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1、.专业整理 .燃机工作过程数值仿真 摘要：本文分析了燃机燃烧理论 , 为进行燃机工作过程的数值分析提供了基础 利用 FIRE 软件建立了某型燃机的几何模型以及计算网格模型针对燃机的具体运 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燃机在不同的工况下缸流场和燃烧过程随 曲轴转角的变化。关键词： 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
2、 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 con
3、dition, 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 cranks
4、haft rotation. Keywords: internal combustion engine ;working process; the numerical simulation 1 引言自燃机问世以来 , 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。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燃机行业最迫切要解决的两大主题。为了在保证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 , 就不得不对燃机的燃烧系统不断加以改进 , 重视缸工作过程 的研究 对燃机燃烧学的
5、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 新型燃烧系统燃机对旧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燃机燃烧过程数学模型的建立燃机缸气相流动模型是以经典流体力学可压缩性粘性流体的N 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流动过程12。2.1质量守恒方程组分m的密度表示为m,流体的总密度可以由下式得到：mm(2-1)
6、组分m的连续方程为? mU t? DmmS m1(2-2)式中:D是组分的质量扩散系数；U为速度矢量;m， s分别是化学反应和喷雾产生的源项；mi是克罗可符号（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：Ym ，考虑到所有组分相加得到总流体密度守恒方程为mU(2-3)2.2动量守恒方程流体混合物的动量方程为：?u1(2-4)型? u?u-2 pta式中：p 一为气体的压力,Mpa;A。一在层流计算中,A的数值为O;采用紊流模型时,A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
7、能,KJ /m3g 一.比体积力,假定为常数一为表面力，N/m粘性应力量使用牛顿力学的形式u u T ?u?l（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能形式-? ul P ?u I Ao?J Ao（2-6）t式中：I为除去化学能的比能J 一热通量矢量为热传导和恰扩散的作用的总和J k T D hmm/mT一为流体温度hm 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PRTmm/Wm（2-7）I Tmm/ImT（2-8）Cp Tmm/Cpm T（2-9）hm TI mTRT /Wm（2-10）式中
8、：R0为通用气体常数；Wm为组分m的分子量；ImT为组分m的比能；Cpm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a mp mbmp mmmm代表摩尔组分m;amp、bmp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：2u 1.0 Ao Vo u air第二粘性系数：AaU热传导系数：CpPr扩散系数:D -Sc(2-11)(2-12)(2-13)(2-14)(2-15)Cp是个经验常数，其标准值是0.09; air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
9、固定壁面的速度边界条件可以是：(1) 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17kln ch 8 B12其中,yvair T为基于气体和壁面相对速度V的雷诺数V UWwall k ,可以根据与壁面的距离丫求得;剪切速度,.UCu/4k1/2，B与Cu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,
10、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Red 0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 3 5。 5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
11、、 燃烧过程、膨胀过程。考虑到 当活塞在上、下止点围移动时，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 9。表5.1要计算初始参数和
12、边界条件仿仿真开始角（0CA245仿仿真结束角（0CA440缸缸壁平均温度（K553缸缸盖平均温度（K553活活塞平均温度（K523缸缸初始温度（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围进行。5.3计算结果与数据分析由于车用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130016
13、00160013001300喷油提前角1510152010持续角3636363636工况1工况1下汽缸温度分布如图5一 2中的所示(c) 353 CAV(g)3800CA(h)4000CA(i)4200CA图5 一 2 345 0CA 420 0 CA温度的分布(工况 1)工况2工况2下汽缸温度分布如图5 一 3中的所示(b) 350 CA(c) 360 CA(d) 370 CA(e) 380 CA(f图5 一 3 340 0CA 420 0 CA温度分布(工况2)工况3工况3下汽缸温度分布如图5-4中的所示HHH(d) 360*CA(e) 370 CA(f) 3SO CA图5 一 4 345
14、 0CA 420 0 CA温度分布（工况3）工况4工况4下汽缸温度分布如图5一5中的所示(a) J40*CA(b) 345CA(c) 346CA(d)347*CA(e)348*CA(f)36OC 冉(g)365CA (h)370CA(i)375CA图5 一 5 345 0CA 420 0 CA温度分布(工况4)工况5工况5下汽缸温度分布如图5 一 6所示图5 一 6 340 0CA 420 0 CA温度分布（工况5）曲轴转角(*CA)图5一 7上述5种工况气缸温度、压力和速度变化趋势绘成曲线LSOEOIU6OE-D44 I f 1JL 4UI1P4OO J 1 ndijiI I +V* j S 厂I图5 一 8 NOX的含量与曲轴转角的关系从曲线中可以看出 NOX 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 NOX 越多，从气缸整体燃烧而言 ,
