柴油機缸內(nèi)瞬態(tài)流場數(shù)值模擬

牛彩偉，朱翰怡，高沙沙（.中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，太原03005；.長城汽車股份有限公司，保定07000）

柴油機缸內(nèi)瞬態(tài)流場數(shù)值模擬

牛彩偉1，朱翰怡1，高沙沙2
（1.中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，太原030051；2.長城汽車股份有限公司，保定071000）

針對柴油機缸內(nèi)氣體流動的問題，在不影響仿真結(jié)果的情況下，簡化氣缸模型，并且進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后把劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到FLUENT中，通過FLUENT軟件對缸內(nèi)瞬態(tài)流場進(jìn)行了模擬與仿真。采用軟件的處理功能以及對動網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用，對發(fā)動機缸內(nèi)流場進(jìn)行瞬態(tài)模擬，得到了隨著活塞的上下往復(fù)運動，缸內(nèi)速度分布受燃燒室形狀影響較大，以及缸內(nèi)壓力呈現(xiàn)周期性變動，且上止點最大、下止點最小。

缸內(nèi)流動FLUENT軟件速度分布壓力流場

1　　前言

隨著排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格和能源的日益緊張，對內(nèi)燃機燃燒過程的合理組織也顯得尤為重要［1］。燃燒系統(tǒng)內(nèi)氣體的流動參數(shù)對燃燒品質(zhì)有重要的影響，缸內(nèi)氣流運動直接影響到內(nèi)燃機的燃燒效率與排放指標(biāo)，合理組織進(jìn)氣、壓縮和燃燒階段的氣流運動是改善燃燒過程、提高熱效率和降低排放的有效途徑。發(fā)動機的工作過程是多維多相的復(fù)雜瞬變過程，因此很難對氣缸內(nèi)的流動情況進(jìn)行全面測量［2］。

本文采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對內(nèi)燃機缸內(nèi)流動過程進(jìn)行仿真計算和分析。CFD技術(shù)與傳統(tǒng)的實驗方法相比在具體操作中更加方便、快捷，同時也可以得到大量的流場內(nèi)部信息。自從數(shù)值模擬技術(shù)出現(xiàn)以來，從事相關(guān)研究的機構(gòu)就開始將數(shù)值模擬技術(shù)和缸內(nèi)可視化技術(shù)作為發(fā)動機研究的主要技術(shù)，并取得了非常好的效果。隨著計算機的發(fā)展越來越成熟，缸內(nèi)流場的數(shù)值模擬技術(shù)已成為研究發(fā)動機性能的重要手段，也是發(fā)動機領(lǐng)域最流行的研究方法之一［3-6］。因此，氣缸內(nèi)瞬態(tài)流場的分析對于提高發(fā)動機的性能具有重要意義［7］。

從20世紀(jì)70年代起，大量對內(nèi)燃機缸內(nèi)氣體流動的數(shù)值模擬的研究工作開始在國外開展，取得了不小的進(jìn)步，多維數(shù)值模擬的研究經(jīng)過了多年的努力已經(jīng)從以前單純的缸內(nèi)流動模型發(fā)展到氣道-氣門-氣缸系統(tǒng)流動模擬，由簡單的幾何模型發(fā)展到實際的復(fù)雜模型。流動分析計算精度逐步提高，更加符合實際效果［8］。

2　　柴油機缸內(nèi)流場的計算方法

Hirt等提出的ALE法是一種求解控制流體運動N-S方程的通用算法，這種網(wǎng)格可按規(guī)定速度任意運動，而且所采用的網(wǎng)格單元可以是任意四邊形。以上這兩個特點特別適用于求解內(nèi)燃機氣缸這類幾何形狀不規(guī)則、而容積又不斷變化的流動問題［3］。

在對氣缸工作過程進(jìn)行數(shù)值模擬之前，必須要對該內(nèi)燃機的氣缸建立模型。在建模過程中，模型中包含有氣缸和燃燒室兩部分。因此，在建模之前需要對實體的模型進(jìn)行分析后加以簡化，這樣做不僅節(jié)約時間，而且還方便后面的分析工作。對模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分是進(jìn)行模擬計算的關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到計算結(jié)果。通過數(shù)值計算中的各種離散方法，把描述連續(xù)流體運動的控制偏微分方程離散成代數(shù)方程組，利用線性代數(shù)的方法對該代數(shù)方程組進(jìn)行迭代求解。

3　　氣缸模型的建立和網(wǎng)格的生成

3.1幾何模型的建立

本文利用Gambit軟件簡化模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分的操作。在建模過程中，模型中包含有氣缸和燃燒室兩部分。在建模過程中是越接近實際模型模擬結(jié)果越準(zhǔn)確，但如果完全按照實際模型進(jìn)行建模是比較困難的。因此，在建模之前需要對實體的模型進(jìn)行分析后加以簡化，這樣做不僅節(jié)約時間，而且還方便后面的分析工作。

本文所模擬的發(fā)動機為G4135型柴油機，其主要性能參數(shù)參照文獻(xiàn)［9］，見表1，燃燒室結(jié)構(gòu)圖參照文獻(xiàn)［10］。利用軟件建立氣缸及燃燒室的集合體，建立的燃燒室模型如圖1所示。

3.2動網(wǎng)格的劃分

本文所要模擬的是活塞從上止點運動到下止點再運動回上止點的過程，由于發(fā)動機在這一過程中是一個瞬態(tài)過程，所以要應(yīng)用動網(wǎng)格模型。邊界的運動形式可以是預(yù)先定義的運動，也可以是預(yù)先未作定義的運動。

網(wǎng)格的更新過程由FLUENT根據(jù)每個迭代步中邊界的變化情況自動完成。在使用移動網(wǎng)格模型時，必須首先定義初始網(wǎng)格、邊界運動的方式，并指定參與運動的區(qū)域。可以用邊界型函數(shù)或者UDF定義邊界的運動方式。FLUENT要求將運動的描述定義在網(wǎng)格面或網(wǎng)格區(qū)域上。如果流場中包含運動與不運動兩種區(qū)域，則需要將它們組合在初始網(wǎng)格中以對它們進(jìn)行識別。那些由于周圍區(qū)域運動而發(fā)生變形的區(qū)域必須被組合到各自的初始網(wǎng)格區(qū)域中。不同區(qū)域之間的網(wǎng)格不必是正則的，可以在模型設(shè)置中用FLUENT軟件提供的非正則或者滑動界面功能將各區(qū)域連接起來。動網(wǎng)格的計算方法有三種，即彈簧光滑法（Spring-base Smoothing）、動態(tài)層技術(shù)（Dynamic layering）和局部網(wǎng)格重劃法（Local remeshing）。

表1　G4135型柴油機主要性能參數(shù)

圖1　G4135柴油機氣缸及燃燒室的集合體

在不影響仿真結(jié)果的前提下進(jìn)行了簡化模型的操作，同時利用了FLUENT中自帶的前處理網(wǎng)格軟件Gambit對畫出的模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，是四面體網(wǎng)格，劃分好的網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2　　網(wǎng)格模型圖

本文采用了一個經(jīng)過簡化的三維缸內(nèi)幾何機構(gòu)，由一個圓柱代表缸壁，ω形的運動壁面代表活塞組成。活塞從上止點（初始曲軸轉(zhuǎn)角為0℃A）不斷向下運動，開始慢慢進(jìn)氣。當(dāng)?shù)诌_(dá)下止點時（相應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為180℃A），活塞往回運動到起始位置，在曲柄角度為720℃A時完成一個做功沖程。下面重點分析進(jìn)氣和壓縮過程，曲柄角范圍為0℃A到360℃A。將得到的模型網(wǎng)格導(dǎo)入到FLUENT中進(jìn)行動網(wǎng)格劃分，這時先要對網(wǎng)格的Models進(jìn)行非定常的設(shè)置，確定能量選項，設(shè)定k-ε的湍流模式，湍流設(shè)置為理想氣體。在Dynamic Mesh中的Zones中進(jìn)行動網(wǎng)格設(shè)置。

在對模型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分時需對網(wǎng)格的大小進(jìn)行設(shè)置。網(wǎng)格的尺寸越小，劃分的網(wǎng)格質(zhì)量就越高，但過小的網(wǎng)格尺寸對計算機的軟硬件要求較高。所以，在具體劃分網(wǎng)格時，要根據(jù)網(wǎng)格質(zhì)量、自己所用的計算機的軟硬件能力來決定網(wǎng)格尺寸的大小。劃分網(wǎng)格后，需要對缸體的邊界進(jìn)行劃分。

3.3邊界條件

邊界條件的部分參數(shù)設(shè)定按表1所示。在本模型中不是嚴(yán)格絕熱，由于柴油機的四個沖程過程非常快，時間非常短，故對所有的壁面采用默認(rèn)的絕熱邊界條件。這簡化了模型，忽略了柴油機實際工作中排氣門以及活塞表面的溫度比進(jìn)氣溫度高的這種實際情況。

4　　缸內(nèi)瞬態(tài)流場的分析

本文通過研究內(nèi)燃機缸內(nèi)流體的速度流場、壓力流場，來對氣缸及燃燒室優(yōu)化改進(jìn)和發(fā)動機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行分析，并對其今后的研究和發(fā)展提供了一定的理論依據(jù)。

4.1不同曲軸轉(zhuǎn)角速度圖

（1）不同曲軸轉(zhuǎn)角速度流線圖如圖3所示。由圖中可知，在曲軸轉(zhuǎn)角為180℃A時，缸內(nèi)渦流和湍流分布基本均勻，渦流進(jìn)一步發(fā)展，但變化緩慢。當(dāng)活塞向上止點運動時，燃燒室形狀開始對流場發(fā)生影響，流場的均勻性遭到破壞，渦流開始加劇，形成大的旋流。從圖中可以明顯看出，由于旋流產(chǎn)生的離心力的作用、活塞運動引起壓縮及活塞頂與缸頭之間產(chǎn)生的擠流的相互作用而在燃燒室中形成的幾個漩渦，較好地表現(xiàn)出擠流和旋流在燃燒室內(nèi)形成的渦流。最后當(dāng)活塞運動到下止點時，如圖所示，以氣缸軸線為對稱線，其兩側(cè)形成了兩個較為明顯的滾流。

圖3　　不同曲軸轉(zhuǎn)角速度流線

（2）不同曲軸轉(zhuǎn)角速度矢量圖，如圖4所示。從270℃A圖可知，缸內(nèi)氣流運動紊亂，主渦流不存在，而是由大量隨機、旋轉(zhuǎn)方向各不相同的小渦流組合而成，這進(jìn)一步顯示了缸內(nèi)湍流的瞬變性和隨機性。

圖4　不同曲軸轉(zhuǎn)角速度矢量圖

（3）360℃A時的速度矢量圖和云圖如圖5所示。從圖中可知，隨著曲軸轉(zhuǎn)角增大，逐漸靠近壁面，待與壁面發(fā)生撞擊后，其流動方向發(fā)生改變，

圖5　360℃A時的速度矢量圖和云圖

產(chǎn)生較強的剪切氣流，所以壁面附近的速度要高于氣缸中心區(qū)氣流速度。靠近活塞區(qū)域，氣流受到擾動的程度要小些，速度值相對較低。

5　　結(jié)論

在發(fā)動機研究的早期，人們對于發(fā)動機氣缸內(nèi)氣體的流動認(rèn)識比較少，也不怎么重視，但是隨著各種實驗測試的進(jìn)步，實驗人員發(fā)現(xiàn)良好的缸內(nèi)氣體流動能夠改進(jìn)內(nèi)燃機的各種性能，直接影響著發(fā)動機的動力性能、經(jīng)濟性能及排放性能，所以對內(nèi)燃機缸內(nèi)氣體流動的研究是非常有必要的。通過研究內(nèi)燃機缸內(nèi)流體的速度流場、壓力流場、溫度流場，來對氣缸及燃燒室優(yōu)化改進(jìn)和發(fā)動機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。本文主要是運用了FLUENT軟件模擬仿真方法對發(fā)動機的缸內(nèi)瞬態(tài)流場進(jìn)行了模擬仿真，得到了如下結(jié)論：

（1）在壓縮沖程初期，缸內(nèi)渦流和湍流分布基本均勻，渦流進(jìn)一步發(fā)展，但變化緩慢。當(dāng)活塞向上止點運動時，燃燒室形狀開始對流場發(fā)生影響，流場的均勻性遭到破壞，渦流開始加劇，形成大的旋流。

（2）壁面附近的速度要高于氣缸中心區(qū)氣流的速度。靠近活塞的區(qū)域，氣流受到擾動的程度要小些，速度值相對較低。

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［4］馬鋼.CFD在內(nèi)燃機中的應(yīng)用［J］.太原科技，2008 （11）：81-85.

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The Transient Flow Field Simulation in the Diesel Engine Cylinder

Niu Caiwei1，Zhu Hanyi1，Gao Shasha2
（1.School of Machinery and Power Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Great Wall Motor Co.，Ltd.，Baoding 071000，China）

This paper aiming at the problem of gas in cylinder of diesel engine，simplifies cylinder model based on without affecting the simulation results.At the same time，the good grid model is imported into the FLUENT software by which simulates the transient flow field in cylinder.Using the software processing functions and the application of dynamic grid technique，it simulates the flow field inside the engine cylinder transient.At last，as the piston reciprocating motion up and down，Cylinder velocity distribution is influenced by the shape of the combustion chamber and the pressure flow changes cyclically，with the maximal TDC as well as minimal BDC.

flow in cylinder，F(xiàn)LUENT software，velocity distribution，pressure flow

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.007

來稿日期：2015-07-31

牛彩偉（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向為發(fā)動機缸內(nèi)燃燒。