KIVA程序介绍自己总结

1、KIVA系列程序的开展内燃机工作过程数值计算经历了从零维模型、准维模型到多维模型的开展,已有近百年历史,但是多维模型的开展只有 20多年时间.美国Los Alamos国家实验室开发的 KIVA系列程序 最具代表性.1975年,美国Los Alamos国家实验室公布了一份研究报告,首次推出了二维RICE程序.它利用矩形计算区域分析它的网格、模拟涡流的漩涡扩散,用有多种化学反响和燃油种类的动力学来模拟实际化学动力学,用特定的有限差分公式来有效地处理低马赫音速问题,这就是KIVA程序最原始的雏形.随后, Butler和Cloutman等人在RICE程序的根底上采用了 ALE法(Arbitrary L

2、agrangian-Euler)进行网格划分,在模拟计算中参加了对活塞形状和活塞运 动的描述6.随后,美国Los Alamos国家实验室于1979年推出了 RICE程序的新版本一一 CONCHAS程序,它用来求解二维非定常多元化反响流问题,并用亚网格尺度模型来考虑湍流的影响.1982年,Cloutman和 Amsden等人把喷雾模型引用到CONCHAS 程序中,发表了CONCHAS-SPRAY程序的研究报告.正如其名称所示,CONCHAS-SPRAY程序增加了喷射 动力模型,同时该程序把快速和慢速反响区别为化学平衡反响和化学动力学反响,并考虑了非基元反响的影响.CONCHAS-SPRAY之后,

3、1985年,美国Los Alamos国家实验室推出用于内燃机化学反响流 模拟的大型三维程序 KIVA,它将二维的CONCHAS-SPRAY程序开展成能用相同的模式处 理二维和三维问题的模拟程序,可用来求解二维或三维的非定常多元化学反响流及蒸发性液 体射流问题.它扩充了喷雾模型,可处理喷雾和炭化问题,同时,它采用了音速的方法来提上下马赫数的计算效率.1989年,Anthony A.Amsden等人在KIVA的根底上开发了 KIVA-2程序,该程序在计算效 率、计算精度、物理子模型、使用方便性和通用性方面都有了很大提升,集中表达了美国Los Alamos国家实验室在内燃机燃烧过程多维数值模拟方面的

4、研究工作.KIV A-2程序使用了改良的k-e湍流模型(双方程模型),对缸内湍流进行模拟,并增加了液滴气体动力学破 裂模型,同时还增加了对喷雾与壁面相互作用的模拟.KIVA-2的公式和数学计算过程具有通用性,可用于层流或湍流、亚音速流或超音速流,单相流或扩散两相流,允许燃料种类和化学反响随实际情况而变化.1993年,美国Los Alamos国家实验室在 KIVA-2程序的根底上研制出KIVA-3程序.该程序使用分块结构,可以把许多复杂的几何形状分成简单的块后再拼接起来,因此可以计算非常复杂的几何形状,既节约了存储空间,又提升了计算速度. KIVA-3程序用外表波增长模型 (Surface-Wa

5、ve-Growth Model)取代TAB裂化模型来模拟油束的雾化,使其适用于高气体压力和温度的工况(例如增压),并由单组分燃油向多组分燃油蒸发过渡,以不断完善对喷雾过 程的模拟.1997年3月,KIVA-3的改良版KIVA-3V完成,在该程序中增加了扩展的 Hessel气门模型, 气门可以有各自的升程曲线,气门可以是垂直的也可以是倾斜的.因此 KIVA-3V可以模拟 伴随进排气门运动的气体流动,可以模拟完整的发动机工作循环,涉及气体流动、喷油、传热和废气的生成等,几乎包括了发动机工作过程中的所有物理现象.KIVA-3V的另一特点是增加了油膜流动模型,这扩展了 KIVA-3中的气道喷油和缸内喷

6、油时考虑与壁面相互作用 的情况,它包括喷油附壁、溅射,任意复杂壁面上油膜在空气动力学效应下的流动,油膜和 油膜重新进入气流时的热量和质量的交换.KIVA-3V还增加了混合限制的湍流燃烧模型和碳烟模型,还增加了燃料数据库,其中包括汽油、柴油和酒精等多种燃料.1999年5月,KIVA-3VRel2公布,该版本使发动机模拟程序更加成熟,在此程序中提升了 本身的自我保护功能,通过自动减小时间步长进行自动循环,防止在程序运行中期由于迭代发散和网格单元温度过高温度溢出而使程序运行失败.它完善了流体边界层的厚度模型,在发动机的喷雾研究中,又增加了一个破裂喷雾模型.2001年出现了 KIVA-3V ERC ,

7、它对KIVA-3VRel2进行了一些补充和完善. 迄今为止,从国 际上发表的论文来看,内燃机多维燃烧模拟方面的研究约有80%是利用KIVA系列程序计算的.正因如此,KIVA系列程序得到了越来越广泛的应用.随着 KIVA程序数学模型的逐 步完善,它已经可以用来模拟内燃机的燃烧和排放.目前, KIVA系列程序已进入了一个黄 金开展阶段.在世界各国,许多大学和研究机构以及各大汽车公司都投身于相应的研究之中. 通过内燃机工作过程模拟已经显示出,它不仅是理解燃烧和有害排放物生成的工具,也 可以用于新发动机的设计,在汽车工业中发挥出更大的作用.第二章KIVA-3V程序结构介绍2.1 根本情况KIVA是美国

8、Los Alamos国家实验室推出的用于发动机工作过程仿真计算的程序集的总称.自1985年KIVA程序问世以来,得到了不断的开展和完善,陆续出现了KIVA-2、KIVA-3、KIVA-3V、KIVA-3VRel2和KIVA-3V ERC.目前,KIVA系列程序得到了越来越广泛的应用, 它不仅在美国内燃机的设计和研究上得到了广泛应用,在其他兴旺国家也同样受到重视.在世界各国,许多大学和研究机构以及各大汽车公司都投身于相应的研究之中.目前,KIVA系列程序已进入了 一个黄金开展阶段.2.2 KIVA-3V程序集的结构KIVA-3V程序集的结构如图 2-1所示：KIVA-3V程序集包含前处理K3PR

9、EP、求解器主程 序KIVA-3V和后处理K3POST三局部.图2-1 KIV A-3V程序集结构2.2.1 前处理K3PREPKIVA-3V程序集的前处理程序一一 K3PREP,是一个根本的网格生成器,它可以将形状复杂 的求解区域分成一系列形状简单的块,对每一块划分网格,然后通过块粘接技术再把各个块粘在一起.尽管采用块粘接技术,但K3PREP还是不能生成形状非常复杂的网格.对于一个具有复杂形状燃烧室、气道和气门的柴油机模型来说,如果用 K3PREP生成网格,那么 可能需要一个月甚至更长的时间,而求解器求解可能只需要一两天的时间.并且,这种前处理所需时间和求解器求解所需时间之间的不平衡性会随着

10、模型形状的复杂更加突出.因此, 在过去的几年中,出于利用KIVA处理复杂的发动机模型的需要,专业的网格前处理软件得到了广泛的应用.iprep为前处理程序K3PREP的输入数据文件,其中包含发动机的根本技术参数,如缸径、 行程、余隙等,为生成网格所划分的各个逻辑块的信息,块粘接命令以及生成气门的有关命令等.有关iprep文件中各项的详细说明可参见KIVA-3V使用手册.运行K3PREP将生成一个主程序KIVA-3V可以直接读取的包含网格信息的数据文件itape17,它包括所有网格顶点的坐标x、y、z,网格单元及节点标志F、FV ,六个相邻单元的连接数据,三个单元面的边界数组和一个区域标志数组.2

11、.2.2 求解器(主程序 KIVA-3V )求解由主程序 KIVA-3V完成.KIVA-3V由一个主程序和一系列实现不同功能的子程序组成, 这样便于对程序进行改良和扩充.各个子程序的调用通过外部输入数据文件itape5中的开关变量值由主程序限制,便于实现有或无喷油、层流或湍流、亚音速流或超音速流、各种边界条件等不同任务的切换.为了节省存储空间,尽可能让各变量在需要时才占用存储位置,不被使用时就将其存储位置让给其它变量.此外,程序运行时通过假设干个输出数据文件输出程序运行过程中的监视信息和计算结果.KIVA-3V 有三个输入数据文件：itape17, itape18和itape5.其中itape

12、17为前处理 K3PREP所生成的数据文件；如果模型包括进排气门,那么需要通过itape18来输入气门升程数据,它主要是把气门的升程曲线转化为一系列数据,供主程序调用.itape5主要包括发动机的基本技术参数,初始条件,燃油喷射参数,点火时间(汽油机)、计算公差、仿真起止时间等数据.有关itape5中的各项输入数据的详细说明可参见KIVA-3V使用手册.KIVA-3V主程序运行后输出数据文件有dat.* , plotgmv图形文件,otape9,otape8和otape12五类.dat.*给出随曲轴转角变化的平均性能数据：包括平均气缸压力、温度、体积、密度、质量、喷油数据、湍流数据和动力学数据

13、等.plotgmv图形文件可通过三维可视化图形处理工具 GMV(General Mesh Viewer)来处理,它也是由美国 Los Alamos国家实验室开发的. otape9用于后处理,其中包含气缸中各点的指定曲轴转角的性能数据,它可以通过k2fv转化为Fieldview可以读取的数据文件.otape 8中为重新计算所需的信息.otape12中那么包含发动机相关技术参数、程序运行过程中显示器显示的监视信息、错误信息以及气缸中各种物质组成的相关信息.如果运行失败,可以依据屏幕提示和otape12进行检查和分析,寻找程序运行失败的原因. 2.2.3 后处理(K3POST) 后处理K3POST以

14、KIVA-3V的输出数据文件 otape9及ipost为输入文件,运行后可得 *.ps 文件假设干.*.ps文件的多少取决于ipost文件中的请求.*.ps文件可用CGS(CommonGraphicsSystem)软件来处理,CGS也是由美国Los Alamos国家实验室开发的.本课题利用 Fieldview10.0作为后处理软件,并编制了 otape9与Fieldview10.0之间的接口程序 k2fv ,通 过k2fv将otape9转换为Fieldview10.0能读取的*.uns文件和*.fvp文件,从而制作动画、曲 线图、立体图等. 2.3 KIVA-3V 包括的模型 2.3.1数学模

15、型 在内燃机燃烧过程的数值模拟中,对流体运动(包括层流和湍流)的描述都是基于三条根本的物理原理27 : (1)质量守恒定理；(2)能量守恒定理；(3)动量守恒定理.对所研究的连续 流体对象可以利用不同的方法建立模型进行离散化,常用的建模方法包括有限差分法(finitedifference)有限容积法(finite volume)和有限元法(finite element).KIVA-3V 使用的是有限容 积法.对建立的离散化模型进行数学描述通常需要利用质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及理想气体状态方程.由于内燃机流动问题中包含工质各成分之间的化学反响,限制方程组中还需要有各种化学成分的

16、质量守恒方程,同时在能量守恒方程中也将出现由化学反响引起的源项.另一方面,为了使数值计算得到实现,KIVA-3V程序对N-S方程进行了必要的简化,同时引入了湍流模型.本章常用的向量表示如下：设气缸内任意点的速度为u=u (t,x,y,z) ,v=v (t,x,y,z) ,w=w (t,x,y,z),密度为 k p (t,x,y,z).位移矢量x表示为：x x, yj zk ,其中i、j、k为x、y、z方向的单位 矢量.矢量算子表示为： ,一 j k 0(4-1)速度矢量 u表示为：U u(t,x, y, z)i' v(t,x,y, z)j w(t,x, y, z),其中 t 为时间.(

17、1)质量守恒方程任何流动问题都必须满足质量守恒定律. 该定律可表述为：单位时间内流体微元 体中质量的增加,等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量26.根据这一定律,可以得出质量守恒方程(即连续方程):(mU) D 1)|：,mi(4-2)式中：pm组分 m的密度,kg/m3U流体速度,m/sP总的密度,kg/m3D 质量扩散系数W化学反响引起的源项卜端喷雾产生的源项6Dirac delta 符号所有的组分相加,得到总的质量守恒方程(即连续性方程)：?( u) s(4-3)(2)动量守恒方程动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的根本定律.该定律可表述为：微元体中流体的动量对实践的变化率等于外界

18、作用在该微元体上的各种力之和.由此得出动量守恒方程为：(u)12 s/、-?( u?u) p ?Ao (- k) F g 4-4t3式中：用于低马赫数时的 PGS (Pressure Gradient Scaling方法p流体的压力,Pa粘性应力张量,N/mk湍流脉动动能,kJ/m3g比体积力Fs 由于喷雾引起的每单位体积所获得的动量增量,kg/ (m2s)在层流计算中,A0=.；在湍流计算中,Ao=1.粘性应力张量可以表示为：?u ( ?u)T ?uI(4-5)式中：、 分别为第一、第二粘性系数.上标 T表示转置,I表示单位矩 阵.(3)能量守恒方程能量守恒定律是含有热交换的流动系统必须满足

19、的根本定律.该定律可以表 述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元 体所作的功,由此可以得出能量守恒方程为：(d) p,(1 A.)：» J AoQc Qs (4-6)式中：I 除去化学能的比内能,kJ/kgJ热通量矢量,为热传导和始扩散作用的总和,kJqC 燃烧放热产生的源项Qs 喷雾产生的源项：?u代表粘性应力做功,表示由于流体克服粘性力所消耗的机械 能不可逆的转化热能而消耗掉.p ?u代表流体体积变形时法向力(压力)所作功.(4)湍流方程湍流运动的特征是在运动过程中质点具有不断的互相混掺的现象,速度和压力等物理量在空间和时间上均具有随机性质的脉动值

20、.KIVA-3V程序中提供两类可供选择的湍流模型：标准k-e双方程湍流模型和RNG k- e双方程湍流模型.标准k- £双方程湍流模型标准k- £双方程湍流模型采用两个偏微分方程联立求解湍流动能k和其耗散率e ,如下：+ v piik)二一,十(t：f"十(-)VA /希十 W(2-5)十 (3外二('乙,用 一 + V (&£ +dr3Pr(CfCr ： V w -4 CWf)式中：k 式流动隹,式加,e 濡动能耗散率,m%W1 喷雾相互作用产生的源理.CrCV、G,匕.Pr为常数,它们的伉侪试验和理论研究得 出口； = l.-M. C

21、Z=l62 O-J.、C -1.4, Pr,=lCh Pr =1-RNG k- e双方程湍流模型RNG k- e模型是由 Yakhot及Orzag提出的,该模型中的 RNG是英文“renormalization group 的缩写,有些文献将其译为重正化群,本章直接使用RN原名.RNG k-e双方程湍流模型是在标准k- £双方程湍流模型的根底上改良得到的,RNG k- £双方程模型如下：四肛十 V (网上)=-/»tv- /?£ + W!加3Pr4- + V *= -f - f；-? + - t V W)p图忘(2-6)和33 fp一 £ (台

22、)ye,g(G - rjcr; " 一 r；门/十 U 巾"KC式中：k为湍流动能 kiln3« 为油动能耗融率.人物理意义是：单位蜃成流体做团在单位时间内 由于而通过分广研性所引的不可逆地转化为他般的那 局部淌能,£C、Ct, Pr、门为林数s £；二1一42、=4M £：产LO.Pr =1.0, Pr =1.3 , C = 0炉5 . £ u况二2%)1 +阿4 =比上优组应变率或有平均流时间尺度与湍说L f徐,和/-+ V上加 dlX J/时间尺心之比=y =(2J j;ju,也危-业率让h!<.=用是小也均匀剪

23、切摊的典也值,取为4.阳/ = 0.015 ;尸-1 + lG-n电-】)*广而OG叩V. * I：3 1£>口时,7；削喷雾相M作用产生的谢:项,其物理意义是涡流在喷雾过程中所校 消礼的功.北伯总小赠RNG是一种用于构筑许多物理现象模型的通用方法.它的根本思路是通过在空间尺度上的“粗粒化的描述,从而系列连续变换,对原本十分复杂的系统或过程实现粗分辨率的或使问题得到简化而易于处理.RNG k- £湍流模型具有以下独特的优点：A、RNG湍流模型中不包括任何经验常数和可调节的参数.其模型常数是利用RNG理论精确地推导出来的,因而是通用的,不需要针对特定的问题进行调整或修正

24、.B、RNG湍流模型适用于各种雷诺数范围,包括层流、转换过渡区以及充分开展的湍流,它可以考虑固壁和界面的影响而无须求助于壁面函数之类的经验公式.C、由于RNG模型能较好地反映各向异性和非平衡过程等效应,因而对带有别离、分层、 旋转和冲击等效应的湍流均能做出比拟满意的预测.对于与时间相关的大尺度运动也能给以真实的模拟.D、RNG湍流模型在数值计算上具有较好的稳定性和收敛性,与标准 k-e模型相比,它的 计算量大约只增加10-15%,而计算精度和适用范围却有很大改善,甚至可与雷诺应力模型相比拟,但后者的计算量却是前者的310倍.在空间尺度上的一系列连续变换,对原本十分复杂的系统或过程实现粗分辨率的

25、或“粗粒化的描述,从而使问题得到简化而易于处理.RNG k- £湍流模型具有以下独特的优点 23:A、RNG湍流模型中不包括任何经验常数和可调节的参数.其模型常数是利用RNG理论精确地推导出来的,因而是通用的,不需要针对特定的问题进行调整或修正.B、RNG湍流模型适用于各种雷诺数范围,包括层流、转换过渡区以及充分开展的湍流,它可以考虑固壁和界面的影响而无须求助于壁面函数之类的经验公式.C、由于RNG模型能较好地反映各向异性和非平衡过程等效应,因而对带有别离、分层、 旋转和冲击等效应的湍流均能做出比拟满意的预测.对于与时间相关的大尺度运动也能给以真实的模拟.D、RNG湍流模型在数值计算

26、上具有较好的稳定性和收敛性,与标准 k-e模型相比,它的 计算量大约只增加10-15%,而计算精度和适用范围却有很大改善, 甚至可与雷诺应力模型 相比拟,但后者的计算量却是前者的 310倍.(5)理想气体状态方程理想气体状态方程,在热力学模拟计算过程中起到了重要的作用,在(4-7)(4-8)(4-9)(4-10)KIVA-3V程序中,考虑到缸内气体温度、压力与容积的变化,采用以下方程进 行计算：WmR(T)(-)Im(T)mCp(T)L)Cpm(T)mhm(T) I m(T) R°T/Wm式中：R0 为通用气体常数,kJ/ (kg K)Wm 为组分m的分子量Im(T)为组分m的在温度

27、T下的比内能Cpm(T)为组分m的在温度T定压比热,J/ (kg K)(6)物性参数在KIVA-3V程序中,对相关物性参数采用了如下的方法进行计算：第一粘性系数：(1.0-A0) V0air A0c k2/(4-11)第二粘性系数：A3(4-12)C热传导系数：K (4-13)Pr扩散系数：D (4-14)&为是个输入的常敢；口是一个纤的常数,箕标准值为0345： 用也由SuUierlind公式让兑卜即月4兄喋如 夕紊沛的怙况|<4二-g. 乂流国可以打直击定：PrandtlfllSchiiidt叱pt和Sc,址柏 人的常敢-2.3.2 喷雾模型对燃油喷雾现象的准确描述是内燃机仿

28、真技术的关键之一.目前,在内燃机数值模拟计算中有两种喷雾模型33:连续液滴模型(Continue Droplet Model)CDM 和离散液滴模型(Discrete Droplet Model)DDM . CDM将喷雾体表示成一个连续体,要求在所有的网格中都进行喷雾 方程的计算,需要很多计算时间和很大的存储水平.DDM基于蒙特卡洛法,只处理其中假设干具有代表性的统计样本 (油滴),每个油滴代表一定数目的直径和状态都完全相同的油粒, 对处理喷雾和气体的相互作用是很有效的.在KIVA-3V中,喷雾模型选用离散液滴模型DDM.喷雾的连续分布函数 f通过喷雾的离散分布函数V来逼近：L11每个油滴都由

29、人鼠具有相同的位置引、速度引、粒径小温度Q和振轿参 数匕,%的油粒组成,而喷油器喷射出的所有油滴的性质(粒径、速度、温度、 每个油滴都由大量具有相同的位置、速度、粒径、温度和振荡参 数、的油粒组成,而喷油器喷射出的所有油滴的性质(粒径、速度、温度、喷雾特性等)通 过相应的分布函数的统计抽样来描述.通过计算这些离散油滴与周围气体的质量、动量和能量交换来反响整个喷雾油束的运动.DDM方法在计算油滴轨迹时并未考虑气相湍流脉动的影响.实际上湍流涡团的无规那么运动 必然使油滴在其运动过程中不断受到一种随机的干扰力.由湍流脉动在运动粒子上产生的这种附加的随机运动就是所谓的湍流扩散.柴油机中雾化油滴的直径为

30、几个到几十Mm的量级,湍流扩散对其运动的影响是不能忽略的,这一扩散有时甚至可能完全改变油滴的形状和位置.湍流对油滴扩散作用可用两种方法计算.当时间步长小于油滴的湍流作用时间时,那么在计算两相之间的质量、动量和能量交换时,给当地平均气体速度加上一脉动速度；当时间步长大于湍流作用时间时,湍流引起的液滴位置和速度的变化是根据这些变化量的概率分布 的解析解随机地加以选取.KIVA-3V中对油滴运动的处理除了考虑与周围空气介质的相互作用外,还可以考虑油滴的 破裂、油滴之间的碰撞聚合以及油滴与壁面之间的相互作用.其中油滴破裂和相互碰撞的子模型出现的较早,已经过较长时间的应用和改良,准确性相对较高.而喷雾碰

31、壁模型是 KIVA-3V中刚刚参加的子模型,KIVA-3V的喷雾碰壁模型包括飞溅 splash子模型和油膜film 子模型,用以反响油束碰壁后产生反射油滴二次粒子和壁面油膜的现象.KIVA-3V 中虽然包含喷雾碰壁模型,但还相当不完善.尤其是其中飞溅splash子模型中对反射的二次粒子的速度分布和粒径大小分布的给定缺乏实验验证,而是假定反射后二次粒子的粒径不 变,速度矢量按给定的比例进行衰减,这显然是不符合实际的.2.3.3 碳氢燃料燃烧的化学反响模型对燃料燃烧详细化学反响机理模型的研究开始于上世纪六十年代末,其研究对象从分子结构最简单的燃料开始.1967年,Jenkins等首先对充分混合的反

32、响器中的氢气燃烧的详细模型 进行了研究,Hamilton和Schott对氢气在激波管中燃烧反响的详细机理进行了研究,Dixon发表了关于预混氢层流火焰燃烧详细机理数值模拟的论文.随后,对小分子碳氢燃料燃烧反应机理模型的研究相继大量出现,并对甲烷、乙烷、丙烷、丁烷建立了详细的燃烧机理模型.对于更大分子的烷烧类燃料,其化学燃烧过程变得极其复杂, 反响过程中包含大量的衍生物,对其进行充分地描述将需要上百种成分和上千种化学反响,尽管经过多年的研究,但其中多的根本反响还未了解清楚.由于实际应用的燃料, 如汽油和柴油,是由大量不同分子量的直链烷烧、支链烷烧、 烯煌、环烷煌和芳煌等组成的混合物,而目前对于直

33、链烷煌之外的其它类型燃料分子的高温氧化机理模型的研究相对很少.因此,在大多数的燃烧模拟中对汽油和柴油的燃烧通常采用单步完全氧化的全局反响机理进行描述. 柴油机缸内的流动问题同时包含了化学反响,在柴油机燃烧这样一个复杂的化学反响过程中各种化学反响的速度差异极大,某些化学反响的特征时间与流体流动的特征时间相比非常的小,因此导致限制方程变成刚性方程而难于求解.为了解决这一问题,经常采用的方法是认为快的化学反响的主要作用是使反响趋于平衡,从而假设快速化学反响处于瞬态平衡中. KIVA-3V中解决化学反响问题时也使用了这一假设,并采用了局部平衡法模拟燃料的氧化 和污染物的形成.所谓局部平衡法就是将全部化

34、学反响分为平衡反响和动力学反响两类,前者反响速度很快,可认为总是处于化学平衡状态,如某些组分的离解反响；后者进行较慢, 那么按化学动力学处理,采用 Arrhenius类型的公式计算其反响速率,如燃料的氧化和NO的形成.在计算中对这两类化学反响的处理是有差异的,平衡化学反响的反响速率是根据反响的平衡限制条件隐式给出的,无法直接求解；而动力学化学反响的反响速率是显式给出的, 可以直接求解.为了对平衡化学反响进行求解,KIVA-3V中提供了两种方法,一种是针对碳氢燃料使用的快速解法,另一种是适用于各种反响的通用解法.快速解法其求解速度较快,但是这种方法的求解过程中无法考虑由平衡反响放热所引起的平衡常

35、数的变化,因此计算中将出现温度和反响成份浓度的波动.在通用解法中,采用迭代的方法求解各个反响的反响速率,因此其求解速度较慢,但是这种方法比拟稳定.由于本研究中计算时需要考虑内燃机的排放,而温度的精确求解对排放的计算是非常重要的,因此本研究计算中采用通用解法求解平衡化学反响.2.3.4 NOx生成模型氮氧化合物NOx包才NO和NO2,其中NO是主要成份,在汽油机中NO2/NO仅为1 %2% , 在柴油机中NO2/NO可达10%30%.通常对NOx根据NO进行计算.NO的生成可能有多种机理,目前已确定的有四种：热力NO生成机理、瞬发NOFenimore-NO 生成机理、途经 NO2的NO生成机理和

36、燃料氮 NO生成机理.在某些情况下可能并非其中 的一种机理对 NO的生成起主导作用,而是各种机理对NO的生成都具有不可忽略的奉献.对NO生成的完全描述需要考虑各种生成机理,然而对每种机理的求解都要求在反响体系中参加许多新的化学成份和反响方程,由于在包含化学反响的多维仿真计算中计算耗时与反响体系中包含的成份数的三次方成正比,包含各种生成机理的 NO排放模型将使计算量急剧增加.因此在大多数的实际工程应用中仅考虑热力NO生成机理.KIVA-3V中NOx生成模型也采用热力NO生成机理.热力NO生成机理是研究的最早的 NO生成机理,目前被广泛应 用.它是由Y.B.Zeldovich在1946年提出的,包

37、括如下三个根本反响方程式：/ O.+ 少28.+“二 OAT7+A'2-9川+£勺川0+02-1 0此后,Lavoie等人在研究了 Zeldovich的反响机理后认为,在 NO的生成过程中 OH基对氮 原子的氧化也起了一定作用,故又增加了下面一个反响：由此得到的NO生成机理称为扩展的 Zeldovich机理.此机理中 NO的生成速率表示为：-心应附一心的初十AT44的囱式中i %、小、长八-分别为式.冷."10,11的正向反眼的活化能.3 % 大通 分别为式.口%.-1.,2-11的逆向反响的油化能,式中反响物浓度均为其瞬时平衡浓度.由此可见,利用扩展的 Zeldo

38、vich机理进行NO的生 成速率计算时假设参与此机理反响的各成份在生成NO时处于平衡状态.从式2-9的正向反响可知,由于要翻开N2分子的三价键,所以此反响需要很大的活化能,并且只有在很高的温度下才能到达较高的反响速率.因此该机理被称为热力NO生成机理.由于反响2-9的正向反响速率较小, 而后两个反响中的氮原子主要靠反响 2-9供应,因此反 应2-9限制了这一连锁反响,是整个NO生成的限速反响.由于反响2-9的正向反响活化能 随温度变化很剧烈,所以热力 NO的生成速率对温度很敏感.2.3.5碳烟Soot生成模型柴油机燃烧过程中生成的碳烟是柴油在高温缺氧条件下裂解生成的,但从燃油分子到生成碳烟颗粒

39、整个过程的化学动力学反响及物理变化过程目前还不是十分清楚.一般认为碳烟的生成过程包括碳粒的成核、碳粒的长大以及碳粒的氧化.当燃油喷射到高温环境中时,燃油中煌分子在高温缺氧的条件下发生局部氧化和热裂解,生成各种不饱和烧类, 如乙烯、乙快及其较高的同系物C2nH2和多环芳香煌PAH.它们不断脱氢、聚合成以碳为主的直径2nm左右的碳烟核心.气相的烧和其他物质在这个碳烟核心外表的凝聚,以及碳烟核心互相碰撞发生凝聚,使碳烟核心增大,成为直径2030nm的碳烟基元.最后,碳烟基元经过聚集作用堆积成直径1 m以下的球团状或链状的聚集物.碳烟的氧化贯穿于碳烟生成的整个过程. 柴油机碳烟生成的数据说明,在机内生

40、成的大局部碳烟都在排出以前被氧化掉了.碳烟粒子的氧化反响主要受化学反响动力学限制,而在火焰附近有许多氧化碳烟的物质,如O2、O、OH、CO2和H2O.研究说明在富氧环境下,碳烟的氧化可以以焦石墨氧化为根底的半经验 关系来表示,而在过浓的或接近理论当量比的可燃混合气燃烧火焰中碳烟的氧化主要是通过 与OH反响而不是与 O2反响.尽管碳烟生成的详细机理目前不是十分清楚,但是通过试验已经证实碳烟主要受压力、温度以及混合气当量比的影响.Hiroyasu建立的碳烟模型被广泛应用于多区模拟中,它以燃烧物理化学反响的Arrhenius方程为根底,认为碳烟的生成过程包括碳烟生成和碳烟氧化两个步 骤,碳烟的质量变

41、化率为：i!t ih th式中M代表质量,下标 质量变化率为：(2 U)s、sf、so分别代表净碳烟、生成的碳烟和氧化的碳烟.碳烟生成的(3-13)式也H网油不汽油二,中卜有上F 甘内出人.力位一为匕ar./一博那么晦成的油由佬,逋常&T第OOcd加也n '伴常/.取为T1|内温度r m位为K.碟以设化的3熔与诜率却P-14)加 31 式中求单为小前I'.南打匕11L内加"U二Jj,卑外为强相机比附的他吃,通常£万1胃口箕亡曲LTWh.同卜-经验系数Af、Ao需要通过比照计算结果和试验结果来调整,为了降低同时调整两个经验系数的难度,本文采用NSC(N

42、agle and Strickland-Constable)的碳烟氧化模型来代替 碳烟氧化模型.在NSC的碳烟氧化模型中,碳烟的氧化有两种机理,它们都取决于外表化学反响.Hiroyasu 的碳烟氧化模型认为在碳烟的外表有两种物质,一种是比拟易于发生氧化反响的NSC的A,另一种是不易于发生氧化反响的 B,它们的氧化反响如下:所w碳烟聚楮.而租晌总的瓶域械化率为假设破胡颗粒的球空并n大小一样,财加总的外表积甑r吸表版为$“网；=丝 皿所以碳战伯,；,仃就化率为皿w 广(2-16)我中：M 为蹉奴外的摩尔质量,1也近!Glnp 为碳潮的密度,.公即二方, 力置切的直存,取5仙】.M, 破明吸：/他位

43、为期巴 上内魁气田力,堂也为加T.A二一二Qe印卜3MQ0"N% ,广为:grid carb.或沌cynr'b疣)M* - 4.46* 10_J exp(-1500/(AT)、*位为(gmciLcirbaii/(secat hbai)X , = 1.51 k 1 0 ?3：p( 97000 /1 H'f )111 (1 -i (guicl -carbdii/(se c-cxiiL -b iir )A . = 2 li.：七Hp0 I.0* 再»,1 Ji7 (gm cl -c arb oil/ (st c - cm ' -b ai-J< i?

44、J. 2.-l'. . C213J . dl/的.烟度R"倏拟礁排I的勺成2.4限制方程的离散方法基于守恒方程建立的关于缸内流动、传热、传质以及湍流输运等过程的微分限制方程具有封闭性、非线性、联立耦合性和形式相同性,在一般情况下都不可能用解析法来求解,而必须 首先把微分方程离散成代数方程,再根据初始条件(对非定常问题)和边界条件,用合理的数值计算方法在计算机上进行数值求解.实践说明,对于内燃机中有化学反响的可压缩流体的流动计算,任意拉格朗日欧拉法 (Arbitrary Lagrange-Euler MethodALE)和解压力耦合方程组的半隐式算法(Semi-Implicit

45、 Method for Pressure-Linked EquationsSIMPLE)在对限制方程做离散化处理时表现得更为有效.2.4.1 解压力耦合方程组的半隐式 (SIMPLE)算法解压力耦合方程组的半隐式算法(SIMPLE)是由S.V.Patankar和D.B.Spalding于1972年提出的,它主要用于求解不可压流场,也可用于求解可压流动.SIMPLE法对积分区域的离散化一般采用正交网格系统,特别是正交贴体坐标网格系统,它易于离散根本方程,能适用于具有复杂几何形状的积分区域,能够在近固体壁处布置较密的网格,以适应近避面参数变化较剧烈的要求.时间上采用全隐格式,利用随时间运动的网格技

46、术处理运动边界,计算程序的通用性较高.SIMPLE算法自问世以来,不断地得到改善和开展,其中最著名的改良算法包 括SIMPLEC、SIMPLER和PISO算法.但由于内燃机包括的气道、气门以及燃烧室的形状 复杂,对其进行正交贴体网格生成时,正交性不易满足,计算结果不易收敛.2.4.2 任意拉格朗日一一欧拉 (ALE)法任意拉格朗日一一欧拉法(ALE)是由C.W.Hirt等提出的,它是内燃机中解流动和燃烧问题的LosAlamos国家实CONCHAS ,一类应用广泛的数值方法,对计算区域可采用任意六面体分网格.美国验室进一步开展了该方法,并陆续将其用于内机燃烧模拟的大型计算程序CONCHAS-SP

47、RAY 和KIVA.ALE方法的特点是它采用的网格既不是Euler的固定网格,也不是Lagrange的随流体运动网格,而是既可以象普通的Lagrange方法一样,让网格嵌在流体内和流体一起动,又可以象Euler方法一样,让网格固定.因而它具有一种连续重分网格的水平,即每一步(或者每隔假设干步)根据物质区域的边界构造一个适宜的网格,以防止在严 重扭曲的网格上进行计算,因而很适合于柴油机气缸这类容积不断变化的流动计算区域.KIVA-3V对限制方程的离散如下：(1)时间差分ALE法对限制方程的时间差分采用的是向前差分,即对于任意物理量 Q,它对时间的偏微分项基于ALE方法, 对于每个n到n+1的时间

48、步长,计算是分 A、B、C三个阶段完成的：第一阶段为显式的 拉格朗日计算,网格保持不动；第二阶段是隐式的,它通过一个迭代过程求出压力在本时刻 的新值,进而求出速度的新值；第三阶段,把网格移到新的位置,同时计算对流通量.前两 步属于拉格朗日阶段,第三步是欧拉阶段.ALE法虽然网格的划分比拟随意,但它在时间上是显式的,时间步长受到严格限制,因而计算很费时.(2)空间离散空间差分以ALE方法为根底,用任意六面体构造三维网格单元,利用有限体积法或积分平衡法构造空间差分格式,以最大限度地保持差分方程的局部守恒性.在三维坐标下用一个任意六面体的网格作为限制容积,在每个限制容积内将积分守恒形式的微分方程组离散为差分方程组.通常情况下,网格单元是不规那么的,典型的有限差分单元如图 2-2所示,称为常规 单元.单元在逻辑空间坐标系用第4节点坐标(i,j,k)来代表.第4节点在物理空间直角坐标系中表示为 力胀、丫胀、Zjk),其值随时间变化.定义单元中央为：小垃' .小垃3"物J°口 7A A-1也代表图中的在个仃山,(心, 心,心)为节点Q的物理空间坐标, 旧£说(4*巾,不是质量中央或体积中央,为了计算动量方程,防止差分出现病态,引入节点动量单元的定义.节点动量单元以节点i4 为中央,主要用于对动量方程进行差分.常规单元有