基于VOF界面追蹤的氣缸流場分析

陳晨　蘇蓉　汪帆　于鵬　尹宗軍　彭閃閃

摘 要：發動機作為汽車的動力來源，研究發動機的混合氣混合特性對于提高汽車的使用性能具有至關重要的作用。文章通過基于VOF界面追蹤的算法，得到了進氣過程中可燃混合氣流動過程的流體相圖、缸內壓力和速度云圖，幫助理解了氣缸內流動、渦旋、噴霧過程以及混合氣形成過程。關鍵詞：VOF;氣缸;流動;渦旋中圖分類號：U464? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-31-03

Abstract： As the power source of automobile， it is of importance to study the mixing characteristics of engine for improving the performance of automobile. Based on the VOF interface tracking algorithm， the fluid phase diagram， cylinder pressure and velocity nephogram of the combustible mixture in the intake process are obtained， which will help to understand the flow， vortex， spray process and mixture formation process in the cylinder.Keywords： VOF; Cylinder; Flow; VortexCLC NO.： U464? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-31-03

前言

發動機的工作過程中，進排氣過程直接影響著發動機的動力性能指標、經濟性能指標和排放性指標，而燃燒室形狀會影響混合氣混合、燃燒和排放性能。近年來，隨著國內外學者的研究，伴隨著計算流體力學、傳熱學等理論的不斷完善和計算機技術的不斷發展，計算機數值模擬實驗對這一方面的研究應用也越來越廣泛。

張國慶^[1]對進排氣過程中的氣體流場進行模擬，分析了氣體運動的速度場和壓力場等參數的變化。孫濟美^[2]等人發展了一種可用于發動機進氣門處流場計算的紊流模型。章煒^[3]等人展示了氣缸內溫度場、壓力場、湍動能分布等流場變化云圖。向梁山^[4]分析了柴油機缸內流場、噴霧發展形態、噴霧液滴的空間分布及燃油濃度分布情況。舒歌群等人^[5]研究了噴霧夾角對柴油機性能的影響，對不同噴霧夾角的燃燒過程進行了數值模擬，結果表明噴霧夾角會影響到燃油的霧化與燃燒。

本文通過對發動機進排氣過程進行瞬態數值模擬，通過ICEM建立模型并進行非結構的網格劃分，然后在通過Fluent軟件對發動機氣缸內的二維流場進行簡單的模擬，在Fluent求解器中設置相應的參數和邊界條件得到相應的模擬計算結果，根據計算結果來對燃燒室進行優化。

1 計算模型的建立與計算

本文研究的發動機的氣缸二維模型相對簡單，所以通過對實物圖中數據研究的一些幾何信息，直接采用ICEM CFD軟件來建立發動機氣缸的流場物理模型。發動機氣缸空間結構的二維模型中尺寸為長262mm，寬94mm，進氣口尺寸為31mm，與氣缸上平面成45度角，模型建立之后我們在ICEM CFD網格劃分模塊中用四邊形和三角形格對模型進行網格劃分。然后導入Fluent軟件看是否可以進行計算和分析，如果不能再對網格的質量進行調整，直到計算的精度和效率符合要求為止。初步網格形成之后當網格生成以后，我們需要檢查網格的質量，此過程關系到網格是否能夠在Fluent軟件中計算，一定要注意網格的單元的面積不能為負值。下圖1是初步形成的網絡圖：

為了簡化模擬計算過程，將氣缸的排氣口和出口設置為固定壁面，同時氣缸的燃燒室的上壁面、活塞的上表面、氣缸的兩邊的邊界都設為固定壁面，這樣也方便導入Fluent中計算。并且將活塞位于下止點時的活塞上表面也簡化為固定壁面去研究缸內氣體的流動情況。這樣不僅可以大大的簡化計算量，也可以得出相接近的計算結果。入口邊界設為速度進口，進氣氣流參數為：馬赫數為2.2（即聲速的2.2倍），總壓力0.785MPa，總溫度為300K。柴油由噴油器通過進氣口噴入氣缸，在氣缸中與空氣混合形成可燃混合氣。混合氣的射入速度為70m/s，柴油的物理參數：密度0.83g/cm³，其粘度為40mPa^.S。

以下為設置的參數及邊界條件：檢查網格的質量，注意網格不能有負值，檢查模型的參數及單位;設置計算模式為瞬態;設置多相流為VOF（流體體積）模型，歐拉相的數目設為2相;設置兩個不同的流體相，第一相為柴油與空氣的混合氣，第二相為氣缸內的廢氣（接近真空），將柴油與空氣按理論空燃比14.3混合，計算出混合氣的密度和粘度;設置邊界條件的進氣口為速度入口，由于進氣過程中，排氣口是關閉的，為了簡化計算過程，將其它的邊界都設置為固定壁面，同時設置好速度入口的參數（速度和壓力），入口的速度方向設置為垂直于進氣口，其他參數保持默認即可;通過計算可以得出發動機轉速在2000r/min時，進氣的時間大約是0.015s。所以設置時間步長為10^-7s，設置時間步數為2*10⁶，當計算至0.015s左右時，停止計算即可得到計算結果。確認所有參數設置正確之后，進行最后的模擬計算。最終在Fluent中得出計算的流體相圖、速度云圖以及壓力云圖，將計算結果導入CFD-POST中進行后處理，得出相關的圖并制作計算過程的相關動畫。以下是在CFD-POST中進行后處理得出的結果：

（1）圖2紅色代表混合氣的體積分數為100%，也就是全部為混合氣，藍色則代表混合氣的體積分數為0%，其他的顏色則代表的是混合氣的體積分數位于0-100%之間，即為混合氣與缸內空氣混合后的體積分數，由計算的結果圖可以看出最后的混合氣的體積分數較高的紅色基本位于燃燒室附近，這是一種比較理想的發動機氣缸燃燒室。

（2）圖3在進氣過程中隨著氣缸內部平均壓強的不斷增大，在進氣過程的末期缸內大部分區域的壓力也趨于穩定，這說明缸內壓強分布均勻化，有利于混合氣的燃燒。

（3）圖4氣流在氣缸壁的作用下，在進氣門的兩側產生了兩個滾流。一個是進氣門右側的氣流在氣缸側壁的導向下產生的滾流，另一個是在排氣門左側壓強和氣缸頂部的測壓產生的滾流。隨著氣體的不斷噴入，缸內氣壓也逐漸增大，進氣門右側的滾流也逐漸增大，當滾流的強度達到了最大值，在氣缸的下部有又形成了一個滾流，這三個滾流在氣缸內逐漸平穩，使得混合氣開始慢慢充斥了整個氣缸，使得氣缸內部氣流速度的均勻化，滾流的形成有利于燃料與空氣的混合和擴散。

（4）由圖5可以看出，在進氣過程末期，氣體在氣缸內部形成了三個滾流。一個是在排氣門下方形成的較小的滾流，一個是在氣缸中間位置形成的較大的滾流，還有一個是在活塞上方的最大的滾流以及其它的空間夾雜著很多的亂流，這樣的流動方式對缸內氣體的混合非常有利。

2 結論

通過這次模擬計算發動機氣缸的進氣過程，得出了進氣

過程中可燃混合氣的流動過程的流體相圖、缸內壓力和速度云圖，通過這些圖的分析，我們可以清晰的理解氣缸在進氣過程中混合氣的流動情況，對發動機氣缸燃燒室的設計和優化提供幫助。

參考文獻

[1] 張國慶.內燃機進排氣過程數值模擬[D].太原：中北大學， 2013.

[2] 孫濟美，牟永泉，董愚.發動機模型進氣道內氣體流場的模擬和實驗研究[J].內燃機學報， 1989（2）：117-123.

[3] 章煒，左承基，于富強.直噴化1105柴油機燃燒過程的三維模擬仿真及分析[J].小型內燃機與車輛技術， 2007（3）.

[4] 向梁山. TY3100非道路用柴油機噴霧燃燒三維數值模擬研究[D]. 武漢理工大學， 2011.

[5] 舒歌群，馬維忍，許世杰，et al.噴霧夾角對柴油機性能影響的數值模擬[J].工程熱物理學報，2008， V29（7）：1239-1242.