在柴油机的设计阶段，通过热 力过程的模拟计算，求得缸内示功图、最高爆发压力等，作为动力计算和强 度计算的依据，缸内温度变化规律、最高燃烧温度、排气温度等，作为热负 荷计算的依据。 4 ) 进行工作过程分析。对许多难以通过试验测取的参数进行分析，如滞 燃期、燃烧持续期、燃烧放热率、泵气损失、排气管压力波等。 如上述，内燃机工作过程模拟不仅可降低研究费用，节省人力物力，缩 短开发周期，而且能达到使发动机结构参数和性能参数优化，改善发动机动 力性与经济性。当然，数值模拟也不是万能的，内燃机数值模拟还在不断发 展和完善中，计算的精确性还有赖于边界条件的恰当取定【2 2 1 。而这些边界条 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 件多是由试验获得的经验公式、统计数据和图表来确定的。因此，试验工作 是数值模拟的前提和基础，完全依靠计算也是不可取的。 1 4 研究方法 传统工程开发研究采用的试验方法易受到各种客观条件的限制，且使用 实物实验进行大规模的参数调试是极为昂贵的，尤其对于柴油机，气缸内部由 于有燃烧现象的发生，一般的试验设备很难从气缸内部测得数据，不能够真 实反映实际的状况。而数值计算的方法不但具有成本低、能模拟较复杂工况 的优点，还可以拓宽实验研究的范围，减少实验的工作量，得到较多较完整 的信息。因此，研究人员正在越来越多地用更迅速而又廉价的计算分析来取 代实验。其中，在与流体流动有关的工程领域，c f d 技术是预测流体运动状 况随几何与工况变化而发生变化的强有力的工具 2 3 】【2 4 1 。 c f d 方法求解问题的基本思路是：把原来在空间和时间坐标中连续的物 理量的场( 如速度场、温度场、浓度场等) ，用一系列有限个离散点( 称为节点) 上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间的代 数方程( 称为离散方程，d i s c r e t i z a t i o ne q u a t j o n ) ，求解所建立起来的代数 方程以获得所求变量的近似值。上述思想可用图1 - 1 来表示。 c f d 数值求解方法主要有有限体积法( “力j t ev o l u m em e 咖o d , f 呦、有 限元法( f j n i t e e l e m e n tm e t h o d , 删、有限差分法( 疗刀j t ed i f f e r e n c e m e t h o d , 凡彻、有限分析法( f i n i t ea n a l y t i cm e t h o d , f a 肋等，区别在于区 域的离散方式、方程的离散方式及代数方程求解的方法这三个环节。有限体 积法将所计算的区域划分为一系列的控制容积，每个控制容积都有一个节点 作代表。通过将守恒型的控制方程对控制容积作积分来导出离散方程。在导 出过程中，需对界面上的被求函数本身及其一阶导数的构成做出假定，这 种构成方式就是有限体积法中的离散格式。由于用有限体积法导出的离散方 程可以保持原微分方程的守恒特性，而且离散方程各项的物理意义明确，目 前大多数大型商业化c f b 软件都采用了有限体积法【2 5 。27 1 。本文的分析即采用 有限体积法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 线 性 问 题 图l l 数值计算基本步骤示意图 1 5 本文所做工作 本文的研究思路是：首先根据柴油机气缸内部流场的特点，建立适合于 求解柴油机内部气流组织空气动力特性的物理、数学模型及相应的数值计算 方法；对压力场、温度场、速度场进行耦合计算，研究其内部气流组织的生 成、变化等，为结构的优化提出改进意见。通过不同控制参数、运转参数以 及结构参数的数值计算，找出这些参数对内燃机内部气流及性能的影响。 1 ) 建立物理模型。利用建模软件p r o e 和g a m b i t 建立内燃机进气道一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 气门一缸内系统的模型，并且划分好计算所要用到的网格，定义所要用到的 边界。 2 ) 模拟计算。在f l u e n t 中通过其动网格命令来控制气门和活塞运动， 加载初始条件，设置迭代因子。并对计算过程中的缸内流场，压力场，温度 场进行耦合计算，得到发动机缸内流速、压力、温度分布情况。 3 ) 对所得数据进行处理分析。将所得数据与实测示功图进行比较验证。 分析内部涡流的形成，发展，内部压力、温度分布情况等，对缸内结构提出 合理的改进意见。 4 ) 研究工作。通过不同转速，不同配气相位，不同m p c 结构参数的数值 计算，分析这些运转参数、控制参数及结构参数对内燃机性能的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章数值计算方法 本文的主要工作是利用数值计算方法对气缸内速度场、温度场以及压力 场的分布进行耦合计算，计算中流动控制方程为连续性方程、动量方程和能 量方程以及状态方程，紊流模拟采用七一两方程紊流模型，数值计算采用有 限体积法，差分格式为迎风差分格式，速度一压力耦合采用s i m p l e 算法。由 于内燃机工作时进排气阀以及活塞都处于运动状态中，对这一部分用到了动 网格守恒方程。下面对相关的理论作简单介绍。 2 1 流体流动与传热问题的控制方程 流动与传热现象大量地出现在自然界及各个工程领域，从17 世纪的牛顿 力学，1 8 世纪的伯努利定律、达朗贝尔原理、欧拉流体运动基本方程和拉格 朗日流体无旋运动条件，到1 9 世纪粘性流体力学方程的导出和2 0 世纪空气 动力学和边界层理论的迅速发展，人们已经对流体流动和传热问题有了比较 深刻的认识。尽管理论上还有一些不完善之处，如对紊流现象的认识、理解 和描述，但绝大多数流动和传热问题都可以用数学公式来描述。 用矽表示通用变量，则上述各控制方程的通用形式如下： _ a 【p o o j t - d i l ，妇矽) ：d i v ( f g r a d o ) + s ( 2 1 ) a f 其展开形式为： a ( p o ) a ( 矽) a ( 矽) 。a 协缈矽) 8 t a x a v a z 。 r ，一，、 ：旦f ，r 型 + 旦r r 型、1 + 旦f ，r 型 + s “剖 出l 舐砂l 砂瑟l 玉 式中西为通用变量，可以代表“、1 ，、w 、t 等求解变量；f 为广义扩散 系数；s 为广义源项。式( 2 1 ) 中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源 项。对于特定的方程，矽、f 和s 都有特定的形式，表2 1 给出了三个符号和 各特定方程的对应关系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 表2 1 通用控制方程中各符号的具体形式 斧等 矽r s 方程 连续方程 1 00 动量方程 “j 一粤+ s ， a 能量方程 丁七 s r - - c 组分方程 c jd ，p s ， 由此日j 以与出各径制刀程o 质量守恒方程： 要+ 掣+ 掣+ _ o ( p w ) ：0 ( 2 - 3 ) 动量守恒方程： 一o ( p u ) + 咖( 云) ：一望+ 堡+ 生+ 丝+ t ( 2 - 4 ) a t “ 。8 x 8 xa va z l _ o ( p v ) 砌( 二) ：一挈+ 笠+ 肇+ 堡+ f ， ( 2 5 ) a t 、 酗a x如8 z y _ o ( p w ) + d i v ( 云) ：一呈i - 丝+ 盟+ 堡+ 只 ( 2 6 ) 8 t 、。 a z8 xa v8 z z 式中p 是流体微元上的压力，r 。、fn ，、f 。等是因分子粘性左右而产生 的作用在微元体表面上的粘性应力f 的分量；c 、和e 是微元体上的体力， 若体力只有重力，且z 轴竖直向上，则只= 0 、= 0 、c = 一昭。 对于粘性流体，粘性应力r 与流体的变形率成比例，有： 乇= 2 , uo u + , i d i v 仁) 却塞+ 肋v g ) f 。= 2 娑+ 肋v g ) c ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 可”叫i 万+ 瓦j 厂o u 伽、 = f z x2 i 瓦+ 瓦j ( a v 挑、 = t r y 叫l 瓦+ 万j ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) 式中，是动力粘度，旯是第二粘度，一般可取兄= - 2 3 。由此得： a _ = ( p - u 一) + d f ，( 云) ：讲，( g r a d u ) 一a j p + s 。 ( 2 1 3 ) 掣+ 西1 ，( 厕) ：d i v ( g r a d v ) 一a 。p + s 。 ( 2 1 4 ) u c ：y 了a ( p w ) + 西，( 厕) ：讲v ( g r a d w ) 一罢+ s 。 ( 2 1 5 ) 式中，g r a d ( 户a ( ) 叙+ a ( ) a y + a ( ) 瑟，符号、氐和s w 是动量守恒 方程的广义源项，s 。= c + j 。，s ，= + s y ，s 。= c + j ：，而其中的j ，、s ， 屯= 昙( 罢) + 品( 喀) + 妄( 罢) + 昙( 2 d i v f f )屯2 瓦l 瓦j + 万l 瓦j + 瓦l 瓦j + 旷* 针孔卦* 豺面a ( 2 d i 嘲 s y2 瓦l 万j + 万l 万j + 瓦l 万j + 面j 屯= 昙卜老 + 言( 塞) + 昙( 警 + 昙z ( 2 d i v f f )屯2 瓦l 瓦j + 万l 瓦j + 瓦l 西+ 能量守恒方程： 掣+ 疣v 恤丁) ：d i 拈- g r a d t l 屿 该式可写成展开形式： a ( p t ) + o ( p u t ) + 亟趔+ 皇纽型 a t舐 砂 o z = 丢( 毒罢 + 号( 毒多 + 瓦( i k 警 + 品 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 其中，c 。是比热容，丁为温度，k 为流体的传热系数，品为流体的内热 源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称s 为粘性耗散 项。 综合各基本方程，发现有u 、1 ，、w 、p 、t 和p 六个未知量，还需要补 充一个联系p 和p 的状态方程，方程组才能封闭。 该状态方程对理想气体有： p = , o r r ( 2 - 2 1 ) 其中尺是摩尔气体常数。 2 2 湍流的数值模拟 2 2 1 湍流数值模拟方法 湍流流动是工程技术领域与自然界中常见的流动现象，是一种高度复杂 的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中流体的各种物理参数，如速 度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。从物理结构上说，可以 把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些涡旋的大小及旋 转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡旋主要由流动的边界条件所决定，其 尺寸可以与流场的大小相比拟，是引起低频脉动的原因：小尺度的涡旋主要是 由粘性力所决定，其尺寸可能只有流场尺度的千分之一的量级，是引起高频 脉动的主要原因。大尺度的涡旋破裂后形成小尺度的涡旋。较小尺度的涡旋 破裂后形成更小尺度的涡旋。因而在充分发展的湍流区域内，流体涡旋的尺 寸可在相当宽的范围内连续地变化。大尺度的涡旋不断地从主流获得能量， 通过涡旋间的相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡旋传递。最后由于流体粘性 的作用，小尺度的涡旋不断消失，机械能就转化为流体的热能。同时，由于 边界的作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍 流运动 2 5 1 。 一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的n s 方程对湍流的瞬时运 动仍然是适用的。湍流运动的数值模拟已成为当今计算流体力学和计算传热 学中困难最多且研究最活跃的领域之一。目前采用的数值模拟方法可以大致 分为三类【2 6 】： 1 ) 直接模拟d n s ( d i r e c t l yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n l ，是用三维非稳态的 n a v i e r - s t o k e s 方程对湍流进行直接数值计算。直接模拟的先决条件就是网格 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 必须小于最小的湍流尺寸，这就要求对高度复杂的湍流运动进行直接计算时， 必须采用很小的时间与空间步长，才能分辨出湍流中详细的空间结构及变化 剧烈的时间特性。湍流的直接模拟对计算机的内存和计算速度的要求非常高， 目前还无法将这一方法用于实际的工程数值计算中，只有少数能使用超级计 算机的研究者才能从事这一类计算。 2 ) 大涡模拟l e s ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) ，按照湍流的旋涡学说，湍流 的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的。大涡从主流获得能量，是高度的 非各向同性，大涡将能量传递给小涡。不同流动中的小尺度涡有许多共性， 其主要作用是耗散能量，它们几乎是各向同性的。基于上述认识，导致了大 涡模拟的方法，这种方法就是用非稳态的- s 方程来直接模拟大尺度的涡， 不直接计算小尺度的涡，小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。 对于内燃机缸内流动而言，大涡模拟有其优点。由于高度的非定常性， 采用大涡模拟时，湍流定义为某一瞬时速度对局部平均值( 过渡速度) 的偏 离。因此，对若干个循环分别进行l e s 计算，则可确定循环时间变动的大小。 1 9 9 2 年n a i t o h 等曾将l e s 应用于发动机缸内湍流研究，他们成功的模拟了 接近压缩上止点时，缸内气流由于大涡的破裂转化成湍流的过程。 但是，用大涡模拟也有其固有的缺点。大涡模拟方法对边界条件和初始 条件有很高的要求，从而构成一个相当棘手的问题，特别是壁面条件，柴油 机壁面的温度是时时刻刻都在变化的；另外，用大涡模拟计算所需要的代价 也是很高的，也要求有高性能的超级计算机作保障。 3 ) r e y n o l d s 时均方程法( r e y n o l d st i m e - a v e r a g ep a r a m e t e rm e t h o d ) ，这 种方法将湍流的各种瞬时量表示成时均值和脉动值的和，将非稳态控制方程 对时间做平均，在所得出的关于时均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积 的时均值等新的未知量，不可能依靠进一步的时均处理而使控制方程组封闭。 要使方程组封闭，必须做出假设，即建立模型。这是目前工程湍流计算中所 采用的基本方法。在r e y n o l d s 时均方程法中，又有r e y n o l d s 应力方程法和湍 流粘性系数法两大类。前一种方法所需的计算量较大，尚未达到工程应用的 阶段。而湍流粘性系数法是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广的方 法。本文的数值计算也采用湍流粘性系数法。 2 2 2 湍流模型 在内燃机整个工作循环中，其缸内气体充量始终在进行复杂而又强烈瞬 变的湍流运动。目前对湍流进行模拟，主要还是采用一定的湍流模型【2 7 1 。主 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 要有以下几种： 混合长( 或称零方程) 模型、单方程模型( 湍动能的k 方程模型) 、双 方程模型( k 一占模型) 、雷诺应力模型、代数应力模型、非线性涡粘度模型 等，本文主要应用k 一占两方程模型。这一模型需额外求解下述两个偏微分方 程： 紊动能k 方程： 掣胁c 肚u ) = d i v 箦卜后卜懈 协2 2 ， 紊动能耗散率占方程： 掣胁c 删m v 等卜斗舱譬堋丢岛 浯2 3 ， 式中：以：。生 占 ( 2 - 2 4 ) b = 2 ( 罢) 2 + ( 考) 2 + ( 暑) 2 + ( 暑爹+ 罢 2 + ( 老+ 警 2 + ( 暑 + 爹) 2 c 2 2 5 ， 其中，c 仃。，仃，c l ，c 为常数，( 适用面较广的一组为o 0 9 ，1 0 0 ，1 3 0 ， 1 4 4 ，1 9 2 ) 。 2 3 流场数值计算方法 数值计算的实质就是把描述流体运动的连续性数学模型离散成大型代数 方程组，建立可在计算机上求解的算法。通过偏微分方程的离散化和代数化， 即将无限信息系统变为有限信息系统( 离散化) ，把偏微分方程变为代数方程 ( 代数化) ，再通过采用适当的数值计算方法，求解方程组，得到流场的数值 解。控制方程的离散化方法就是把连续的待求变量值用计算区域的离散节点 处的值代替，待求变量离散化以后再引入各节点变量之间相互联系的某种假 设，代入控制微分方程就能得到一组由节点变量表达的代数方程式，称之为 离散方程。离散方程应与原微分方程有同样的物理内容和基本性质【2 9 1 。 虽然推导离散方程时引入节点变量相互联系的规律是人为假设的，但是 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 当节点数目很大时，节点变量已经接近连续变化，在各个节点上离散方程的 解将足够地接近微分方程精确解的值。 偏微分方程的数值求解方法主要有有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d , f z m ) 、有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d , f e m ) 、有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c