内燃机缸内湍流运动数值模拟研究

1、第15卷(1997)第4期内燃机学报Vol.15(1997)No.4TransactionsofCSICE970055内燃机缸内湍流运动数值模拟研究3沈建平33(中船总七一一研究所)(吴承雄华中理工大学)摘要本文采用k2双方程湍流模型、正交贴体曲线网格,对内燃机气缸内空气湍流运动进行三维数值模拟,采用REZONE技术解决了进气阀与燃烧室凹坑不同偏置问题。与此同时,行了LDV测量,并将测量结果与计算值进行比较,二者吻合良好,和选用的模型是可靠的。关键词:内燃机,湍流,多维模拟,数学模型MlingofTurbulenceinaofIternalCombustionEngineShenJianpin

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

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

4、ombustionengine,Turbulence,Multidimensionalmodeling,Numericalmodel原稿收到日期为1996202214,修改稿收到日期为1996212231。3湖北省自然科学基金资助项目。33中国、上海、邮编200041。1997年10月沈建平等:内燃机缸内湍流运动数值模拟研究399引言在现代内燃机中,特别是中小型高速内燃机,气体流动占有十分重要的地位,它对油气混合、燃烧、火焰传播、爆燃、污染物生成均有极其重要的影响。用数值模拟和实验测量的方法研究缸内空气运动规律,有助于了解流动的某些微观过程,从而为完善内燃机设计、提高发动机效率提供理论指导。7

5、0年代初期以来,国内外许多学者在缸内气体流动方面做过不少工作13,取得了一些研究成果,但是由于缸内流动本身的复杂性,还没达到令人满意的程度,特别是在处理复杂物理区域及相应的边界条件时,一般只处理进气阀和燃烧室凹坑偏心相同的情形3,但实际上二者的偏心是不同的。本文的计算区域采用正交曲线网格离散,减少了边界处理的误差。进气冲程和压缩冲程的计算采用不同的网格系统,ONE技术传递数据,题,使计算更符合实际情况。本文还采用LDV,并与计算结果进行比较,二者吻合得较好。1,将湍流方,在正交曲线坐标下求解Navier2Stokes方程。1.1缸内流动虽然十分复杂,但仍然遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒3大基

6、本定律,在正交曲线坐标系中,控制方程可写成如下的通用形式(包括湍流模型方程):()(1)+vi5hjhk-#5=S5th1h2h3qihiqi式中:5分别为1,v1,v2,v3,k,不同的5对应不同的#5和S5,它们的具体表达式见文献5。内燃机中常用的湍流模型有零方程模型、双方程模型和亚网格尺度模型,本文采用双方程模型。表1为常用的5种双方程模型的总结(参数的意义见文献5)。这些湍流模型分别考虑了不同的侧重点,有一定的精度。经过试算对比,本文决定采用Reynolds模型来模拟缸内湍流,模拟结果是令人满意的。表15种常用双方程湍流模型中的系数研究者WatkinsReynoldsMorlManso

7、urElTahry时间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内燃机学报第15卷第4期1.2计算网格及其变换计算所用的网格为正交贴体曲线网格,用反演的拉氏方程或泊松方程生成。本文所用的两套网格如图1、图2所示。活塞顶平面以上空间的网格在轴向随活塞和进气阀的运动而伸缩,活塞凹坑内的网格跟随活塞运动但不伸缩。伸缩网格在z向作

8、如下变换:当z<zval时,=zvalzpis-zval(2)(3)当zval<z<zpis时,=1+式中:zval和zpis分别是进气阀和活塞顶平面距缸盖底平面的瞬时距离。图1进气冲程计算网格图2压缩冲程计算网格由于活塞顶凹坑与进气阀的偏心不一致,如果同时考虑进气阀凹坑,网格生成十分困难,而且勉强生成的这种网格在活塞接近上止点时轴向正交性变差,因此本文将进气冲程和压缩冲程分别采用不同的网格计算。在进气冲程计算时不考虑凹坑,网格以进气阀中心偏置,而在压缩冲程,网格以凹坑为偏(a)(b)心,这样进气冲程和压缩冲程两套网格不重图3REZONE技术示意图合,要求在下止点时两套网格上

9、的数据重定位,即所谓的REZONE技术。如图3,设A,B,C,D为进气冲程网格节点,P为压缩冲程网格节点。先将A,B,C,D多边形变换到图3b所示的正方形,该变换为)(1-)+xB(1-)+xC)x=xA(1-+xD(1-)(1-)+yB(1-)+yC)y=yA(1-+yD(1-(3)()。将P点坐标(xP,yP)代入,求解下列方程组可得到P在图3b中的位置P,1997年10月沈建平等:内燃机缸内湍流运动数值模拟研究401xP=xA(1-yP=yA(1-)(1-)+xB(1-)+xC)+xD(1-)(1-)+yB(1-)+yC)+yD(1-(4)后,则待求参数5P为求出(,)(1-)+5B(1

10、-)+5C)(5)5P=5A(1-+5D(1-1.3数值方法对于通用方程(1),经过式(2)、式(3)坐标伸缩变换,在112中所述的正交曲线网格中采用控制容积法离散,最后可得如下代数方程:005P=0aE+aW+aN+aS+aT+aB+aP-SPVh1h2h3其中各系数的具体表达式见文献5。文采用SIMPLE法求解,用压力修正方程处理压力耦合5,6。1.4边界处理(6)由于方程组的强烈非线性和各因变量之间的耦合,本进气门处是一个流体进口边界,VEXIT=Vp;。求得EXIT后,在轴向、径向,。活塞动边界在伸缩网格上,对相对速度来说,按固壁边界处理。固壁边界还包括气缸壁,采用对数壁面,5。2计算

11、结果的分析与比较2.1计算条件计算所用的发动机结构与对比测量时所用的发动机是一样的,其参数见表2,燃烧室凹坑、进气阀的偏置见图4,图中A点离气缸中心31.5mm,B,C点离气缸中心10.5mm,为了与实测数据进行比较,A,B,C点位于离缸盖底平面20mm的平面上。表2计算用发动机参数缸径100.0mm行程115.0mm压缩比13.5上止点间隙1.5mm进气阀最大升程10.0mm进气阀直径46.0mm2.2计算结果分析图5、图6分别是进气冲程(90°CA)和压缩冲程(330°CA)时,通过气缸轴线与进气阀中心的平面、气缸轴线与凹坑中心的平面上气流速度矢量分布图。由图中可看出,

12、进气气流以射流形式进入气缸,速度较大。进入气缸的气流沿缸壁向下流动,与活塞顶相碰,速度减小,同时在进气阀盘下方出现明显的回流,这是由于进气喷流绕流阀盘以及喷流与活塞顶相撞反弹而引起的。压缩冲程后期,空气被挤入燃烧室凹坑,图7是上止点时的流场分布,此时由于挤入凹坑的气体增多导致凹坑内局部压力上升,气流在凹坑壁的导向下反窜入活塞上402内燃机学报第15卷第4期部空间,形成类拟的反向挤流,这在图7中可明显看出。图8给出了A点的3个方向速度及湍动能随曲轴转角的变化曲线。从图中可看出,进气冲程开始,3个方向的平均速度都随曲轴转角的增大而增大,基本上在同一个曲轴转角达到最大值(W为反方向最大),随后逐渐减

13、小,并有波动,在压缩冲程后期又有所上升。虽然它们的变化规律基本相同,但变化的历图4进气阀、燃烧室凹坑偏置及A90°CA时缸内流速分布图6330°CA时缸内流速分布图7360°CA时缸内流速分布程、数值的大小都不一样。图中湍动能的变化曲线表明,在进气冲程前半期,湍动能随曲轴转角增大而增大,达到一个峰值后逐渐减小,这是由于在进气冲程前半期,随曲轴转角增大,活塞运动速度增大,进气喷流的速度也增大,喷流引起的剪切和扰动增强,从而使湍动能变大。在压缩冲程后期,由于挤流的影响,湍动能稍有上升。这些规律与实验测量结果是一致的4,5。2.3计算与实验结果的比较在本文的研究中,针对

14、计算的实际情况,还采用激光多谱勒法测量了相应工况下缸内气流平均速度和湍流度,具体方法和结果见文献5。图9、图10分别给出了B,C两点的轴向速度、切向速度的计算值和测量值的对比曲线。由图可知,实验结果和理论计算的速度变化趋势是一致的,其吻合程度是令人满意的。由图也知,计算值比实验值偏小一些,尤其是在进气冲程,其原因主要是实验值的数据处理采用集总平均法,其中不可避免地包含有平均速度的循环间变动,也可能是由于进气冲程湍流各向异性强烈,而模型采用了各向同性的假设,从而引起误差。1997年10月沈建平等:内燃机缸内湍流运动数值模拟研究403(a)切向平均速度(b)径向平均速度(c)轴向平均速度(d)湍动

15、能图8A点平均速度、湍动能随曲轴转角的变化图9B点轴向速度对比图10C点切向速度对比404内燃机学报第15卷第4期3结论(1)用数值方法求解缸内气体流动质量、动量守恒方程,从而得到缸内流场分布的方法是研究缸内流动的一种省时、省力、行之有效的方法。(2)从计算结果可以看到,在进气冲程中,进气阀盘下方存在大尺度回流;在压缩冲程,由于凹坑缩口的影响,缸内出现类似的挤流,特别是在压缩后期,被挤入凹坑内的气体又窜出凹坑,形成反方向的类似挤流。(3)进气冲程前半期,缸内气流速度随曲轴转角的增大而增大,达到峰值后,又逐渐减小;但在压缩后期,由于挤流和反挤流的影响,又稍有上升。缸内湍动能的变化历程与此类似,但它衰减得更快,且在压缩后期其值较小。(4)LDV测量结果与计算值吻合得较好,的,由二者比较可知,计算值偏低,在进气冲程尤其明显,异性及实验数据处理方法导致的。1Go