基于CONVERGE 軟件的發動機燃燒室模型構建

林 煜

（福建船政交通職業學院 汽車運用工程系，福建 福州 350007）

前言

隨著計算機技術的快速發展，制造工業已經開始從原始的純機械技術走向數字控制、精確計算的智能時代，發動機的研發也邁入了計算機技術輔助設計、制造的時代。目前，計算流體動力學（CFD）以電子計算機為工具，應用各種離散化的數學方法，對流體動力學的各類問題進行計算機模擬，逐步成為發動機燃燒領域一個不可替代的工具。目前我們所熟知的市場上比較流行的商業CFD 軟件有比較多，常見的比如Fluent、ABAQUS、KIVA、AVL FIRE、Converge 等。

本文對發動機缸內燃燒過程的計算機分析運用了由美國Convergent Science Inc.開發的通用三維CFD 軟件Converge 2.2 版本[1]。

本軟件成功地解決了CFD 領域中非常棘手的動網格問題，完全自動化的網格生成能適合于從簡單到非常復雜的所有幾何模型，這不僅消除了網格劃分的時間，而且極大地提高了軟件的使用效率。

1 發動機氣缸燃燒室模型構建

在使用Converge 軟件進行仿真的第一步就是先構建發動機氣缸的燃燒模型。

首先，根據試驗的SL4108ZLQ 柴油機說明書上氣缸的尺寸在三維制圖軟件上畫出氣缸的三維圖，之后將三維圖導入Converge 軟件。以下為發動機各項參數：

表1 SL4108ZLQ 柴油機參數

在將三維圖導入Converge 軟件之后，通過三維制圖軟件自帶的數據轉換接口，將實體模型轉化成STL 格式輸出，并導入到Converge 中。

圖1 燃燒室模型

圖2 燃燒室網格模型

計算模型基礎網格采用4mm，計算區域由活塞上表面、氣缸壁和缸蓋底面所圍成區域組成，計算時刻并不是整個四沖程的循環，而是進氣門關閉到排氣門開啟之間（-132°CA至126°CA）。至于網格劃分，Converge 這款軟件的優點之一就是可以自動劃分網格。Converge 中的網格自適應技術、處理復雜幾何模型和移動邊界的能力以及豐富的噴射和燃燒模型，也使其成為模擬天然氣─柴油雙燃料發動機工作過程最理想的工具。

2 燃燒室各模型選擇

在Converge 燃燒仿真中，需要選擇湍流、液滴和燃燒模型，選擇合適的模型會使得仿真結果更加接近真實值。

2.1 燃燒室中湍流模型

湍流模型本文選用得是雷諾平均法RANS（Reynolds Averaged Navier-Stokes）。RNG（RNGκ-ε）方法的基本思想是通過在空間尺度上一系列連續的變換，對本來非常復雜的系統或者過程實現粗辨別率或“粗?；钡年U述，簡化問題，使其更容易得到解決。

在雷諾平均法中，RNGκ-ε 模型在內燃機流暢結構、傳熱及燃燒排放物預測方面比標準κ-ε 模型更接近實測值，所以本文中湍流模型選擇為RNGκ-ε 模型。

圖3 湍流模型的分類

2.2 燃燒室中液滴模型

Converge 中液滴模型包含液滴破碎模型、液滴碰撞模型和液滴蒸發模型。

雙燃料發動機中，引燃柴油的作用是作為點火源，點燃作為主要燃料的混合氣，為天然氣與空氣的混合氣燃燒提供點火能量。雖然引燃柴油的質量并不是很多，但是，引燃柴油的霧化程度將會影響缸內火焰傳播速度和燃燒質量，因此噴霧模型的選擇對于雙燃料發動機的缸內燃燒顯得非常重要。

Converge 中自帶的液滴破碎模型有KH（Kelvin-Helm-holtz）模型、RT（Rayleigh-Taylor）模型、KH-RT 混合模型、KH-ACT 模型和TAB（Taylor Analogy Breakup）模型。

本文選用的液滴破碎模型為修正KH-RT 模型，由KH 模型控制初次破碎，并在此過程中產生自液滴；后續液滴破碎則由KH 與RT 模型競爭機制決定。因為KH─RT 混合模型同時考慮KH 與RT 兩種模型的機制，既考慮氣液流體相對運動以及粘性力作用，又考慮基于離散液滴的分裂霧化，在氣液界面的法向存在由于兩相之間密度的巨大差別而產生慣性力，引起的擾動波的影響。KH-RT 噴霧破碎模型的后續霧化于其他幾種模型。這是由于KH-RT 噴霧破碎模型噴霧貫穿距高，霧化效果更好[2]。

圖4 KH─RT 噴霧破碎模型示意圖

據KH-RT 噴霧破碎模型示意圖，KH-RT 模型假定液滴氣泡初始直徑與噴射器噴嘴相同，在這模型中，KH 模型在特征破碎距離內發生作用，而在特征破碎距離以外，KH 和RT 才開始共同作用。

本文選擇的修正KH-RT 模型就是將液滴破碎細分為初次破碎和二次破碎，由KH 模型控制液滴的初次破碎，并在此過程中產生子液滴，子液滴的再次破碎被形容為二次破碎，二次破碎則由KH 與RT 模型競爭機制決定。

雙燃料發動機引燃柴油的噴射是在密閉的、狹小的缸內完成的，而由于空間的限制，柴油液滴之間不可避免的會因為相對運動而產生相互之間的摩擦和碰撞，我們稱此現象為液滴碰撞現象。

關于液滴的碰撞仿真，目前普遍采用的是O’Rourke 創立的統計模型，本文也選擇這個被廣泛應用的液滴碰撞模型。該模型對液滴碰撞的仿真結果是根據Brazier-Smith 的水滴碰撞結果，并且簡化了碰撞結果，只考慮了聚合與摩擦分離兩種可能。

當燃油噴入到模擬的計算域中時，需要通過構建計算模型將液體轉換為氣體蒸汽。蒸發模型則同樣選擇被多篇論文中采用的Frossling 算法模型。

2.3 燃燒室中燃燒模型

天然氣混合氣在雙燃料發動機燃燒過程屬于預混合燃燒，本設計方案中，天然氣和空氣在進入氣缸前就已經在進氣道混合完成，在Converge 自帶的燃燒模型中，SAGE 化學求解模型和G-Equation 燃燒模型能夠模擬預混合燃燒模型。

本文的燃燒模型選用的是SAGE 化學求解模型，該模型允許用戶將CHEMKIN 輸入文件與詳細化學動力學原理相結合運用到發動機的燃燒模擬中，形成一套標準的化學機理文件。Converge 中已經導入了求解的必要程序，因此可以免除安裝求解器的過程。SAGE 與AMR（自適應網格）相結合，可以很好的預測許多燃燒現象，如點火、預混合、混合氣的控制等。

有研究表明[3-4]，基于Converge 的SAGE 燃燒模型，通過軟件數值模擬得到的火焰形狀以及溫度場的分布情況相比于實驗結果比較準確，火焰中心溫度要比火焰邊緣的溫度略低，因此本文認為SAGE 燃燒模型可以準確預測天然氣─柴油雙燃料發動機缸內的燃燒過程。

2.4 排放模型

Converge 在排放方面提供了碳煙（soot）和氮氧化物（氮氧化物）的子模型，其他排放物，如一氧化碳、一氧化碳、未燃碳氫化合物等，也可以通過調用Converge 中的“mech.dat”文件，再結合部分被激活的燃燒模型計算得出。

碳煙是柴油機的一個很重要的污染排放，碳煙的生成量可以分析雙燃料發動機的引燃柴油的噴射量。

氮氧化物是近年來十分被重視的污染物，氮氧化物的生成量可以分析氣缸內燃燒的溫度和氧氣濃度。

本文分析排放是直接從Converge 輸出的文件里調出“emissions.out”文件來獲得各個排放物隨著曲軸轉角的變化所生成的質量。

3 初始和邊界條件

在Converge 的仿真開始之前，要對已經構建的計算模型進行初始條件和邊界條件的設定，使得構建的計算模型能夠比較準確模擬發動機的實際工作情況。下表給出了本次計算模型的初始和邊界條件。

表2 計算模型初始和邊界條件

4 燃燒模型驗證

為驗證所構建的燃燒模型的可行性，在沒有燃燒分析儀支持的條件下，我們通過同工況下的相關仿真結果和實際臺架實結果的一致性來驗證燃燒模型的有效性和可行性。

在25%油門開度1300r/min 的工況點進行仿真計算，并和實驗數據進行對比分析。

圖5 示功圖

由圖5 可以計算出曲線圍成的單缸每循環指示功為996.3W，根據功率的計算公式：

通過公式（1）可以算出仿真計算出柴油機單缸的功率為12.45kW，四缸的指示功率就是49.8kW。而實驗測得的同等工況下的有效功率為48.34kW。有效功率是指示功率扣除機械損耗之后的功率，由于臺架實驗測功機與發動機通過聯軸器直接相連，機械損耗只有發動機內部的一小部分摩擦等損耗。因此在論文中看作兩者近似相等。因此，可以認為在動力性上，Converge 軟件的仿真結果是準確的。

圖6 碳氫化合物排放

排放的比較本文選取雙燃料發動機里十分典型的排放物，碳氫化合物。根據實驗數據，該工況下碳氫化合物的排放為93ppm，根據反應前后質量守恒的原則，可以通過噴入氣缸的柴油量、天然氣量和進入的空氣大致計算出試驗所得的碳氫化合物質量為0.124g，仿真計算的結果為0.112g。從試驗數據和仿真計算結果對比可以得到，兩者之間的結果誤差在10%以內。考慮到仿真時本文選擇的計算模型并不是最精確的計算模型，而且仿真必定有誤差的存在。因此，認為碳氫化合物的排放結果是準確的。

還有碳氧化合物以及氮氧化物等排放，通過比較，發現仿真計算的數值和試驗值相差在10%以內，因此認為燃燒室的仿真模型是合理和有效的。

5 總結

本文構建了發動機氣缸的燃燒室模型，并且在其它計算模型的子模型里通過分析以及查看其它國內外的文獻資料，對比文獻資料里的發動機各項參數，為本文選定了湍流、液滴和燃燒三個模型以及初始條件和邊界條件。

根據理論計算的天然氣噴氣量和試驗數據中動力性接近單燃料模式下的天然氣噴氣量進行對比，選定仿真計算時天然氣進氣量的計算方法，并進行了實驗驗證仿真模型的準確性，為之后需要的仿真計算和分析打下理論基礎。