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西华大学硕士学位论文 内燃机工作过程数值模拟 动力机械及工程专业 研究生戴建营指导教师徐延海 在对汽车进行噪声控制的研究表明中，排气噪声是汽车噪声源的主要成 分，所以设计出与汽车发动机匹配且降噪效果较好的消声器就成为首要任务， 以往的汽车消声器都是试制的手段，这样势必造成产品开发周期长，浪费资源， 甚至有时候不但达不到降低噪声的目的反而还会降低发动机的动力性。而排气 噪声的影响因素与燃烧气体的温度、压力以及速度三个参数有关，为了得到这 三个参数本文采用f i r e 软件进行了内燃机工作过程的数值模拟分析。 f i r e 软件是目前最先进的三维流体仿真软件之一，更接近内燃机缸内气 体流动和燃烧的实际情况，能求解最复杂的内燃机缸内流动和燃烧等现象，能 计算出混合可燃气体燃烧后的气体温度、压力和流速，为消声器的设计提供可 靠的原始参数。 首先分析了内燃机燃烧理论，为进行内燃机工作过程的数值分析提供了基 础。利用f i r e 软件建立了某型内燃机的几何模型以及计算网格模型。根据计 算的要求对相关的分析模型参数进行了选择和应用。针对内燃机的具体运行过 程，编制了5 种常见的运行工况，并且利用该软件对该内燃机在上述工况下的 工作过程进行模拟分析。具体求解了该内燃机在不同的工况下缸内流场和燃烧 过程随曲轴转角的变化，得到了缸内可燃混合气燃烧后的气体压力范围、温度 范围以及流速范围，为下一步用边界元法建立消声器仿真模型和分析消声降噪 效果提供参数依据，缩短产品开发周期。同时还得到了在这些工况下的n o x 的排放情况。 从分析的结果来看，该内燃机的工作过程模拟不仅提供了在不同曲轴转角 下汽缸内参数的实时三维分布数据，为内燃机的燃烧、排放以及燃烧室的优化 设计等的研究提供了基础，同时还为进一步的发动机消声器设计提供了信息。 西华大学硕士学位论文 关键词：内燃机；工作过程；数值分析；f i r e n 西华大学硕士学位论文 s i m u l a t i o no nt h ec o m b u s t i o np r o c e s so fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g g r a d u 盯e ：d a ij i a n y i n gs u p e r v l s o r ：x uy a n h a i e x h a u s tn o i s ei st h em a i nc o m p o n e n to f v e h i c l en o i s ei nt h es t u d yo f v e h i c l e n o i s ec o n t r o l l i n g i ti si m p o r t a n tt od e s i g nat y p eo fm u f f l e rt h a tg a sm a t c ht o e n g i n ea n dh a v et h ec a p a b i i i t yt or e d u c ev e h i c l en o i s e a tp r e s e n tv e h i c l em u f f l e r s 姗m a d eb ye x a m i n a t i o n , t h e r e f o r et h et i m eo f p r o d u c td e v e l o p m e n ti sv e r yl o n g a n di tw a s t e sm a t e r i a l s o m e t i m e se x h a u s tn o i s ec a nn o tb er e d u c e d ，i nt h ec o n t r a r y i tw i l lb ei n c r e a s e da n dd e c r e a s et h ep o w e ro f e n g i n e n 地c o n t e n to f e x h a u s tn o i s e i st i g h t l yr e l a t e dt ot h et e m p e r a t u r e , p r e s s u r ea n dv e l o c i t yo fc o m b u s t i o ng a s i n o r d e rt oo b t a i nt h ed e t a i ld a t ao ft h e s ep a r a m e t e r s ，f i r es o f t w a r ei su s e dt o p e r f o r mt h ec a l c u l a t i o no f e n g i n ec o m b u s t i o np r o c e s si nt h i sp a p e r f i r ei so n eo ft h ea d v a n c e d3 ds i m u l a t i o ns o f t w a r ep a c k a g e sa n dc a n s i m u l a t et h ec o m p l i c a t e dg a sf l o w i n ga n dc o m b u s t i o ni ni m e r m dc o m b u s t i o n e n g i n ec y l i n d e r i t sc a l c u l a t i o nr e s u l ta c 七a b s s e st ot h ef a c ta n dc a na t t a i ng a s t e m p e r a t u r e , g a sp r e s s u r ea n dg a sv e l o c i t y , p r o v i d er e l i a b l eo r i g i n a ld a t af o rt h e d e s i g no f am n f f e r , i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cc o m b u s t i o nt h e o r yo fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei s i n t r o d u c e dt ot h eb a s i sf o rt h ef u r t h e ra 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 , f i r s t l y t h eg e o m e t r i c a lm o d e la n dm e s hm o d e lo fat y p ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ea r e c o n s t r u c t e db yu s i n gf i r es o r w a r et oa n a l y z et h ew o r k i n gp r o c e s so fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e b a s e do nt h em o d e la n dc o m b u s t i o nt h e o r y , t h er e l e v a n t c a l c u l a t i o nm o d da n di n i t i a lp a r a m e t e r sa g oc h o s e na n da p p l i e di n t ot h es o f t w a r e t h e r ea r e5l o a dc a s e sa r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h et r u er u n n m gp r o c e s so ft h i s e n g i n e w i t ht h e s el o a de a s e s ，t h ec o m b u s t i o np r o c e s si ss i m u l a t e di nt h i sp a p c r ： n ed e t a i ld i s t r i b u t i o no ft h ep a r a m e t e r ss u c ha sc o m b u s t e dg a sp r e s s u r e m 西华大学硕士学位论文 c o m b u s t e dg a st e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yo ft h ef l o wf i e l d si nc y l i n d e ri so b t a i n e d a n dt h er e l a t i o no ft h e s ep a r a m e t e r sa n dc r a n k s h a f ta n g l ei sg i v e nf o rt h ef l l r t h e r r e s e a r c h i ta l s op r o v i d e sd a t af o rm u f f l e rd e s i g nb yb o u n d a r yd e m e n tm e t h o d i ti s o b v i o u st h a tc a ns h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p i n gc y c l ea n ds a v et h em a t e r i a l i ti ss h o w nf r o mt h en u m e r i c a lr e s u l t st h a tt h es i m u l a t i o no fc o m b u s t i o n p r o c e s sn o to n l yg i v e st h e3 dd i s t r i b u t i o no f t h ep a r a m e t e r si nt h ec y l i n d e rt ot h e r e s e a r c ho nt h ec o m b u s t i o np r o c e s sa n de x h a u s ta n dt h eo p t i m a ld e s i g no f c o m b u s t i o nc h a m b e r , b u ta l s op r o v i d et h eu s e f u li n f o r m a t i o nf o rt h ed e s i g no f m u f t i e r k e y w o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o nf f l l g l n e ) c o m b u s t i o np r o c e s s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , f i r e l v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作和研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包括他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其它教育机构的学位论文或证书 所使用过的材料。 本学位论文成果是本人在西华大学读书问在导师的指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明! p 刁年，月，彦日 6 1 年厂月f 彳日 西华大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 自内燃机( i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ) 问世以来，就以其便利、高效和经 济性好得到了人们的喜爱，为人来的生产和生活带来了巨大的方便。从蒸汽机 到汽油机、柴油机，再到当今各类新型燃料的内燃机，经过一百多年的发展和 技术改进，性能指标已经得到极大的提高。现代先进的发动机大多采用电控喷 射、共轨、涡轮增压等技术，在重量降低、噪音与烟度控制等方面已经取得了 重大突破，因此在中型汽车上采用柴油机作为动力的越来越多【l 】f 2 】。 电喷汽油机包括缸内喷射系统和进气管喷射系统两种汽油机，缸内喷射系 统汽油机是将供油系统中的燃油通过喷油器以较高的燃油压力( 3 4 m p a ) 直接 喷射到气缸内。进气管喷射系统汽油机将供油系统中的燃浊通过喷油器喷射在 气缸外面的节气门或进气门附近。它们的共同点是均在火花塞的点火作用下燃 烧产生热能，发生膨胀，推动活塞，通过连杆使曲轴旋转，产生动力，并且使 混合气的温度达到1 3 0 0 到1 5 0 0 。汽油机的优点是工作平稳，转速高，因此 广泛应用于轿车、小型汽车、发电机上，例如在国产桑塔纳2 0 0 0 g l i 、捷达a t 、 奥迪a u d i 2 0 0 、红旗c a 7 1 8 0 e 、夏利t j 7 1 0 0 e 、t j 7 1 3 0 e 型轿车和切诺基吉普 车上等，因此在中小型汽车上采用汽油机作为动力装置的愈来愈多。 内燃机绘人们带来了便利。随之而来的闼题就是能源危机和环境污染当然 包括噪声污染。2 0 0 3 年我国进口石油9 1 1 2 万吨，成为仅次于美国的世界第二 大石油进口国。据国际能源机构的预测，2 0 2 0 年中国石油的对外依存度将达到 7 6 。而污染环境的罪魁祸首，除了工业污染之外，一个相当重要的方面就是 机动车尾气排放、排气噪声等。美国、日本、欧共体各国都制定了严格的排放 法规，我国如北京、上海等大城市也相继分别推出各自的地方标准，限制车用 发动机的排放。时至今日，节能和环保已经成为内燃机行业最迫切要解决的两 大主题。 西华大学硕士学位论文 为了在保证内燃机的动力性和经济性的同时，又达到节约能源和环保的目 的，就不得不对内燃机的燃烧系统不断加以改进，重视缸内工作过程的研究。 对内燃机燃烧学的研究主要有实验和数值模拟两种方法【3 - ”。 对于燃烧的实验方法研究需要使用特定的试验装置和一定的测试手段。长 期以来，实验是研究燃烧的主要手段，但限于实验条件和测试技术、实验仪器 的发展水平和精度，给试验研究带来很大的局限性。目前用于内燃机领域的试 验装置主要有定容容器法、稳流气道试验、单行程模拟装置等几种形式，而测 试技术使用最多的有水模拟法、离子探针( i o n i s a t i o np r o b e s 即m ) 、热线风速 仪( h o tw i r ea n e m o m e t r y 即h w a ) 、激光测量法( 包括l a s e rd o p p l e r v e l o e i m e t r y ，p h a s ed o p p l e ra n e m o m e t r y 以及p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y 即 l d v ，p d a 和p i v 三类) 。在缸内过程的研究中使用较多的是以透明材料发动 机配合激光多普勒测速仪和高速摄像仪器进行流场测量和喷雾燃烧摄像。实验 方法是进行理论研究的前提和基础，但研发费用高，且大部分只能测量到某些 特定区域或特定角度的数据，难以看到完整全面的各类场( 如流场、温度场、 压力场等) 的分布、结构和变化。 对于降噪设备消声器的研制和配套方面，目前国内还停留在测试( 相 干函数法、偏向函数法、近场声全息法等) 、绘图、试制和试验的手段上，这样 造成研发费用大、周期长，浪费资源。 随着高速c p u 、大容量硬盘的不断问世和飞速发展，利用计算机建立各种 科学的数学计算模型，进行缸内过程的三维数值模拟成为可能，这种数值模拟 方法即称为仿真。数值方法模拟可以更好的全面预测内燃机的性能，代替部分 发动机试验，在不受时空限制的条件下进行各种变参数研究。指导设计开发新 型燃烧系统内燃机，对旧内燃机的性能进行优化，还可以降低实验费用，缩短 实验时间，节省大量的人力、物力，具有很强的生命力和优越性。国内几所大 院校已开展了这方面的研究。 2 西华大学硕士学位论文 1 2 内燃机缸内工作过程仿真概述 “仿真”一词来源于英语的“s i m u l a t i o n ，有时也译为“模拟”。仿真是对 真实系统( 物理系统) 在不失其物理本质特征的前提下所作一种合理简化与高 度概括。计算机仿真是在计算机上通过系统模型去模拟一个实际存在的或正在 设计中的真实系统，以再现( 可视化) 或分析( 数值计算) 真实系统的本质特 征，其过程就是一个建立模型、运行模型和分析模型的过程。计算机仿真于2 0 世纪4 0 年代首先应用于航空航天，并很快向其他领域、学科扩展，目前已经普 遍应用于科学研究、生产组织、工程设计、经济调控及社会发展等各个方面。 随着现代科学技术的不断进步，计算机仿真技术必将得到进一步的发展，在过 程上发挥着越来越重要的作用嘲。 内燃机缸内工作过程的仿真计算属于计算流体力学( c f d ) 的范畴。其缸 内工作过程伴随着极其复杂的流体运动，不仅有气体的流动，还包括喷油过程、 雾化、蒸发及燃烧过程，并且伴随着活塞运动和进排气阀的运动，流体边界和 边界条件都处于快速的变化过程中，要想利用计算机完全重现内燃机的全部工 作过程相当困难。从上世纪6 0 年代至今，可以说是内燃机工作过程数值仿真的 发展历程，就是一个由简单到复杂、由粗略到精确、由零维到多维的发展过程。 1 1 1 内燃机缸内气体的流动数值模拟 由于缸内气体流动对内燃机性能的影响至关重要，因此详细的缸内流场信 息，数值模拟的重要内容。结构和热力过程的特殊性使内燃机缸内的气流运动 与工程上一般形状较为规则的物理域流场有很大的不同，具有三维、不定常、 强压缩、强瞬变、强旋流、各向异性的流动特征，主要流动形式包括：涡流 ( s w i r l ) 、挤流( s q u i s h ) 、逆挤流( i n v e r s es q u i s h ) 、湍流( t u r b u l e n c e ，也叫 紊流) 、滚流( t u m b l e ) 、射流( i n j e c t i o nf l o w ) 等，其中尺度非常复杂、瞬变 性很强、分布很不均匀的湍流运动，对喷雾混合过程、湍流燃烧过程有着极其 重要的影响，但其生成机理迄今并不十分清楚。 缸内流场的多维数值模拟是根据流体力学的基本原理，用一组经典的守恒 偏微分方程，描述缸内流体运动和流场结构及其对燃料与空气混合的影响。利 3 西华大学硕士学位论文 用计算机对这组方程在特定边界条件下进行数值求解，可获得一系列缸内流场 的详尽信息，如缸内气体的速度、温度、浓度和压力分布等瞬态空间场，为燃 料喷雾、混合和燃烧的模拟研究创造条件1 9 - 1 ”。 i i 2 内燃机燃烧数值模拟与燃烧模型 内燃机的燃烧模拟是整个内燃机工作循环模拟的中心环节。即使在常规的 火花点火式内燃机中，很多模型假定燃料和空气是预混合的，燃烧过程仍然是 在一个三维的随时间变化的紊流中发生的，燃料有几百种不同的有机化合物混 合而成，其燃烧化学特性所知不多，而且气缸体积随时间而变，其移动壁面直 接影响过程的进展。在各种类型的内燃机中，由于燃料在燃烧室中的不均匀分 布以及燃料与空气混合过程的重要性，燃烧过程更为复杂【i2 j 1 3 o 按内燃机燃烧过程模拟研究的时间顺序和发展层次，其大体上经历了单纯 放热率计算、零维燃烧模型、准维燃烧模型和多维燃烧模型四个发展阶段【】4 】 i s o ( 一) 所谓燃烧放热率的计算，是指有实测的缸内压力数据( 示功图) ，根据 能量守恒方程和经验传热公式，推算燃油燃烧的放热过程，用以分析内燃机的 燃烧，这种方法比较简单、直观，对诊断燃烧有一定的作用，迄今在性能研究 中仍受到重视。 ( 二) 零维模型又称单区模型。它是通过对大量实际燃烧放热过程的统计分析， 找出规律性，用经验公式或曲线拟合的方法，建立起一种表达燃烧放热过程参 数问的经验关系式，将复杂的燃烧过程简化表达成几个特征参数间的关系。如 a u s t e n l y n 的三角形法，w h i t e h o u s e 的单区模型等。这类模型多半是在燃烧模 拟研究早期发展起来的，它们的共同特点是对缸内过程采用了均匀性假设：假 设系统内压力、温度、浓度等各项参数不随空间坐标而变，只随时间( 曲轴转 角) 而变化，故称为零维系统。由于把每一瞬态看成是均匀的，抽去了燃烧物 理一化学反应的复杂中间过程，仅把其看成是按一定规律向系统加入热量的过 程，所以虽然能够预估燃烧过程中的主要性能参数，但是无法从机理上去把握 燃烧中物理一化学反应过程的本质和规律性。 零维系统内的状态变化可用常微分方程来描述。零维模型可以通过示功图 计算放热规律，或预先假定放热规律按w i b e 函数规律变化，计算出示功图及内 4 西华大学硕士学位论文 燃机其它基本性能参数如油耗、转矩等，但对于氧化氮、一氧化碳、碳氢化合 物排放物和微粒等的形成，由于是与局部温度、空然比和各组分浓度密切相关， 故采用零维模型就无能为力。另外，计算的准确性依赖于经验系数的选取恰当 与否，甚至与内燃机型式及运行条件有很大关系 为了解决日益严重的环境污染问题，各国政府制定了许多严格的法规，以 限制发动机的有害排放物和噪声传播。这些措施有力的推动了燃烧过程的研究， 其中包括对燃烧过程中有害排放物的生成机理、控制、预测方法的研究，从7 0 年代开始用准维模型预测。， ( 三) 准维模型也叫分区模型，它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，如油束的 形成和发展、油滴与空气的相对运动、气缸内工质温度分布、油滴及油气浓度 分布等，将燃烧空间( 雾束或者火焰) 划分成若干个区域，然后计算各分区内 的温度和浓度。这类模型从燃烧、可燃混合气形成、火焰传播等现象出发，列 出描述分区内参数随时闻变化的关系式，这些方程式的集合，就构成燃烧现象 模型，或称为准维燃烧模型。 总的来说，准维模型与零维模型相同，也是以时间或曲轴转角为唯一的自 变量，因此控制方程均为常微分方程。虽然具有简便易行、计算时间少的优点， 但却都难以精确计算燃烧室几何参数变化，缸内气流状况变化对燃烧过程的影 响。要更精确地模拟内燃机的实际燃烧过程，就需要在气缸内建立更复杂的模 型。 ( 四) 多维模型考虑了缸内过程物理域的二维或三维空间分布，与零维或准维 模型相比在性质上有很大的不同。在这类模型中，各守恒方程与描述湍流运动、 化学反应、边界层特征等相应的子模型一起，结合适当的边界条件，用数值方 法求解。其计算结果能提供有关内燃机燃烧过程中气流速度、温度和各组分在 燃烧室内空间分布的详细信息，是一种较为精确的模型。 ， 多维燃烧模型是一个十分复杂的热力学系统，其中包含有气流运动、质量、 动量和能量的传递与转换，燃油的喷射、物化与蒸发，混合气的形成、着火与 燃烧，传热，气相物与微粒的排放以及( 活塞和气门) 边界的运动等等。研究 这样一个复杂的系统必须采用各种各样的近似方法，包括物理的、化学的和数 西华大学硕士学位论文 值方法的近似等等。这些近似可以分为如下几类：( 1 ) 计算程序和数值方法的 近似( 显式方法、隐式方法、差分近似等) ；( 2 ) 坐标表示的近似( 欧拉法、拉 格朗日法、欧拉一拉格朗日法) ；( 3 ) 气流描述的近似网格尺度模型等：( 4 ) 维数近似包括一维、二维或三维、定常或非定常等。即便是做了许多重要的近 似假设，在内燃机非定常、多维燃烧的情况下，求解这样一组偏微分方程仍有 很大的困难。有时需要添加两相流喷注混合过程的模型和非均质的点火及火焰 传播模型，以及应用一些现象子模型，用来补偿某些细节情况的缺乏或由于计 算机存储量限制所带来的空间分辨率的不足等等 1 ”9 1 。 上述几类内燃机燃烧模型可以根据实际情况来分析解决各类问题。例如， 零维和准维模型可以进行一些变参数研究，讨论运行变量的变化对内燃机动力 性能、效率和排放的影响。但是当我们想要知道内燃机缸内流动的细节时，多 维模型则表现出明显的优点。 1 1 3 内燃机缸内工作过程仿真c f d 软件简介 由于内燃机工作过程是一个瞬变的、多维多相的复杂过程，所以多维模型 更能如实反映其本质及变化规律。随着对内燃机燃油经济性和排放的要求不断 增高，制造商纷纷对一些新技术( 电控喷射、预喷射、汽油直接喷射、废气再 循环、代用燃料、燃烧控制技术、结构调整等) 进行研究。这些技术需要对内 燃机的工作过程尤其是内燃机缸内工作燃烧过程有更深层次的认识。目前国内 外各大汽车制造商及相关研究机构均大力利用数值模拟和缸内可视化技术开展 这方面的研究工作，并且取得了非常好的效果。 国外在内燃机工作仿真方面的工作开展较早，常用的模拟缸内工作过程的 多维反映流计算c f d 软件主要有r p m 、p h o e n i c s 、k i v a - i 、i i 、系列、 f i r e 、s t a r - c d 、v e r t i s 、f l u e n t 、p o w c r f l o w 、c f x 5 等等，这些程序 的差异主要表现在各种描述燃烧和流动过程的物理、化学过程模型的不同有机 组合以及采用不同的数值方法上，不同的软件在不同的应用领域有各自的优势。 p o w e r f l o w 在剥离再附着、喷流、涡流等方面的计算精度比较高，适合 于空气动力学方面的研究。 k i v a 系列程序有美国l o sa l a m o s 国家实验室主持研究开发，包括k i v a 、 6 西华大学硕士学位论文 k i v a - i i 、k i v a 一3 、k i v a - 3 v 及各种改进版本，代表了当今内燃机燃烧模拟的最 新成就，其发展历程将在下一节做详细介绍。由于其源程序是开放的，研究者 们可以在其原有模型的基础上使其更加完善或者更适合于某一特定的情况，因 此许多国家的研究者们运用k i v a 程序进行内燃机工作过程的理论研究与探 索。 f l u e n t 程序是一种有代表性的c f d 软件，它的前置处理器g a m b i t 具 有一定的几何建模能力和功能强大的网格生成能力。g a m b i t 不仅提供了结构 化网格和分区剖分网格能力，而且能够生成完全非结构化网格，其中包括四面 体网格，六面体网格、三角柱网格和金字塔型网格，并且允许以上多种网格的 混合。g a m b i t 与大多数的c a d c a e 系统有丰富的接口，用户可以在a c i s 、 i g e s 、s t l 、s t e p 、p r o e 、和a n s y s 等软件中构造几何模型和网格，然后输 入f l u e n t 。f l u e n t 软件包括的物理模型有定常和非定常流动、层流、紊流、 不可压缩和可压缩流动、传热和传质、多孔介质、化学反应、粒子运动轨迹和 多相流、自由表面流、相变流。 英国a d a p c o 公司的s t a r - c d 软件有主程序、人性化的g u i ( g r a p h i c u s e r i n t e r f a c e ) 操作界面和前后处理器p r o s t a r 组成；还有专门用于缸内气体流动 模拟的前处理器i c e 。因它的计算和分析时间比较短，所需内存容量不大，且 也可以自动生成非结构化网格，因此广泛应用于发动机定常数、喷雾燃烧和冷 却水等领域的分析。s t a r - c d 和f l u e n t 是使用较为广泛的两种商用c f d 软 件，f o r d 、通用和本田等许多汽车公司经常两种使用软件，计算结果相互比较 2 0 - 2 2 ， 发动机专用三维模拟软件f i r e 依靠其强大的试验能力的支持，最近发展 的也相当快。f i r e 是由一个新的前处理器模块f a m e e n g i n e 和c f i 解算器相 结合而形成的软件，主要针对缸内流动计算、喷雾扩散和燃料与空气的混合， 它更加重视用户在几何模型阶段的发动机参数。 以上c f d 仿真软件虽然现在大多可以在微机上运行，但很多原先是针对 c r i 、c r a y 等超大型6 4 位计算机编写的，需要在工作站、大型机甚至巨型机 上运行，而国内具备这些条件的单位并不多，这在一定程度上限制了大型模拟 程序的应用及推广。我国国内的内燃机科技工作者在消化吸收了国外先进的数 7 西华大学硕士学位论文 学模型、数值方法和计算程序的基础上，针对我国国情，也开发了不少面向微 机的多维数值模拟程序。 1 9 9 5 年吉林工业大学的许思传等人开发的微机版内燃机缸内多维气流运 动模拟程序s u n 1 ，华中理工大学的贺萍等采用发展的a l e 法、m o n t 昏c a r l o 数值方法开发的大型微机化软件包g e f s m ，通过与k i v a i i 程序计算结果进 行对比，表明具有较好的计算精度，且使用比较方便，预测的结果与 、，a i i 程序基本上吻合，在算法、后处理的功能、使用的方便性及计算精度等方面都 已经基本实现了k i v a i i 程序的功能【2 3 1 。 1 9 9 8 年同济大学的杜爱民、江苏理工大学的朱延章等推出最新的涡流室式 柴油机工作过程的三维模拟程序e n 百n ec f d ，i i ，在微机上成功的对涡流室式 柴油机缸内工作过程进行了三维数值模拟。该大型软件包使用c + + 语言，用于 w i n d o w s 9 5 平台，采用面向对象的编程技术，在网格的自动生成技术和复杂的 边界处理等方面融入了自己的特色和创新【矧。 1 9 9 9 年，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室蒋勇等人开放了计算 直喷式柴油机螺旋进气道与缸内空气运动的大型微机化程序i p i c c f d ，在国内 首次对直喷式柴油机螺旋进气道进气门气缸内空气运动进行了稳流和实机 三维数值模拟。并运用激光多普勒( l d a ) 技术对稳态进气过程中的空气运动 进行测试，验证了所建模型的精度和可靠性【矧。 2 0 0 0 年，北京理工大学的杜巍等人在吸收了国内外的先进经验和过去开发 的r e s 2 d 、r e s d 2 d 、r e s 3 d 等程序的基础上，在微机上开发了大型的内燃 机燃烧过程多维模拟程序r e s 3 d i i ，并针对1 2 1 5 0 z l 柴油机进行模拟计算研 究，为进一步了解其燃烧发展历程及性能打下良好的基础l 划。 这些国内大型内燃机工作过程数值仿真程序，充分吸收和采用已有的国外 先进技术成果，尤其是k i v a 程序集中的数学模型和数值方法，具有较高的实 用价值。它们的开发成功，缩短了我国与发达国家在这一领域的差距，也为内 燃机企业开发新产品提供了有力的技术支持，对于推动我国内燃机事业的迅速 发展有着不可估量的作用。 1 1 4 目前内燃机工作仿真技术 西华大学硕士学位论文 内燃机工作过程的模拟理论和技术一直在不断的发展和完善，其在内燃机 设计和研究中的作用已经得到公认，但仍存在一些不足有待改进田- 2 9 。 目前采用的仿真数学模型，大多仍是借用于物理模型或相似模型的研究建 立的，某些求解的边界条件和系数的确定仍需要实验解决，还无法成为一种独 立的研究手段；建模过程中对实际问题进行的许多简化、抽象和假设，影响了 仿真模型的建立，从而使计算结果和实际情况之间存在偏差；数学模型中采用 的经验公式( 如传热系数、流量系数、防热规律等) 是在不同的条件下和不同 的内燃机上通过实验获得的，很难做到通用，在应用时必须根据情况恰当选择， 否则难以得到满意的结果；仿真算法的精度与速度对于不同的研究内容会有不 同的要求，在仿真时必须根据具体情况加以调整，因而难以有统一的标准；很， 多c f d 仿真软件是针对具体的工作过程和机型编制的，软件的可移植性和可扩 充性较差。 虽然存在不足，内燃机循环模拟的优越性还是越来越为人们所重视，尤其 是对于新型内燃机的研制、选型及改进等方面，提供了极大的方便。 1 3 本文研究的主要内容和进行的工作 利用内燃机模拟计算模型，特别是三维模拟模型应用软件的工作量极大，。 人力、财力的代价都很高。加之，在本课题中，首次使用某公司的f i r e8 3 仿 真软件和首次将模拟内燃机工作过程后的参数( 温度、流速、气体压力) 与汽 车消声器的设计结合起来，因此不免会有一定的困难，在借鉴并充分利用别人 已经有的相似课题，并结合自己的课题加以改进，已经成熟化的f i r e 纯商业 软件给人们进行燃烧过程模拟计算研究提供了一个现成的框架和基础，人们可 以根据自己的需要和愿望对其进行功能选择来达到自己的目的。 本论文拟进行的工作有： ( 1 ) 根据内燃机燃烧室设计要求用c a d 建立几何模型。 ( 2 ) 生成燃烧室计算网格，选择合适的边界条件类型和计算模型。为下一 步对内燃机缸内温度场、压力场、速度场以及燃烧产物的分布做基础。 ( 3 ) 根据仿真内燃机的结构、喷油参数结合相关文献的建议确定初始参数 9 西华大学硕士学位论文 和边界条件。 ( 4 ) 对5 种工况进行缸内过程的数值仿真计算，得到各曲轴转角的温度场、 压力场、速度场以及燃烧产物的分布等信息。 ( 5 ) 根据上述仿真计算结果，进行数据后处理，绘制了不同曲轴转角的各 类流场( 压力场、温度场、速度场等) 图形以及相应的缸内性能二维坐标图。 1 4 本章小结 本章是在阅读大量文献的基础上，对内燃机缸内流场数值模拟的理论意义 及应用价值、现状和未来发展趋势、内燃机缸内流场模拟主要方法作了详细的 综述，并简介了本课题要开展的主要工作。 1 0 西华大学硕士学位论文 第二章内燃机燃烧过程基本理论 内燃机气缸内的工作过程是非常复杂的，它是包含物理、化学、流动、传 热、传质等的综合过程。以至于任何试图对其主要待征进行模拟的研究工作总 带有某种推测性质。为了描述气缸内工质状态变化，视气缸为一个热力系统， 系统的边界由活塞顶、气缸盖及气缸套诸壁面组成。系统内工质状态由压力p 温度t 、质量m 这三个基本的参数确定，并以能量守恒方程、质量守恒方程及 理想气体状态方程把整个上作过程联系起来。为了模拟，总要作一些重要的简 化假定。本章着重介绍了在研究过程中所用到的计算模型。 2 1 数学模型 内燃机缸内气相流动模型是以经典流体力学可压缩性粘性流体的n s 方 程为基础的，即根据质量、组分、动量、动能的守恒定律及理想气体状态方程， 以一组偏微分的方程组来描述缸内流动过程【3 0 j 。 在正交坐标系中，设气缸内任一点速度u = u ( t ，x ，弘z ) ，1 ，= v ( t ，x ，y ，z ) ， w = w ( t ，x ，y ，力，密度为p = p ( t ，五弘z ) ，t 为时间，则 位移矢量定义为；x = x i + y j + z k 流动速度定义为：封= u ( t ，x , y , z ) i + v ( t ，毛乃力_ ，+ 呱f ，善，y ，z ) k 矢量算子v 表示为：v 2 昙；+ 若j + 昙乏c 卵宠 2 1 1 质量守恒方程 组分m 的密度表示为p 。，流体的总密度p 可以由下式得到： p = 以 ( 2 - 1 ) 组分m 的连续方程为： 竺争+ v ( 成( ，) = v 【皿) v 9 】+ 以+ p ( 2 _ 2 j 西华大学硕士学位论文 式中：d 是组分的质量扩散系数；u 为速度矢量；形、户分别是化学反 应和喷雾产生的源项；以i 是克罗内可符号( m = 1 ，瓯l = l ；m 1 ，以1 = o ) 根据 定义，组分m 的质量分数l = 兰坠；考虑到所有组分相加得到总流体密度p 守 恒方程为 娑+ v ( p u ) ：p ， ( 2 _ 3 ) 优 2 1 2 动量守恒方程 流体混合物的动量方程为： 丝+ v ( 肛“) = 专印+ v o w - 凡v 弓肚】+ p g ( 2 _ 4 ) 式中： p _ 一为气体的压力，m p a o 在层流计算中，的数值为o ；采用紊流模型时，a 0 的数值为1 ； a 一为无量纲数，在p g s ( p r e s s u r e g r a d i e n t s c a l i n g ) 方法中使用。p g s 方法可以提高低马赫数时流动的计算效率，这时，流体压力近似相 等。如果使用p g s 方法，则a 随时间变化； k 一为湍流脉动动能，k j m 3 g 一比体积力，假定为常数； o 一为表面张力，n m ： o 粘性应力张量使用牛顿力学的形式： 盯= 4 v u + ( v 甜) 7 】+ 胛“， ( 2 - 5 ) | i 、 粘性应力中第一、第二系数，在以后的物性系数中给出； t _ 一上标t 表示转置；卜表示单位阵； 2 1 3 能量守恒方程 能量守恒方程( i n t e r n a le n e r g y e q u a t i o n ) 采用比内能形式 a 一= ( p ：- l 一) + v ( p i 盯) = p v “+ ( ，一以) 仃一v ，+ 以p ( 2 6 ) ( 7 t 式中： ， 卜为除去化学能的比内能，i o k g ； 卜热通量矢量为热传导和焓扩散的作用的总和； 西华大学硕士学位论文 扣一k w t o d k v ( 几p ) 1 - 为流体温度； 丸一为组分m 的比焓； k 为热传导系数； c 一为湍流动能的耗散速率。 2 1 4 状态关系方程 假设流体为理想混合气体，各状态关系式为 ，= r 丁( 成) ，( d = ( 以力l ( d c ，= 帆p ) c ，( d 辨 k ( r ) = l ( 丁) + r o 丁f 吒 式中：r 。为通用气体常数；w 。为组分m 的分子量； 比内能；。p m 为组分m 的定压比热。 2 1 5 化学成分守恒方程 系统化学反应用下式表示： a ，k 詹_ 其中 z _ 代表l 摩尔组分m ； a 。、k 为化学反应计量系数。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) i m ( t ) 为组分m 的 ( 2 1 1 ) 2 1 6 物性参数 以上方程的有关物性参数为： 第一粘性系数： 甜= ( 1 o 一4 ) p r o - f u m + 4 c p k 2 s ( 2 1 2 ) 第二粘性系数： 1 3 西华大学硕士学位论文 =a3u(2-13) 热传导系数： k _ 丝( 2 - 1 4 ) 扩散系数： d ：l( 2 1 5 ) 两c c p 是个经验常数，其标准值是o 0 9 ；。由s u n t h e r l a n d 公式计算，即 三 2 篙；a - 和a 2 是常数，在紊流的情况下，a 2 _ 一2 3 ；但在层流中，a 2 可以任意给定。 。 2 2 喷射模型 2 2 1 射流破裂模型 射流破裂主要用k h 模型( k e l v i n - - h e l m h o l t zi n s t a b i l i t ym o d e l ) 来分析 3 3 j 4 1 。k h 模型示意图如图2 1 。从喷嘴喷出的连续的燃油射流在空气阻力、表 面张力，重力和湍流动力的作用下导致表面不稳而产生波浪，波浪到达一定的 波幅，波峰就被空气剪落。剪落现象发生后，一方面射流在表面张力的作用下 改变尺寸并重新产生波浪；另一方面，被剪落的部分在表面张力的作用下变成 油滴前进。如此循环，直到射流与缸壁发生作用或破裂成下一级油滴。通过k h 模型可以计算下列参数： ( 1 )射流在缸内存在的时闻( m s ) f ：且3 7 8 8 r ( 2 1 6 ) e 认 式中：r 一射流初始半径( c m 2 ) ，q 一波高指数，a 一波长( c m ) ，b l 一射流存在 时间影响系数( 4 0 “0 ) 。 ( 2 )射流破裂长度 西华大学硕士学位论文 牲易加 协 式中：c 一与喷嘴形状有关的常数；f ( t ) 一与温度有关的函数；p l 一射流液 相密度( e c m 3 ) ；p 。一射流气相密度( g c m 3 ) ；d 。一射流初始直径( c m ) 。 r f i g u r e2 - 1 k hm o d e ls k e t c hm a p 图2 - 1k h 模型示意图 ( 3 )射流半径的变化规律 堡：2 二 ( 2 1 8 ) 出f 式中：r 一射流半径( c m ) ；r 一油滴半径( 锄) ；f 一射流在缸内存在的时间( m s ) 。 ( 4 ) 一级油滴半径 r = b o a ( 2 1 9 ) 式中：a 一波长( c m ) ，b o 一油滴半径影响系数，取0 6 1 。 2 2 2 油滴破裂模型 油滴破裂过程采用快速破裂模型分析，快速破裂模型又叫r t 模型 ( r a y l e i g ht a y l o rb r e a k u pm o d e l ) 如图2 - 2 所示。在假设和约束条件下建立一 级油滴在外力作用下产生减速和变形，导致不稳定，快速生成表面波形，瞬间 破裂成微滴的规律。用r t 模型可以计算下列参数， ( 1 )一级油滴存在的时间： f = ( 2 2 0 ) 式中：成。油滴液相密度( 咖1 3 ) ，o 一表面张力( n m ) ，a 一油滴加 1 5 西华大学硕士学位论文 速度( c m s 2 ) ( 2 ) 二级新油滴半径 r 。铆玎居 式中：c 3 一破裂速度系数，其余参数同前。 f i g u r e2 - 2 o i ld r o pb r e a kq u i c k l ym