二气门汽油机缸内冷态流场的大涡模拟.doc

中国工程热物理学会 燃烧学学术会议论文 编号：094006二气门汽油机缸内冷态流场的大涡模拟曾文基金项目：中国博士后基金(20080430733)，辽宁省教育厅项目(2008545)作者简介：曾文（1977-），男，湖南，博士后，副教授，研究方向：HCCI发动机工作过程数值计算 解茂昭 1 沈阳航空工业学院动力与能源工程学院，辽宁 沈阳 1101362 大连理工大学能源与动力工程学院，辽宁 大连 11602413889110132, 摘要：通过修改发动机多维CFD计算程序KIVA-3V，建立了内燃机缸内冷态流场的大涡模拟（LES）计算模型。利用此模型对二气门汽油机进气与压缩过程中缸内流场进行了详细分析，并与k-、RNG k-模型进行了比较。结果表明与采用k-、RNG k-模型计算时相比，采用LES计算时显示了更为复杂的湍流结构。同时，采用LES计算时除能得到有序的大尺度涡团结构外，还能捕捉到大量不规则的小涡团结构，而采用k-、RNG k-模型进行计算时，基本上捕捉不到不规则的小涡团结构。关键词：湍流；大涡模拟；涡团结构；k-模型；RNG k-模型0 前言内燃机缸内空气运动对混合气的形成和燃烧过程有决定性影响，因而也影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气的排放。在实际发动机的进气和压缩过程中，气缸内往往存在着旋流、挤流和滚流等大尺度运动，使流场结构和湍流特性非常复杂1。在以往的研究中，对内燃机缸内流场的数值模拟一般采用k-模型或RNG k-模型。近年来随着计算机技术的发展，对内燃机缸内流场的大涡模拟（LES）在国外得到了广泛的开展23。Celik等人4对内燃机的进气和压缩过程进行了大涡模拟计算，他们发现运用LES进行计算时进气与压缩过程中湍流的产生及耗散过程与实验结果非常吻合。近年来，国内大量学者也相继开展了湍流流动与燃烧过程的大涡模拟研究56，但至今为止，国内关于内燃机缸内流动与燃烧过程大涡模拟的相关报道却很少。本文在KIVA 3V源程序基础上7，通过修改其中部分子程序块，建立了内燃机缸内冷态流场的大涡模拟计算模型。利用此模型对二气门汽油机进气与压缩过程缸内流场进行了详细分析，并与k-、RNG k-模型进行了比较。为大涡模拟在内燃机流动与燃烧过程的进一步发展和应用提供了理论依据。1 数学模型采用盒式滤波器对描述内燃机工作过程的控制方程进行滤波8： (1) (2) (3) (4)亚网格应力张量可由模型进行模化： (5)采用模型时： (6) (7)2 物理模型发动机基本计算参数为：缸径为82.55mm，冲程为92.075mm，连杆长度为152.4mm，转速为1600r/min。进气门开启时刻为上止点后(ATDC)5CA，进气门开启持续期为180CA。上止点后180CA时发动机计算网格模型如图1所示。图1 二气门汽油机的计算网格（上止点后180CA）3 计算结果与分析图2至图5分别显示了采用LES进行计算时进气过程中上止点后（ATDC）165、180CA，压缩过程中上止点前（BTDC）150、120CA时缸内流场（速度场）分布与演变情况，亚网格应力张量由模型进行模化，并与采用k-、RNG k-模型计算时所得到的计算结果进行了比较分析。图中速度矢量前正号为顺时针方向，负号为逆时针方向。图2 165CA(ATDC)时缸内轴向速度场(cm/s)分布(a：k-模型, b：RNG k-模型, c：LES模型)图3 180CA(ATDC)时缸内轴向速度场(cm/s)分布(a：k-模型, b：RNG k-模型, c：LES模型)图4 150CA(BTDC)时缸内轴向速度场(cm/s)分布(a：k-模型, b：RNG k-模型, c：LES模型)图5 120CA(BTDC)时缸内轴向速度场(cm/s)分布(a：k-模型, b：RNG k-模型, c：LES模型)湍流运动中同时存在着有序的大尺度涡团结构和无序的小尺度结构。大尺度涡团的运动并非是完全随机的，而是空间上表现出一定程度的有序（拟序）性，小涡团的运动具有很强的不规则性或随机性。LES与雷诺平均（RANS）之间的主要差别在于可求解的尺度水平，LES所能求解的尺度远远小于RANS。RANS的速度场是对时间取平均得出的，即抹去了所有涡团所产生的时间上的脉动值，其所能求解的尺度取决于所采用的湍流模型，而LES的速度场是对湍流进行空间上的过滤，它滤去了小涡的脉动，却保留了大涡的脉动，其所能求解的尺度通常取决于网格分辨率。从图2到图5可以看出，采用RNG k-计算时缸内湍流速度场与采用k-模型计算时相比差别非常小；但是，与采用k-、RNG k-模型计算时相比，采用LES计算时显示了更为复杂的湍流结构。而且，在进气和压缩过程中的任意曲轴转角，采用LES计算得到的缸内流场速度峰值都要高于k-、RNG k-模型，即就是说LES所能捕捉到的涡团结构（涡团速度）范围要大于k-、RNG k-模型。4 结论通过修改发动机多维CFD计算程序KIVA-3V，对二气门汽油机进气与压缩过程中缸内流场水平速度场分布进行了详细分析，并与采用模型、RNG模型计算得到的结果进行了比较。结果发现采用RNG k-计算时缸内湍流速度场与采用k-模型计算时相比差别非常小；与采用k-、RNG k-模型计算时相比，采用LES进行计算时显示了更为复杂的湍流结构。而且，在进气和压缩过程中的任意曲轴转角，采用LES计算得到的缸内流场速度峰值都要高于k-、RNG k-模型。同时，采用LES进行计算时，除了得到有序的大尺度涡团结构外，还能捕捉到大量不规则的小涡团结构。而采用k-、RNG k-模型进行计算时，缸内流场的拟序性更强，基本上捕捉不到不规则的小涡团结构。参考文献1 解茂昭。内燃机计算燃烧学（第二版）。大连理工大学出版社，大连，2005。XIE Mao-zhao. The Computational Combustion in The Internal Combustion Engine. Dalian University of Technology Press, Dalian, 2005.2 Jhavar R, Rutland C J. Using Large Eddy Simulations to Study Mixing Effects in Early Injection Diesel Engine Combustion. SAE Paper 2006-01-0871, 2006.3 Hu B, Rutland C J. Flamelet Modeling with LES for Diesel Engine Simulations. SAE Paper 2006-01-0058, 2006.4 Celik I B, Yavuz I, Smirnov A, et al. Prediction of In-cylinder Turbulence for IC Engines. Combustion Science and Technology, 2000, 153: 339-368.5 周力行，胡砾元，王方。湍流燃烧大涡模拟的最近研究进展。工程热物理学报，2006，27（2）：331-334。Zhou Li-xing, Hu Li-yuan, Wang Fang. Recent Advances in LES of Turbulent Combustion. Journal of Engineering Thermophysics, 2006, 27(2): 331-334.6 胡砾元，罗永浩，周力行。两种亚网格湍流模型的旋流扩散火焰大涡模拟。清华大学学报（自然科学版），2007，47（5）：742-745。Hu Li-yuan, Luo Yong-hao, Zhou Li-xing. Large-Eddy Simulation of Swiring Diffusion Flame Using Two SGS Turbulence Models. Journal Tsinghua University (Science and Technology), 2007, 47(5): 742-745.7 Alamos L. KIVA-3V: A Block-Structured KIVA Program for Engines with Vertical or Canted Values, LA-18818-M