內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流運(yùn)動數(shù)值模擬研究

1、第15卷(1997)第4期內(nèi)燃機(jī)學(xué)報Vol.15(1997)No.4TransactionsofCSICE970055內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流運(yùn)動數(shù)值模擬研究3沈建平33(中船總七一一研究所)(吳承雄華中理工大學(xué))摘要本文采用k2雙方程湍流模型、正交貼體曲線網(wǎng)格,對內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)空氣湍流運(yùn)動進(jìn)行三維數(shù)值模擬,采用REZONE技術(shù)解決了進(jìn)氣閥與燃燒室凹坑不同偏置問題。與此同時,行了LDV測量,并將測量結(jié)果與計算值進(jìn)行比較,二者吻合良好,和選用的模型是可靠的。關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機(jī),湍流,多維模擬,數(shù)學(xué)模型MlingofTurbulenceinaofIternalCombustionEngineShenJianpin

2、g(ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute)WuChengxiong(HuazhongUniversityofScienceandTechnology)AbstractThepaperdescribedthethreedimensionalsimulationofairmotioninsideacylinderofinternalcombustionengine,usingamodifiedk2two2equationturbulencemodelunderboundary2fittedor2thogonalcurvilinearcoordina

3、teandREZONEtechniquetocopewiththedifferentoff2centerbe2.Meanwhile,theairvelocitiesinthesamecylinderweremea2tweenintakevalveandpiston2bowl.TheagreementbetweenthemwassogoodsuredbyLDVandcomparedwiththecalculatedvaluesthatthemodelandprogramdevelopedbythisworkwereprovedtobesatisfactory.Keywords:Internalc

4、ombustionengine,Turbulence,Multidimensionalmodeling,Numericalmodel原稿收到日期為1996202214,修改稿收到日期為1996212231。3湖北省自然科學(xué)基金資助項目。33中國、上海、郵編200041。1997年10月沈建平等:內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流運(yùn)動數(shù)值模擬研究399引言在現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)中,特別是中小型高速內(nèi)燃機(jī),氣體流動占有十分重要的地位,它對油氣混合、燃燒、火焰?zhèn)鞑?、爆燃、污染物生成均有極其重要的影響。用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測量的方法研究缸內(nèi)空氣運(yùn)動規(guī)律,有助于了解流動的某些微觀過程,從而為完善內(nèi)燃機(jī)設(shè)計、提高發(fā)動機(jī)效率提供理論指導(dǎo)。7

5、0年代初期以來,國內(nèi)外許多學(xué)者在缸內(nèi)氣體流動方面做過不少工作13,取得了一些研究成果,但是由于缸內(nèi)流動本身的復(fù)雜性,還沒達(dá)到令人滿意的程度,特別是在處理復(fù)雜物理區(qū)域及相應(yīng)的邊界條件時,一般只處理進(jìn)氣閥和燃燒室凹坑偏心相同的情形3,但實(shí)際上二者的偏心是不同的。本文的計算區(qū)域采用正交曲線網(wǎng)格離散,減少了邊界處理的誤差。進(jìn)氣沖程和壓縮沖程的計算采用不同的網(wǎng)格系統(tǒng),ONE技術(shù)傳遞數(shù)據(jù),題,使計算更符合實(shí)際情況。本文還采用LDV,并與計算結(jié)果進(jìn)行比較,二者吻合得較好。1,將湍流方,在正交曲線坐標(biāo)下求解Navier2Stokes方程。1.1缸內(nèi)流動雖然十分復(fù)雜,但仍然遵循質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒3大基

6、本定律,在正交曲線坐標(biāo)系中,控制方程可寫成如下的通用形式(包括湍流模型方程):()(1)+vi5hjhk-#5=S5th1h2h3qihiqi式中:5分別為1,v1,v2,v3,k,不同的5對應(yīng)不同的#5和S5,它們的具體表達(dá)式見文獻(xiàn)5。內(nèi)燃機(jī)中常用的湍流模型有零方程模型、雙方程模型和亞網(wǎng)格尺度模型,本文采用雙方程模型。表1為常用的5種雙方程模型的總結(jié)(參數(shù)的意義見文獻(xiàn)5)。這些湍流模型分別考慮了不同的側(cè)重點(diǎn),有一定的精度。經(jīng)過試算對比,本文決定采用Reynolds模型來模擬缸內(nèi)湍流,模擬結(jié)果是令人滿意的。表15種常用雙方程湍流模型中的系數(shù)研究者WatkinsReynoldsMorlManso

7、urElTahry時間1977年1980年1982年1983年1989c1c1c2c2c3c41.441.441.441.441.401.441.441.321.441.441.401.921.921.921.921.401.441.443.54.51.441.40-1.0-0.3731.030.00.00.01.00.0-1.05400內(nèi)燃機(jī)學(xué)報第15卷第4期1.2計算網(wǎng)格及其變換計算所用的網(wǎng)格為正交貼體曲線網(wǎng)格,用反演的拉氏方程或泊松方程生成。本文所用的兩套網(wǎng)格如圖1、圖2所示?；钊斊矫嬉陨峡臻g的網(wǎng)格在軸向隨活塞和進(jìn)氣閥的運(yùn)動而伸縮,活塞凹坑內(nèi)的網(wǎng)格跟隨活塞運(yùn)動但不伸縮。伸縮網(wǎng)格在z向作

8、如下變換:當(dāng)z<zval時,=zvalzpis-zval(2)(3)當(dāng)zval<z<zpis時,=1+式中:zval和zpis分別是進(jìn)氣閥和活塞頂平面距缸蓋底平面的瞬時距離。圖1進(jìn)氣沖程計算網(wǎng)格圖2壓縮沖程計算網(wǎng)格由于活塞頂凹坑與進(jìn)氣閥的偏心不一致,如果同時考慮進(jìn)氣閥凹坑,網(wǎng)格生成十分困難,而且勉強(qiáng)生成的這種網(wǎng)格在活塞接近上止點(diǎn)時軸向正交性變差,因此本文將進(jìn)氣沖程和壓縮沖程分別采用不同的網(wǎng)格計算。在進(jìn)氣沖程計算時不考慮凹坑,網(wǎng)格以進(jìn)氣閥中心偏置,而在壓縮沖程,網(wǎng)格以凹坑為偏(a)(b)心,這樣進(jìn)氣沖程和壓縮沖程兩套網(wǎng)格不重圖3REZONE技術(shù)示意圖合,要求在下止點(diǎn)時兩套網(wǎng)格上

9、的數(shù)據(jù)重定位,即所謂的REZONE技術(shù)。如圖3,設(shè)A,B,C,D為進(jìn)氣沖程網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),P為壓縮沖程網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。先將A,B,C,D多邊形變換到圖3b所示的正方形,該變換為)(1-)+xB(1-)+xC)x=xA(1-+xD(1-)(1-)+yB(1-)+yC)y=yA(1-+yD(1-(3)()。將P點(diǎn)坐標(biāo)(xP,yP)代入,求解下列方程組可得到P在圖3b中的位置P,1997年10月沈建平等:內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流運(yùn)動數(shù)值模擬研究401xP=xA(1-yP=yA(1-)(1-)+xB(1-)+xC)+xD(1-)(1-)+yB(1-)+yC)+yD(1-(4)后,則待求參數(shù)5P為求出(,)(1-)+5B(1

10、-)+5C)(5)5P=5A(1-+5D(1-1.3數(shù)值方法對于通用方程(1),經(jīng)過式(2)、式(3)坐標(biāo)伸縮變換,在112中所述的正交曲線網(wǎng)格中采用控制容積法離散,最后可得如下代數(shù)方程:005P=0aE+aW+aN+aS+aT+aB+aP-SPVh1h2h3其中各系數(shù)的具體表達(dá)式見文獻(xiàn)5。文采用SIMPLE法求解,用壓力修正方程處理壓力耦合5,6。1.4邊界處理(6)由于方程組的強(qiáng)烈非線性和各因變量之間的耦合,本進(jìn)氣門處是一個流體進(jìn)口邊界,VEXIT=Vp;。求得EXIT后,在軸向、徑向,?；钊麆舆吔缭谏炜s網(wǎng)格上,對相對速度來說,按固壁邊界處理。固壁邊界還包括氣缸壁,采用對數(shù)壁面,5。2計算

11、結(jié)果的分析與比較2.1計算條件計算所用的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)與對比測量時所用的發(fā)動機(jī)是一樣的,其參數(shù)見表2,燃燒室凹坑、進(jìn)氣閥的偏置見圖4,圖中A點(diǎn)離氣缸中心31.5mm,B,C點(diǎn)離氣缸中心10.5mm,為了與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,A,B,C點(diǎn)位于離缸蓋底平面20mm的平面上。表2計算用發(fā)動機(jī)參數(shù)缸徑100.0mm行程115.0mm壓縮比13.5上止點(diǎn)間隙1.5mm進(jìn)氣閥最大升程10.0mm進(jìn)氣閥直徑46.0mm2.2計算結(jié)果分析圖5、圖6分別是進(jìn)氣沖程(90°CA)和壓縮沖程(330°CA)時,通過氣缸軸線與進(jìn)氣閥中心的平面、氣缸軸線與凹坑中心的平面上氣流速度矢量分布圖。由圖中可看出,

12、進(jìn)氣氣流以射流形式進(jìn)入氣缸,速度較大。進(jìn)入氣缸的氣流沿缸壁向下流動,與活塞頂相碰,速度減小,同時在進(jìn)氣閥盤下方出現(xiàn)明顯的回流,這是由于進(jìn)氣噴流繞流閥盤以及噴流與活塞頂相撞反彈而引起的。壓縮沖程后期,空氣被擠入燃燒室凹坑,圖7是上止點(diǎn)時的流場分布,此時由于擠入凹坑的氣體增多導(dǎo)致凹坑內(nèi)局部壓力上升,氣流在凹坑壁的導(dǎo)向下反竄入活塞上402內(nèi)燃機(jī)學(xué)報第15卷第4期部空間,形成類擬的反向擠流,這在圖7中可明顯看出。圖8給出了A點(diǎn)的3個方向速度及湍動能隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。從圖中可看出,進(jìn)氣沖程開始,3個方向的平均速度都隨曲軸轉(zhuǎn)角的增大而增大,基本上在同一個曲軸轉(zhuǎn)角達(dá)到最大值(W為反方向最大),隨后逐漸減

13、小,并有波動,在壓縮沖程后期又有所上升。雖然它們的變化規(guī)律基本相同,但變化的歷圖4進(jìn)氣閥、燃燒室凹坑偏置及A90°CA時缸內(nèi)流速分布圖6330°CA時缸內(nèi)流速分布圖7360°CA時缸內(nèi)流速分布程、數(shù)值的大小都不一樣。圖中湍動能的變化曲線表明,在進(jìn)氣沖程前半期,湍動能隨曲軸轉(zhuǎn)角增大而增大,達(dá)到一個峰值后逐漸減小,這是由于在進(jìn)氣沖程前半期,隨曲軸轉(zhuǎn)角增大,活塞運(yùn)動速度增大,進(jìn)氣噴流的速度也增大,噴流引起的剪切和擾動增強(qiáng),從而使湍動能變大。在壓縮沖程后期,由于擠流的影響,湍動能稍有上升。這些規(guī)律與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果是一致的4,5。2.3計算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較在本文的研究中,針對

14、計算的實(shí)際情況,還采用激光多譜勒法測量了相應(yīng)工況下缸內(nèi)氣流平均速度和湍流度,具體方法和結(jié)果見文獻(xiàn)5。圖9、圖10分別給出了B,C兩點(diǎn)的軸向速度、切向速度的計算值和測量值的對比曲線。由圖可知,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計算的速度變化趨勢是一致的,其吻合程度是令人滿意的。由圖也知,計算值比實(shí)驗(yàn)值偏小一些,尤其是在進(jìn)氣沖程,其原因主要是實(shí)驗(yàn)值的數(shù)據(jù)處理采用集總平均法,其中不可避免地包含有平均速度的循環(huán)間變動,也可能是由于進(jìn)氣沖程湍流各向異性強(qiáng)烈,而模型采用了各向同性的假設(shè),從而引起誤差。1997年10月沈建平等:內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流運(yùn)動數(shù)值模擬研究403(a)切向平均速度(b)徑向平均速度(c)軸向平均速度(d)湍動

15、能圖8A點(diǎn)平均速度、湍動能隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化圖9B點(diǎn)軸向速度對比圖10C點(diǎn)切向速度對比404內(nèi)燃機(jī)學(xué)報第15卷第4期3結(jié)論(1)用數(shù)值方法求解缸內(nèi)氣體流動質(zhì)量、動量守恒方程,從而得到缸內(nèi)流場分布的方法是研究缸內(nèi)流動的一種省時、省力、行之有效的方法。(2)從計算結(jié)果可以看到,在進(jìn)氣沖程中,進(jìn)氣閥盤下方存在大尺度回流;在壓縮沖程,由于凹坑縮口的影響,缸內(nèi)出現(xiàn)類似的擠流,特別是在壓縮后期,被擠入凹坑內(nèi)的氣體又竄出凹坑,形成反方向的類似擠流。(3)進(jìn)氣沖程前半期,缸內(nèi)氣流速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的增大而增大,達(dá)到峰值后,又逐漸減小;但在壓縮后期,由于擠流和反擠流的影響,又稍有上升。缸內(nèi)湍動能的變化歷程與此類似,但它衰減得更快,且在壓縮后期其值較小。(4)LDV測量結(jié)果與計算值吻合得較好,的,由二者比較可知,計算值偏低,在進(jìn)氣沖程尤其明顯,異性及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法導(dǎo)致的。1Go