【柴油机缸内燃烧仿真模型建立分析3900字】

柴油机缸内燃烧仿真模型建立分析目录TOC\o"1-3"\h\u15946柴油机缸内燃烧仿真模型建立分析 1292301.1燃烧室三维建模与网格划分 262001.1.1燃烧室三维建模 2285891.1.2三维网格划分 383221.2确立初始与边界条件 4278011.1.1缸内初始条件设置 481941.1.2喷油初始条件的设置 5257091.1.3缸内边界条件的设置 6189821.3湍流模型 6213071.4喷雾模型 7203981.4.1破碎模型 7327481.4.2蒸发模型 8308171.4.3液滴碰壁模型 9178301.5燃烧模型 108591.6NO排放模型 11157091.7燃烧化学反应机理的选择 12191741.8仿真计算模型的验证 12本章使用AVL-FIER软件开发TBD-234V6型柴油机三维燃烧室仿真模型，对模型的网格进行划分，并设定相应的边界和初始运算条件，以及选择合适的模型等。图2-1所示为柴油机缸内燃烧建模流程图。图2-1柴油机缸内燃烧模型流程图1.1燃烧室三维建模与网格划分本章以TBD-234V6型柴油机为课题对象，柴油机基本参数如表2-1所示。表2-1TBD-234V6柴油机基本参数1.1.1燃烧室三维建模TBD-234V6柴油机燃烧室形状为直喷半开式ω型结构。通过CAD软件按照一定比例根据实际测得参数画出活塞上止点燃烧室中心界面二分之一二维模型，如图2-2所示。图2-2燃烧室中心界面二分之一切面图1.1.2三维网格划分在CAD中绘制的二维燃烧室模型，将其导入相应模块替代自带的燃烧室模型。系统会根据燃烧室形状自动划分网格，图2-3即为系统在燃烧室二分之一主视图上划分的二维网格。网格划分完成后并检查网格质量，是否存在不规则曲面、负网格等网格质量问题，并对上述问题进行手动局部细化。图2-3燃烧室二维网格示意图本文研究的TBD-234V6型柴油机喷孔呈现偏心结构，将二维网格沿燃烧室对称中心顺时针旋转45°得到三维网格，图2-4（a）和图2-4（b）分别为活塞处于上、下止点时的网格图。其中，边界层的厚度为0.35mm，网格数目约为26496个。划分网格完成后，进行网格质量检查和网格无关性验证，主要包括：检查网格质量，是否存在不规则曲面、负网格等网格质量问题，并对上述问题进行手动局部细化，最终在保证计算精度的前提下选择较少的网格节点数以提高计算速度。由于本文选用柴油机的喷孔呈偏心布置，因此需建立整机模型。上止点活塞网格图（b）下止点活塞网格图图2-4上、下止点活塞网格图1.2确立初始与边界条件1.1.1缸内初始条件设置将燃烧上止点设置为720°CA，只研究从进气阀关闭（586.5°CA）到排气阀开启（853°CA）区间的压缩和燃烧膨胀两个冲程。计算步长直接影响计算的稳定性和收敛性，对每个冲程计算精度要求不一样。在计算初期、喷雾时刻和燃油喷射阶段，由于缸内燃烧较为剧烈，收敛性较差，因此步长应小一些为宜。其余阶段，可增大步长，减少计算时间。计算步长设置表如表2-2所示。表2-2计算步长设置表曲轴转角区间/（°CA）步长/（°CA/step）选择原因586.5-5900.5采用较小的计算步长来保证计算稳定590-6602进气阶段，加大步长来缩短时间660-6921压缩进程，加大步长来缩短时间692-7200.5喷油前阶段，减小计算步长提高精确度720-7300.3喷油始末阶段，详细计算喷雾燃烧阶段730-7501燃油喷射结束，增大步长减少计算时间750-8532完成燃烧，增加步长来提高运算速度利用柴油机试验测量值对仿真模型的初始条件进行标定，其初始参数值如表2-3所示。表2-3仿真模型初始参数初始参数参数值初始压力171325Pa初始温度366.26K湍动能18.375m2/s2湍流长度尺度0.00413m初始涡流强度Rsn初始涡流方向由旋转轴上两点坐标确定湍动能（Turb.Kin.Energy，简称TKE）的计算公式如下：（2-1）（2-2）（2-3）式中，表示湍流脉动速度（m/s）；k是常数，本文k取0.5；表示活塞平均速度（m/s）；为冲程。将各参数值代入后，经计算，得湍动能初始值为18.375。1.1.2喷油初始条件的设置喷入气缸的燃油初始温度为310K；喷射开始时间为695°CA，喷射持续期为30︒CA。燃油喷射质量的计算公式如（2-4）所示：（2-4）式中，be表示额定功率下的燃油消耗率[g/(kW·h)]；Pe表示柴油机额定功率(kW)；τ为柴油机冲程数；n表示发动机转速(r/min)；i表示气缸数。将原机额定工况（186kW，1500r/min）下所得试验数据代入后，计算出额定功率下柴油机单缸每循环喷油量为151mg。1.1.3缸内边界条件的设置温度边界条件包含绝热和固定温度壁面。由于气缸高压循环模拟过程中为封闭系统，故选择绝热壁面边界条件。表2-4为计算模型边界条件具体设置参数。表2-4计算模型边界条件设置边界参数参数值缸壁温度550K缸盖温度600K活塞表面温度610K1.3湍流模型柴油机缸内湍流运动的可压缩性、向异性、非定常、三维等基本特征。因此，在分析柴油机缸内燃烧情况时需要选择一个合理的湍流运动模型。缸内湍流模型主要有：壁面函数模型、单方程模型(TheSpalarrt-AllmarasModel)、涡粘性耗散（）模型、模型、二阶矩(RSM)模型和负荷湍流（HTM）模型等。本文选择具有计算精度较高、计算稳定和速度快的模型，湍流模型的计算表达式为：湍流速度：（2-5）求解方程：（2-6）（2-7）（2-8）可得：（2-9）（2-10）（2-11）（2-12）式中表示气体密度，T表示湍流时间尺度，L表示湍流长度尺度。1.4喷雾模型柴油和生物柴油混合后，由喷油器内喷出，在高温高压和扰动气流的共同作用下，发生破碎形成小液滴以及更小的子液滴，在扩散过程中，受扰动作用影响，发生碰撞、破碎、聚合，在燃烧过程发生蒸发和汽化。整个过程如图2-5所示。图2-5喷雾过程示意图1.4.1破碎模型利用AVL-FIRE软件可选择Wave、GM-B、CHU等模型来构建燃油二次破碎模型。本文选择WAVE模型来构建燃油二次破碎模型。参数C的含义和设置值如表2-5所示。图2-6为Wave模型破碎过程。表2-5WAVE模型中参数C的含义和设置值参数含义设置值C1决定液滴稳定直径固定值0.61C2影响破碎时间。数值越小，破碎时间越短，液滴平均直径越小，贯穿距越小15C31代表粘性流体，0代表无粘性流体1C4子液滴数目。数值越小，子液滴数目越多0.5C5子液滴质量，数值越大，子液滴质量越多1C6影响子液滴大小分布0C7/C8喷射背压（环境压力）对C1和C2的修正0（a）标准Wave模型（b）带子液滴Wave模型图2-6Wave模型破碎过程1.4.2蒸发模型AVL_FIRE软件中提供了多样式的蒸发模型[41-42]，在模拟生物柴油-柴油混合燃烧过程中，考虑到两种燃料对应的物理特性差异导致的蒸发速率不同，选择Multi-component作为蒸发模型。根据柴油物理参数，编写两个扩展子函数，在Propertysetnumber模块中选择双燃料。根据液滴温度均匀分布的假设，液滴温度由外界传递和自身热量共同决定。由能量守恒定律可得温度变化率为：（2-13）（2-14）根据液滴表面液气热平衡假设，引入液滴蒸发质量流量和液滴表面热流密度，质量流量的控制方程为：（2-15）联立式（2-13）与（2-15），可得热平衡方程为：（2-16）蒸发质量流量和液滴表面热流密度的比值为：（2-17）与的比值为：（2-18）当Lewis数为1时，式（2-17）可表示为：（2-19）（2-20）式中，By为传质系数。将式（2-14）中的对流换热系数α用努塞尔数替代，液滴表面与周围气体对流换热的热流密度可表达为：（2-21）（2-22）式中，Nu为努塞尔数。1.4.3液滴碰壁模型液滴在发动机缸内的碰壁模拟对完善发动机整体燃烧有着重要作用[43-46]，尤其是对四冲程发动机来说，燃烧室空间较小，燃油喷射过程，大部分液滴会与缸壁发生碰撞，碰撞的效果直接影响发动机燃烧和排放好坏。图2-7为液滴碰撞的主要模型。图2-7液滴碰撞主要模型本文选择Walljet1模型，该模型适用于热壁面，且燃油在燃烧过程中不与壁面油膜发生质量交换。1.5燃烧模型湍流流动对发动机缸内燃烧过程起着重要的影响[47-48]，不同燃料对应的燃烧机理同样会对反应速度有重要的影响。AVL_FIRE软件中提供了多种燃烧模型。缸内燃烧过程涉及一系列能量转换、状态转换等剧烈变化，反应过程中遵循物质守恒和燃油蒸汽守恒，如下所示：（2-23）（2-24）式中，为物质的生成或消耗的速率；为燃油的消耗率；Sevap为蒸发产生的源相，由喷射模型的设置确定。本文燃烧模型选用ECFM3Z相关火焰模型，该模型的主要特点是：物理定义准确、计算精度高和收敛性好。如式（2-25）和式（2-26）所示。柴油机的燃烧可分为预混合和扩散燃烧阶段，并以扩散燃烧为主，为使相关火焰模型在物理意义上更准确，选用ECFM3Z模型中的湍流混合模型描述油蒸汽与空气之间的混合。（2-25）（2-26）1.6NO排放模型柴油机排放污染物中，以氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）较为严重。排放的氮氧化物（NOx）包括NO、NO2、N2O5等。由于NO在NOx占90%左右，因此应针对NO选取排放模型。结合甲醇—柴油双燃料柴油机分析，NO的主要生成途径有如下三种：（1）由进入缸内新鲜空气引入N元素，在燃烧过程中高温区域生成大量的热力型NO；（2）缸内燃烧时，会有部分激发型NO在火焰区生成；（3）柴油中含有N元素，燃烧过程中会发生化学反应生成少量的燃料型NO；AVL-FIRE提供三种NOx排放模型，包括：Zeldovich、Heywood、ExtendedZeldovich。结合本文研究情况，选用ExtendedZeldovich模型，其反应机理为：(2-27）2（2-28）（2-29）CO排放模型选择自带生成机理的ExtendedZeldovich模型。AVL-FIRE提供的Soot排放模型[50]有：LundFlamelet、FrolovKinetic、Kenedy/Hiroyasu/Magnussen、Hiroyasu/Nagle/Strickland-Constable。本文选用FrolovKinetic排放模