4氣門柴油機(jī)進(jìn)氣及噴霧過程的大渦模擬研究

周 磊，徐春龍，柳 賀，韓 君

（1 中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西 大同037036；2 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西太原030051）

內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)對混合氣的形成和燃燒過程有著決定性的因素。在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣過程和燃油噴霧的混合氣形成過程中，氣缸內(nèi)存在著旋流、擠流和滾流等湍流運(yùn)動(dòng)，使流場結(jié)構(gòu)和湍流特性更加復(fù)雜。為了深入研究柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的流動(dòng)。混合氣的形成過程，全世界的研究者開展了大量的試驗(yàn)和理論研究工作，計(jì)算流體力學(xué)在其中發(fā)揮了非常重要的作用。在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)湍流數(shù)值研究中，常用的模型雷諾平均（RANS）的方法。但是，雷諾平均方法抹去了所有渦團(tuán)所產(chǎn)生的時(shí)間上的脈動(dòng)值，從而丟失了大量信息。因此，RANS不是理想的模擬內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)流動(dòng)的方法。Reynlods指出大渦模擬（LES）可能是模擬往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的最佳途徑，大渦模擬作為湍流數(shù)值模擬的下一代工程方法已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可。

LES是對流場采用濾波的方法消除湍流流動(dòng)中的小尺度脈動(dòng)，也就是采用濾波函數(shù)對湍流的控制方程進(jìn)行濾波，從而把流場中的量分為大尺度量（可解尺度量）和小尺度量（亞網(wǎng)格尺度量），大尺度量進(jìn)行直接計(jì)算三維湍流方程，將小尺度脈動(dòng)對大尺度運(yùn)動(dòng)的作用建立模型來求解。近年來，各國學(xué)者日益增多的在內(nèi)燃機(jī)研究中采用大渦模擬的方法。Naiton等人［1］是最早（1992）將LES應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)湍流的研究者，他們對1臺(tái)4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中的流動(dòng)過程進(jìn)行了完整的LES計(jì)算。美國喬治亞州理工學(xué)院的CCL實(shí)驗(yàn)室［2］在大渦模擬計(jì)算和應(yīng)用方面進(jìn)行了大量的研究。Menon等將LES應(yīng)用于直噴式火花點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中（DISI），對若干個(gè)循環(huán)進(jìn)行了模擬以獲得平均參數(shù)，更精確的顯示了模擬結(jié)果。國內(nèi)解茂昭課題組對發(fā)動(dòng)機(jī)中的進(jìn)氣過程及燃油噴霧過程進(jìn)行了大量的數(shù)值研究。

本文基于KIVA－3V源程序基礎(chǔ)上，通過修改其中部分子程序塊，建立了4氣門柴油機(jī)進(jìn)氣及噴霧過程大渦模擬計(jì)算程序。利用此模型重點(diǎn)分析了4氣門柴油機(jī)進(jìn)氣過程及噴霧過程中氣缸內(nèi)流場變化，同時(shí)對比了RANS模型計(jì)算結(jié)果。

1 LES控制方程

大渦模擬求解的控制方程是經(jīng)過濾波處理后的NS方程組，其在 KIVA－3V 中的形式為［3］：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

其中Psgs和Dsgs分別為亞網(wǎng)格湍動(dòng)能的生成項(xiàng)和耗散項(xiàng)。

亞網(wǎng)格熱流量和組分質(zhì)量流量均通過梯度擴(kuò)散假設(shè)來封閉。關(guān)于此模型的詳細(xì)介紹可參見文獻(xiàn)［5］。

液滴破碎模型（MTAB模型）［6］是基于原有TAB模型［7］，根據(jù)試驗(yàn)修改了液滴破碎之后的分布及大小。在TAB模型中，為了定量的描述液滴的變形，按照彈性力學(xué)的理論，把液滴的振動(dòng)與變形同一個(gè)彈簧與重物系統(tǒng)的振動(dòng)相比擬，利用此方法，液滴表面的振動(dòng)方程為：

式中σ是液滴表面張力。僅當(dāng)y＞1時(shí)，液滴發(fā)生分裂。

液滴分裂所產(chǎn)生的子液滴群的索特半徑為：

由于KIVA3V中原有的TAB模型得到的液滴半徑要小于實(shí)際測量的值，所以Dan等人針對原有TAB模型的常數(shù)根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行了修改。K為液滴變形過程中的能量比率，值為8／9。而各子液滴的實(shí)際半徑則根據(jù)索特半徑按χ6分布隨機(jī)選擇。

2 計(jì)算模型和數(shù)值方法

本文模擬對象為1臺(tái)由Ford 4缸高速直噴（HSDI）柴油機(jī)改進(jìn)而來，單缸排量為0.5L。詳細(xì)的計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)參看表1。計(jì)算網(wǎng)格由ANSYS ICEM軟件生成，包括進(jìn)氣道、排氣道和氣缸，在下止點(diǎn)時(shí)網(wǎng)格的單元數(shù)量為160 000，如圖1所示。本文使用的數(shù)值方法參看表2。

3 計(jì)算結(jié)果分析

本文采用LES分別對進(jìn)氣過程與燃油霧化混合過程進(jìn)行了分析，對比了不同時(shí)刻下氣缸內(nèi)流場的變化。本文所采用的計(jì)算模型已經(jīng)在文獻(xiàn)［12］和［13］中進(jìn)行了氣缸內(nèi)流場的冷態(tài)驗(yàn)證及燃油噴霧驗(yàn)證。

3.1 進(jìn)氣過程的流場分析

圖1 計(jì)算網(wǎng)格

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2 數(shù)值模型和計(jì)算方法

圖2和3顯示了兩個(gè)具有代表性的曲軸轉(zhuǎn)角下氣缸內(nèi)速度場分布與演變情況，同時(shí)對比了兩種湍流模型（LES模型和RANS模型）計(jì)算得到的結(jié)果。從兩幅圖中可以看出，在兩種時(shí)刻下，尤其是在完全進(jìn)氣之后（180oCA ATDC）采用大渦模擬（LES）除了可以得到有序的大尺度渦團(tuán)結(jié)構(gòu)外，還能捕捉到大量不規(guī)則及三維結(jié)構(gòu)的小尺度渦團(tuán)結(jié)構(gòu)，而采用RANS模型得到的氣缸內(nèi)流場非常的規(guī)整，流場的擬序性很強(qiáng)，基本上捕捉不到不規(guī)則的小尺度渦團(tuán)結(jié)構(gòu)。這主要是由于RANS模型的速度場是對事件取平均得出的，即抹去了所有渦團(tuán)產(chǎn)生的時(shí)間上的脈動(dòng)值，其所能求解的尺度取決于所采用的湍流模型，而LES模型的速度場是對湍流進(jìn)行空間上的過濾，它濾除了小渦的脈動(dòng)，卻保留了大渦的脈動(dòng)，其所能求解的尺度通常取決于網(wǎng)格分辨率。從圖2尤其是圖3中速度分布可以看出，LES所能捕捉到的渦團(tuán)結(jié)構(gòu)的范圍要大于RANS模型。

圖2 45℃A ATDC時(shí)氣缸內(nèi)軸向速度場分布

圖3 180℃A ATDC時(shí)氣缸內(nèi)軸向速度場分布

圖4 180℃A ATDC時(shí)氣缸內(nèi)湍動(dòng)能等高線分布

圖4顯示了180℃A ATDC時(shí)氣缸內(nèi)湍動(dòng)能等高線分布，從圖中可以更加清晰的看出大渦模擬得到的小尺度渦團(tuán)氣缸內(nèi)流場更加不均勻和不規(guī)則，更直觀地反映了氣缸內(nèi)湍流的瞬變性和隨機(jī)性。而RANS模型則得到較多的非常規(guī)則的大尺度渦團(tuán)結(jié)構(gòu)。這主要是文本LES模型計(jì)算的湍動(dòng)能渦團(tuán)結(jié)構(gòu)是小尺度區(qū)域中的，而RANS模型計(jì)算的湍動(dòng)能是基于整個(gè)流場的。

3.2 燃油霧化混合氣形成過程

圖5至圖8分別顯示了采用兩種湍流模型（LES和RANS模型）進(jìn)行計(jì)算時(shí)在壓縮噴霧過程中兩個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角下的氣缸內(nèi)流場及濃度場分布。從圖5和圖6中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮過程中氣缸內(nèi)的速度場在兩種計(jì)算模型下流場結(jié)構(gòu)有著較大的差別。隨著活塞的上行，活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力伴隨著進(jìn)氣過程中產(chǎn)生復(fù)雜的渦團(tuán)結(jié)構(gòu)對整個(gè)氣缸內(nèi)流場有著較大的影響，湍流特性越來越明顯，伴隨著舊渦的破碎和新渦的產(chǎn)生。采用LES模型可以很好的描述這一復(fù)雜的流場變化過程，而RANS模型表現(xiàn)不出這種結(jié)果，主要是由于其捕捉不到小尺度渦結(jié)構(gòu)。由于受整個(gè)流場的影響及噴霧過程帶來的較強(qiáng)的剪切應(yīng)力，使得噴霧過程受到了較大的影響。從圖7和圖8燃油濃度分布可以看出，所得到的噴霧結(jié)構(gòu)有著明顯的不同，LES的噴霧貫穿較長，這與之前在定容彈中的驗(yàn)證較為吻合。同時(shí)采用LES的結(jié)果表現(xiàn)出了更加復(fù)雜和瞬時(shí)的湍流結(jié)構(gòu)。這主要是由于大渦模擬捕捉到大量小尺度渦團(tuán)結(jié)構(gòu)，這些小尺度渦的存在使氣缸內(nèi)流場更加不均勻和不規(guī)則。圖9顯示的是氣缸內(nèi)平均湍動(dòng)能在進(jìn)氣和壓縮過程中的變化趨勢。從圖中可以看出，平均湍動(dòng)能在進(jìn)氣過程中隨著進(jìn)氣閥的開度先增大后減小，在圖中表現(xiàn)為第1個(gè)峰值。之后隨之燃油噴射的開始，在整個(gè)噴射周期內(nèi)隨著噴射時(shí)間而增加，在噴射結(jié)束時(shí)達(dá)到了最大值，隨后開始下降，在圖中表現(xiàn)為第2個(gè)峰值。同時(shí)從圖中看出，在進(jìn)氣過程產(chǎn)生的湍動(dòng)能要明顯大于噴霧過程。從圖中可以看出LES計(jì)算值要小于RAN結(jié)果，這種差別的主要原因LES和RANS模型下的湍動(dòng)能的定義不同，在RANS模型中，湍動(dòng)能包含了所有尺度上的湍流渦團(tuán)，而LES模型得到的湍動(dòng)能僅僅是亞網(wǎng)格尺度區(qū)域的。

圖5 100℃A BTDC時(shí)軸向速度分布分布

圖6 20℃A BTDC時(shí)軸向速度分布分布

圖7 20℃A BTDC時(shí)氣缸內(nèi)燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖8 5℃A BTDC時(shí)氣缸內(nèi)燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖9 氣缸內(nèi)湍動(dòng)能隨曲軸專家變化

4 結(jié)束語

本文的研究主要集中在大渦模擬和雷諾平均預(yù)測的氣缸內(nèi)流場結(jié)構(gòu)和燃油蒸氣濃度分布的不同。在KIVA3V程序中添加了基于一個(gè)湍動(dòng)能方程的大渦模型。使用修改的TAB模型對4氣門柴油機(jī)進(jìn)行了冷態(tài)模擬，計(jì)算結(jié)果與RNGk－ε和試驗(yàn)進(jìn)行了對比分析。計(jì)算結(jié)果顯示LES模型在預(yù)測帶有隨機(jī)渦量結(jié)構(gòu)的高瞬變流動(dòng)中要優(yōu)于RANS模型。采用LES模型除了能得到大尺度區(qū)域的渦團(tuán)結(jié)構(gòu)還能捕捉到大量無序的小尺度渦團(tuán)，同時(shí)計(jì)算湍動(dòng)能要小于RANS模型的結(jié)果。

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