内燃机工作过程数值仿真.doc

内燃机工作过程数值仿真摘要：本文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FIRE软件建立了某型内燃机的几何模型以及计算网格模型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。关键词：内燃机；工作过程；数值仿真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 自内燃机问世以来,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。内燃机给人们来了便利,随之而来的问题就是能源危机和环境污染当然包括噪声污染 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。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。实验法成本高、时间长、且受设备的限制。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。2内燃机燃烧过程数学模型的建立 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一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。2.1质量守恒方程 组分m的密度表示为,流体的总密度可以由下式得到: (2-1) 组分m的连续方程为 (2-2) 式中:D是组分的质量扩散系数;U为速度矢量;，分别是化学反应和喷雾产生的源项;是克罗内可符号(作1,凡1二1;m界1,氏1二0).根据定义,组分m质量分数为:，考虑到所有组分相加得到总流体密度守恒方程为 (2-3)2.2动量守恒方程 流体混合物的动量方程为: （2-4）式中：p一为气体的压力,Mpa;一在层流计算中,的数值为O;采用紊流模型时,的数值为1;为无量纲数,使用PGS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PGS方法,则a随时间变化K,为湍流脉动动能,g一.比体积力,假定为常数一为表面张力,N/m粘性应力张量使用牛顿力学的形式 （2-5）、一粘性应力中第一、第二系数,2.3能量守恒方程 能量守恒方程采用比内能形式 （2-6）式中：I为除去化学能的比内能J一热通量矢量为热传导和恰扩散的作用的总和 T一为流体温度为组分m的比焙K一为热传导系数一为湍流动能的耗散速率2.4状态关系方程 假设流体为理想混合气体,各状态关系式为 （2-7） （2-8） （2-9） （2-10） 式中：为通用气体常数；为组分m的分子量；为组分m的比内能；为组分m的定压比热。2.5化学成分守恒方程 系统化学反应用下式表示: （2-11） 代表摩尔组分m; 、为化学反应计量系数2.6物性参数 以上方程的有关物性参数为:第一粘性系数: （2-12）第二粘性系数: （2-13）热传导系数: （2-14）扩散系数： （2-15） 是个经验常数,其标准值是0.09;由Suntherland公式计算。3物理边界条件物理边界条件包括固定壁面边界条件、周期边界条件和燃油喷射边界条件。3.1固定壁面边界条件固定壁面的速度边界条件可以是:(l)无滑移：气体速度=壁面速度；(2)自由滑移：法向气体速度=法向壁面速度,切向速度为0；(3)湍流壁面定律：法向气体速度=法向壁面速度,切向速度满足对数分布其中,为基于气体和壁面相对速度V的雷诺数,可以根据与壁面的距离Y求得;剪切速度,.，B与为湍流模型常数,k为湍流动能。3.2周期边界条件 周期边界条件指的是将形状完全对称的计算区域(360度)划分成N个扇形区域,每个扇形区域的参数完全相同,这样在计算时可以只对一个扇形区域构建网格或进行计算。例如,某喷油器有5个喷孔,且位于气缸轴线,实际计算时可以将计算区域扇角设为72度。3.3喷雾边界条件 当喷雾液滴碰撞在固定壁面上时,令其速度等于壁面速度为了计算气体的热传播和物质传播,设此时,液滴和壁面之间没有热传导。4数值分析方法 该软件使用有限体积法求解各个控制方程。FIRE用在差分上的一个特殊方法即为发展的ALE（任意拉格朗日一欧拉）方法,在空间上采用中心差分和迎风差分相结合的方法,在时间上使用隐显结合方法对于隐式差分方程,该软件的求解过程则使用类似SIMPLE法的步骤,即使用预测压力初始值进行迭代运算。5内燃机工作过程仿真分析5.1建立几何及网格模型 本文所模拟发动机的工作过程包括压缩过程、燃烧过程、膨胀过程。考虑到当活塞在上、下止点范围内移动时,只有活塞顶部的气缸容积变化,而燃烧室容积不变,将计算网格模型分成2部分,即集中于活塞顶部不变的燃烧室空间网格和活塞顶上部随活塞位移变化得圆柱形可变空间网格即气缸网格分别生成这2个区域的网格后,然后用任意连接面将其拼接起来,构成每个曲轴转角下整个计算流域的体积网格。图5一1燃烧室计算网格5.2计算初始参数和边界条件 对于柴油机工况的模拟仿真计算尽可能的采用了实际参数,其中有一些参数由于无法获得或者无法测量等原因,在参考了相关文献的基础上进行选用表5.1列出了实际工况仿真应有的主要计算初始参数和边界条件。表5.1要计算初始参数和边界条件仿仿真开始角（CA）245仿仿真结束角（CA）440缸缸壁平均温度（K）553缸缸盖平均温度（K）553活活塞平均温度（K）523缸缸内初始温度（K）340湍流模型kK双方程喷喷油量（Kg）2.76e-005喷油温度（T）353 对计算结果进行数据处理时只取部分曲轴转角范围内进行。5.3计算结果与数据分析由于车用内燃机随工作情况其转速变化或者供油提前角的变化,都会影响滞燃期,而滞燃期是燃烧过程的一个重要参数,滞燃期越长最高燃烧压力越大,运动零件受到强烈的冲击,则燃烧噪声就大且引起缸内燃烧情况变化,所以本文对5种不同的工况进行了模拟分析,工况见表5.2表5.2发动机工况工况数12345转速13001600160013001300喷油提前角1510152010持续角36363636365.3.1工况1 工况1下汽缸内温度分布如图5一2中的所示 (g)380CA (h)400CA (i)420CA 图5一2 345CA420CA温度的分布（工况1）5.3.2工况2 工况2下汽缸内温度分布如图5一3中的所示图5一3 340CA420CA温度分布(工况2)5.3.3工况3 工况3下汽缸内温度分布如图5-4中的所示图5一4 345CA420CA温度分布(工况3)5.3.4工况4 工况4下汽缸内温度分布如图5一5中的所示 (g)365CA (h)370CA (i)375CA 图5一5 345CA420CA温度分布(工况4)5.3.5工况5 工况5下汽缸内温度分布如图5一6所示图5一6 340CA420CA温度分布(工况5)图5一7 上述5种工况气缸内温度、压力和速度变化趋势绘成曲线图5一8 NO的含量与曲轴转角的关系 从曲线中可以看出NO主要是在扩散燃烧的高温区产生的,随着燃烧的不断进行，生成的NO越多，从气缸内整体燃烧而言,改变喷油正时，滞燃期变化改变了参与预混燃烧的混合气数量，从而使燃烧温度发生变化，对NO排放产生较大的影响随喷油提前角减小，总的NO生成量显著下降,喷油过早滞燃期长,NO排放增加。反之，喷油过晚，燃烧推迟，NO排放减少。因此在有些内燃机上可以通过适当推迟喷油时间来减小NO的排放量。6总结 本文用FIRE软件对内燃机的工作过程进行了部分数值仿真计算，主要进行了三种转速和两种喷油时刻的工况，得到了所需要的缸内数据资料以及相关参数的三维分布，为消声器的优化设计提供了必要的数据，同时也为研究发动机燃烧室形状以及燃烧的影响因素提供了分析手段和方法。参考文献1何学良,李蔬松.内燃机燃烧学.机械工业出版社,19902许元默,帅石金等.发动机缸内数值模拟现状及发展方向.小型内燃机与摩托,20023高孝洪,内燃机工作过程数值计算.国防工业出版社,19864李庆扬.数值分析.华中工学院出版社,19825