內(nèi)燃機工作過程數(shù)值仿真.doc

內(nèi)燃機工作過程數(shù)值仿真摘要：本文分析了內(nèi)燃機燃燒理論,為進行內(nèi)燃機工作過程的數(shù)值分析提供了基礎(chǔ)利用FIRE軟件建立了某型內(nèi)燃機的幾何模型以及計算網(wǎng)格模型針對內(nèi)燃機的具體運行過程,編制了5種常見的運行工況,并且利用該軟件對該內(nèi)燃機在上述工況下的工作過程進行模擬分析具體求解了該內(nèi)燃機在不同的工況下缸內(nèi)流場和燃燒過程隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機；工作過程；數(shù)值仿真Abstract: this paper analyzed the combustion theory, the working process of the numerical analysis for the internal combustion engine provides the basis of a certain type of internal combustion engine was established based on software FIRE of geometric model and computing grid model according to the specific operation process of internal combustion engine, compiled the five kinds of common operation condition, and using the software of the internal combustion engine under the above conditions to simulate the working process of the analysis of concrete under different conditions to solve the internal combustion engine in cylinder flow field and combustion process along with the change of the crankshaft rotation.Keywords: internal combustion engine ;working process; the numerical simulation1引言 自內(nèi)燃機問世以來,就以其便利、高效和經(jīng)濟性好得到了人們的喜愛,為人來的生產(chǎn)和生活帶來了巨大的方便。內(nèi)燃機給人們來了便利,隨之而來的問題就是能源危機和環(huán)境污染當(dāng)然包括噪聲污染 時至今日,節(jié)能和環(huán)保已經(jīng)成為內(nèi)燃機行業(yè)最迫切要解決的兩大主題。為了在保證內(nèi)燃機的動力性和經(jīng)濟性的同時,又達到節(jié)約能源和環(huán)保的目的,就不得不對內(nèi)燃機的燃燒系統(tǒng)不斷加以改進,重視缸內(nèi)工作過程的研究對內(nèi)燃機燃燒學(xué)的研究主要有實驗和數(shù)值模擬兩種方法。實驗法成本高、時間長、且受設(shè)備的限制。數(shù)值方法模擬可以更好的全面預(yù)測內(nèi)燃機的性能,代替部分發(fā)動機試驗,在不受時空限制的條件下進行各種變參數(shù)研究,指導(dǎo)設(shè)計開發(fā)新型燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃機對舊內(nèi)燃機的性能進行優(yōu)化,還可以降低實驗費用,縮短實驗時間,節(jié)省大量的人力、物力,具有很強的生命力和優(yōu)越性。2內(nèi)燃機燃燒過程數(shù)學(xué)模型的建立 內(nèi)燃機缸內(nèi)氣相流動模型是以經(jīng)典流體力學(xué)可壓縮性粘性流體的N一S方程為基礎(chǔ)的,即根據(jù)質(zhì)量、組分、動量、動能的守恒定律及理想氣體狀態(tài)方程,以一組偏微分的方程組來描述缸內(nèi)流動過程。2.1質(zhì)量守恒方程 組分m的密度表示為,流體的總密度可以由下式得到: (2-1) 組分m的連續(xù)方程為 (2-2) 式中:D是組分的質(zhì)量擴散系數(shù);U為速度矢量;，分別是化學(xué)反應(yīng)和噴霧產(chǎn)生的源項;是克羅內(nèi)可符號(作1,凡1二1;m界1,氏1二0).根據(jù)定義,組分m質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:，考慮到所有組分相加得到總流體密度守恒方程為 (2-3)2.2動量守恒方程 流體混合物的動量方程為: （2-4）式中：p一為氣體的壓力,Mpa;一在層流計算中,的數(shù)值為O;采用紊流模型時,的數(shù)值為1;為無量綱數(shù),使用PGS方法可以提高低馬赫數(shù)時流動的計算效率,這時,流體壓力近似相等如果使用PGS方法,則a隨時間變化K,為湍流脈動動能,g一.比體積力,假定為常數(shù)一為表面張力,N/m粘性應(yīng)力張量使用牛頓力學(xué)的形式 （2-5）、一粘性應(yīng)力中第一、第二系數(shù),2.3能量守恒方程 能量守恒方程采用比內(nèi)能形式 （2-6）式中：I為除去化學(xué)能的比內(nèi)能J一熱通量矢量為熱傳導(dǎo)和恰擴散的作用的總和 T一為流體溫度為組分m的比焙K一為熱傳導(dǎo)系數(shù)一為湍流動能的耗散速率2.4狀態(tài)關(guān)系方程 假設(shè)流體為理想混合氣體,各狀態(tài)關(guān)系式為 （2-7） （2-8） （2-9） （2-10） 式中：為通用氣體常數(shù)；為組分m的分子量；為組分m的比內(nèi)能；為組分m的定壓比熱。2.5化學(xué)成分守恒方程 系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)用下式表示: （2-11） 代表摩爾組分m; 、為化學(xué)反應(yīng)計量系數(shù)2.6物性參數(shù) 以上方程的有關(guān)物性參數(shù)為:第一粘性系數(shù): （2-12）第二粘性系數(shù): （2-13）熱傳導(dǎo)系數(shù): （2-14）擴散系數(shù)： （2-15） 是個經(jīng)驗常數(shù),其標(biāo)準(zhǔn)值是0.09;由Suntherland公式計算。3物理邊界條件物理邊界條件包括固定壁面邊界條件、周期邊界條件和燃油噴射邊界條件。3.1固定壁面邊界條件固定壁面的速度邊界條件可以是:(l)無滑移：氣體速度=壁面速度；(2)自由滑移：法向氣體速度=法向壁面速度,切向速度為0；(3)湍流壁面定律：法向氣體速度=法向壁面速度,切向速度滿足對數(shù)分布其中,為基于氣體和壁面相對速度V的雷諾數(shù),可以根據(jù)與壁面的距離Y求得;剪切速度,.，B與為湍流模型常數(shù),k為湍流動能。3.2周期邊界條件 周期邊界條件指的是將形狀完全對稱的計算區(qū)域(360度)劃分成N個扇形區(qū)域,每個扇形區(qū)域的參數(shù)完全相同,這樣在計算時可以只對一個扇形區(qū)域構(gòu)建網(wǎng)格或進行計算。例如,某噴油器有5個噴孔,且位于氣缸軸線,實際計算時可以將計算區(qū)域扇角設(shè)為72度。3.3噴霧邊界條件 當(dāng)噴霧液滴碰撞在固定壁面上時,令其速度等于壁面速度為了計算氣體的熱傳播和物質(zhì)傳播,設(shè)此時,液滴和壁面之間沒有熱傳導(dǎo)。4數(shù)值分析方法 該軟件使用有限體積法求解各個控制方程。FIRE用在差分上的一個特殊方法即為發(fā)展的ALE（任意拉格朗日一歐拉）方法,在空間上采用中心差分和迎風(fēng)差分相結(jié)合的方法,在時間上使用隱顯結(jié)合方法對于隱式差分方程,該軟件的求解過程則使用類似SIMPLE法的步驟,即使用預(yù)測壓力初始值進行迭代運算。5內(nèi)燃機工作過程仿真分析5.1建立幾何及網(wǎng)格模型 本文所模擬發(fā)動機的工作過程包括壓縮過程、燃燒過程、膨脹過程。考慮到當(dāng)活塞在上、下止點范圍內(nèi)移動時,只有活塞頂部的氣缸容積變化,而燃燒室容積不變,將計算網(wǎng)格模型分成2部分,即集中于活塞頂部不變的燃燒室空間網(wǎng)格和活塞頂上部隨活塞位移變化得圓柱形可變空間網(wǎng)格即氣缸網(wǎng)格分別生成這2個區(qū)域的網(wǎng)格后,然后用任意連接面將其拼接起來,構(gòu)成每個曲軸轉(zhuǎn)角下整個計算流域的體積網(wǎng)格。圖5一1燃燒室計算網(wǎng)格5.2計算初始參數(shù)和邊界條件 對于柴油機工況的模擬仿真計算盡可能的采用了實際參數(shù),其中有一些參數(shù)由于無法獲得或者無法測量等原因,在參考了相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上進行選用表5.1列出了實際工況仿真應(yīng)有的主要計算初始參數(shù)和邊界條件。表5.1要計算初始參數(shù)和邊界條件仿仿真開始角（CA）245仿仿真結(jié)束角（CA）440缸缸壁平均溫度（K）553缸缸蓋平均溫度（K）553活活塞平均溫度（K）523缸缸內(nèi)初始溫度（K）340湍流模型kK雙方程噴噴油量（Kg）2.76e-005噴油溫度（T）353 對計算結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理時只取部分曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)進行。5.3計算結(jié)果與數(shù)據(jù)分析由于車用內(nèi)燃機隨工作情況其轉(zhuǎn)速變化或者供油提前角的變化,都會影響滯燃期,而滯燃期是燃燒過程的一個重要參數(shù),滯燃期越長最高燃燒壓力越大,運動零件受到強烈的沖擊,則燃燒噪聲就大且引起缸內(nèi)燃燒情況變化,所以本文對5種不同的工況進行了模擬分析,工況見表5.2表5.2發(fā)動機工況工況數(shù)12345轉(zhuǎn)速13001600160013001300噴油提前角1510152010持續(xù)角36363636365.3.1工況1 工況1下汽缸內(nèi)溫度分布如圖5一2中的所示 (g)380CA (h)400CA (i)420CA 圖5一2 345CA420CA溫度的分布（工況1）5.3.2工況2 工況2下汽缸內(nèi)溫度分布如圖5一3中的所示圖5一3 340CA420CA溫度分布(工況2)5.3.3工況3 工況3下汽缸內(nèi)溫度分布如圖5-4中的所示圖5一4 345CA420CA溫度分布(工況3)5.3.4工況4 工況4下汽缸內(nèi)溫度分布如圖5一5中的所示 (g)365CA (h)370CA (i)375CA 圖5一5 345CA420CA溫度分布(工況4)5.3.5工況5 工況5下汽缸內(nèi)溫度分布如圖5一6所示圖5一6 340CA420CA溫度分布(工況5)圖5一7 上述5種工況氣缸內(nèi)溫度、壓力和速度變化趨勢繪成曲線圖5一8 NO的含量與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系 從曲線中可以看出NO主要是在擴散燃燒的高溫區(qū)產(chǎn)生的,隨著燃燒的不斷進行，生成的NO越多，從氣缸內(nèi)整體燃燒而言,改變噴油正時，滯燃期變化改變了參與預(yù)混燃燒的混合氣數(shù)量，從而使燃燒溫度發(fā)生變化，對NO排放產(chǎn)生較大的影響隨噴油提前角減小，總的NO生成量顯著下降,噴油過早滯燃期長,NO排放增加。反之，噴油過晚，燃燒推遲，NO排放減少。因此在有些內(nèi)燃機上可以通過適當(dāng)推遲噴油時間來減小NO的排放量。6總結(jié) 本文用FIRE軟件對內(nèi)燃機的工作過程進行了部分?jǐn)?shù)值仿真計算，主要進行了三種轉(zhuǎn)速和兩種噴油時刻的工況，得到了所需要的缸內(nèi)數(shù)據(jù)資料以及相關(guān)參數(shù)的三維分布，為消聲器的優(yōu)化設(shè)計提供了必要的數(shù)據(jù)，同時也為研究發(fā)動機燃燒室形狀以及燃燒的影響因素提供了分析手段和方法。參考文獻1何學(xué)良,李蔬松.內(nèi)燃機燃燒學(xué).機械工業(yè)出版社,19902許元默,帥石金等.發(fā)動機缸內(nèi)數(shù)值模擬現(xiàn)狀及發(fā)展方向.小型內(nèi)燃機與摩托,20023高孝洪,內(nèi)燃機工作過程數(shù)值計算.國防工業(yè)出版社,19864李慶揚.數(shù)值分析.華中工學(xué)院出版社,19825