直噴汽油機缸內瞬態流動特性的模擬研究

劉大明

摘要：本文采用分離渦模擬方法（Detached Eddy Simulation， DES）研究內燃機瞬態缸內流動，并對模擬結果進行了實驗驗證，分析了缸內滾流運動、湍動能的時間演化及空間分布。研究表明， 對于缸內滾流運動，在進氣下止點附近，缸內才形成明顯的大尺度滾流，在壓縮上止點附近，由于活塞的擠壓作用，滾流破碎成小尺度渦團。壓縮后期由于滾流破碎能量加速向小尺度湍流傳遞，湍動能出現第二峰值。進氣沖程在氣門處由于自由剪切作用，導致缸內湍動能大幅升高。氣門關閉后，湍流較強的區域位于缸壁和活塞頂面，由滾流與壁面的剪切作用產生。

Abstract： In this paper， the Detached Eddy Simulation method was introduced into the transient in-cylinder flow simulation of the internal combustion engine. The simulation results were verified experimentally. The tumble flow motion， turbulent kinetic energy and turbulent coherent structure in the cylinder were analyzed. The results showed that for the in-cylinder tumble flow motion， a significant large-scale tumble flow was formed in the cylinder near the BDC of the induction stroke. Near the TDC of compression， the tumble flow was broken into small-scale vortices due to the squeezing effect of the piston. In the later stage of compression stroke， the turbulent kinetic energy showed a second peak due to the acceleration of the tumbling flow breaking energy to the small-scale turbulent flow. During the induction stroke，the turbulent kinetic energy increased significantly near the valves due to the free shearing effect. After the intake valve was closed， the area with strong turbulence was located on the cylinder wall and the top surface of the piston.

關鍵詞：直噴汽油機;缸內流動;分離渦模擬;湍動能分布

Key words： gasoline direct injection engine;in-cylinder flow;detached eddy simulation;turbulent kinetic energy distribution

0 ?引言

對于缸內直噴汽油機，缸內滾流的組織直接影響油氣混合和好壞和燃燒速率的快慢[1]?；诠鈱W發動機的缸內氣流運動的光學診斷實驗研究，難以全面考察缸內氣流運動的特性，因此，數值模擬方法成為內燃機缸內氣流運動研究不可或缺的途徑?；诳臻g過濾的大渦模擬方法（LES，Large Eddy Simulation）能夠對湍流細節和瞬態特性進行捕捉，Reynolds[2]指出大渦模擬可能是模擬往復式發動機缸內流動的最佳途徑。最近一些學者[3-5]將大渦模擬的一種—分離渦模擬DES（Detached Eddy Simulation）方法引入內燃機缸內流動的研究取得了很好的研究結果。本文將DES模型應用到某直噴汽油機缸內瞬態流動的模擬，考察該模型對內燃機瞬態流動的預測能力。

1 ?計算模型建立

1.1 模型參數

數值模擬直噴發動機模型基于自行搭建的直噴汽油機光學測試平臺建立。其主要結構參數如表1所示。

1.2 動網格生成與控制

網格生成時為了適應動網格控制方法和復雜的邊界條件，采用四面體網格，下止點網格如圖1所示。為采用DES模型進行計算，對近壁處網格進行了適當加密，下止點總網格數為119萬（不包括排氣道）。

1.3 邊界條件及計算工況

對比計算了不同湍流模型對瞬態工況下缸內近壁流動的影響，包括大渦模擬的oneEqEddy單方程模型和DES模型，以及雷諾平均的kOmega模型。（表2）

本文將DES模型引入直噴汽油機整個工作循環的瞬態流動大渦模擬，著重于分析瞬態特性，為減小初始條件對計算結果的影響，取排氣中期上止點前90°CA作為計算始點，壓縮上止點為計算終點，進氣上止點定義為0°CA。

2 ?數據處理

采用DES和oneEqEddy模型的大渦模擬結果為瞬態模擬結果，為了與光學發動機平均流場的實驗結果進行對比驗證，采用低通濾波方法將平均流場和湍流脈動流場分開[6]。

3 ?結果分析

3.1 模擬結果驗證及滾流流場演變

圖2為不同曲軸轉角時刻各方向渦團積分長度尺度平均值。可以看到，在進氣階段缸內流動受進氣射流的帶動，流場平均積分尺度較大;進氣后期射流影響減弱流場整體平均尺度明顯下降，壓縮中期大尺度滾流的形成使積分尺度再次增大，壓縮后期則由于滾流的破碎尺度明顯下降。

根據積分長度尺度采用低通濾波就可以將可解湍流成分與平均場分開，進而分析平均流場結構以及湍流強度隨曲軸轉角的變化。

圖3給出了進氣和壓縮階段的流場分布，并在60°CA ATDC時刻給出光學發動機PIV實驗結果用于模型驗證。大渦模擬結果采用低通濾波方法濾掉了流場中的中小尺度隨機渦團。oneEqEddy模型的大渦模擬結果以及kOmega模型的RANS模擬結果僅在60°CA ATDC時刻給出，用于模型對比。

圖3（a）所示60°CA ATDC不同模型計算結果顯示，DES模型得到的流場結構與PIV實驗結果吻合最好，由進氣門上下兩側進入汽缸的兩股氣流在排氣門下方交匯，之后上行在氣缸上部形成左右兩個旋渦，由于拍攝視窗的顯示，實驗結果中未能體現兩個渦的渦心。oneEqEddy模型左側旋渦不明顯，而kOmega模擬結果左側氣流過強，導致氣流交匯位置與實驗結果有一定偏差。另外值得注意的是，模擬結果總體速度與實驗結果相比偏大，原因在于實驗時流場循環變動較模擬結果大，導致集總平均求取的平均流場速度偏小。

隨著活塞下行（如圖3（b）所示），左側氣流明顯增強，在氣缸下部形成較大旋渦，而右側氣流則相對減弱，在靠近右側壁面形成較小的旋渦，同時在進氣門下方也形成一個小渦。此時流場結構較為復雜，雖然已經有大尺度滾流的雛形，但由于右側氣流的干擾仍無法形成明顯滾流。

當越過下止點氣門關閉以后（如圖3（c）所示），缸內形成明顯的大尺度滾流，隨著活塞的繼續上行，滾流更加規則，流場速度略有上升。當活塞到達上止點附近（如圖3（e）所示），大尺度滾流開始破碎成小渦，同時伴隨湍流的增強。

3.2 進氣及壓縮階段流場湍動能變化

圖4給出了缸內空間平均湍動能隨曲軸轉角的變化，圖示湍動能包括兩部分，一部分為大渦模擬可解尺度湍動能，由瞬時場減去平均場得到的脈動場求得，另一部分為亞網格湍動能，直接由亞網格湍流模型求解得到。可以看到，進氣前期（60°CA ATDC左右），湍動能大幅增大，1500r/min時峰值可以達到130m2/s2，之后大幅下降，到進氣后期及壓縮前期達到最低值，壓縮后期再次小幅升高。

湍動能空間分布的變化規律與缸內流動狀態直接相關，如圖5所示，進氣前期由于進氣射流造成的自由剪切作用和壁面剪切導致湍流脈動強烈，氣門閥座處湍動能最高達到500m2/s2。而氣門關閉后，壓縮行程前期，缺少了進氣射流的激勵，缸內湍流強度大幅下降，高湍動能區位于活塞頂面附近，最大值僅有10m2/s2，此時湍流的產生主要是由于滾流與缸壁和活塞頂面的摩擦剪切作用。隨著活塞繼續上行，滾流加速導致湍流有所增大，當到達壓縮后期，滾流破碎，湍流再次加強，在燃燒室中部分布著較高的湍動能。

4 ?結論

本文將DES模型引入內燃機瞬態工況缸內流動模擬，采用光學發動機實驗結果對模擬結果進行了驗證，通過模擬結果分析了缸內滾流運動規律、湍動能變化及其空間分布。主要結論如下：

①對于缸內滾流運動，在進氣階段中前期，在進氣射流的影響下形成一大一小兩個渦團，在進氣下止點附近，缸內才形成明顯的大尺度滾流，在壓縮上止點附近，由于活塞的擠壓作用，滾流破碎成小尺度渦團。

②對于湍動能的變化，進氣前期由于進氣射流的激勵，湍動能大幅增大，之后大幅下降，到進氣后期及壓縮前期達到最低值。壓縮后期由于滾流破碎能量加速向小尺度湍流傳遞，湍動能再次小幅升高。

③對于湍動能空間分布，進氣前期由于進氣射流造成的自由剪切作用導致氣門附近湍流脈動強烈。氣門關閉后，湍流較強的區域位于缸壁和活塞頂面，由滾流與壁面的剪切作用產生。

參考文獻：

[1]Heywood J. B.， Internal combustion engine fundamentals， New York： McGraw-Hill， 1988， 326-365.

[2]Reynolds W. C.， Modelling of Fluid Motions in Engine - an Introductory Overview. In： Combustion Modelling in Reciprocating Engine， New York： Plenum Press， 1980， 41-68.

[3]Hasse C.， Sohm V.， Durst B.， Numerical investigation of cyclic variations in gasoline engines using a hybrid URANS/LES modeling approach， Computers & Fluids， 2010， 39（1）： 25-48.

[4]Hartmann F.， Buhl S.， Gleiss F.， et al， Spatially Resolved Experimental and Numerical Investigation of the Flow through the Intake Port of an Internal Combustion Engine， Oil & Gas Science and Technology – Revue d’IFP Energies nouvelles， 2016， 71（1）： 2.

[5]Buhl S.， Dietzsch F.， Buhl C.， et al， Comparative study of turbulence models for scale-resolving simulations of internal combustion engine flows， Computers & Fluids， 2017， 156： 66-80.

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