利用计算流体力学对柴油机性能 和排放的研究外文翻译资料
2022-09-08 12:54:21
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利用计算流体力学对柴油机性能
和排放的研究
摘要
内燃机中的流体流动是一种最具挑战性的流体力学模型。流量与密度变化有关，我们对详细的流动和燃烧过程的理解是为了提高内燃机的性能和降低其排放并不影响燃油经济性。通过目前的工作模型进行柴油机活塞运动的模拟可以让我们更好地了解缸内气体运动与燃烧过程。这是开发一个空气循环柴油机的排气管理系统所需要的。我们使用计算流体动力学进行了模拟，发现湍流和燃烧过程建模具有相似性，包括喷雾形成，延迟时间，化学动力学和点火装置，模拟结果与实验结果比较相近。该模型证明了在获得详细的气缸内的流动模式时，燃烧过程和燃烧过程中的变化是可知的。结果表明，实验数据超过了预测模型的最大压力峰值的6%。同时研究表明其他发动机参数仿真效果良好，如发动机排放参数，燃料质量分数，总功效，点火延迟时间和热释放速率。
关键词：数值模拟；非定常流动；燃烧；柴油机
1.简介
为满足更清洁，更高效的要求，以迎接未来几年的挑战，需要我们不断加大交通运输行业的研究力度。我们把内燃机的建模作为更有挑战性的流体力学问题的代表之一，是因为缸内气体流动是在很大密度变化中进行的，它有比较高的马赫数，非定常的湍流和非固定的时间。CFD模型的大力开发促进了近年来的发动机的发展。
清洁柴油发动机高燃油效率和低排放的发动机之一，汽车工业对其有一定兴趣。燃烧室流场的关系及其燃料喷雾特征对提高内燃机效率，减少高压直喷柴油机的污染物排放方面起着重要的作用，CFD模拟是获得这些重要过程详细信息的重要工具。在这种情况下，我们需要对超高喷射压力的柴油燃料的喷雾特性进行模拟并在静止恒定容积室中加以验证。我们可以利用这些软件，得到喷嘴出口的速度和质量流量。CFD模型也适用于开放式循环发动机模型，我们可以用它来研究的发动机流场的功能，如漩涡的影响等。
多区直喷（DI）柴油燃烧模型可以进行涡轮增压柴油发动机的全周期仿真。上述燃烧模型考虑的喷雾动力学特点如下：
燃料喷雾的具体演化过程;
缸内涡流在燃烧室的壁面与喷雾的相互作用;
喷雾与壁面碰撞的冲击角和本地涡流速度的函数关系以及近壁流（NWF）的演变;
近壁流区喷雾的形成;
气体和壁面温度对喷雾在NWF区中的蒸发速度的影响。
我们对氮氧化物的计算子模型进行了详细的化学分析，发现有33种基本反应的199种反应物质。在烟灰形成的计算子模型中我们采用模糊学，我们取它的平均直径作为在扩散过程中的分子直径。点火延迟子模型实现了2个效果。第一个是基于常规经验计算方程的计算。第二种计算是综合周边流体对点火延迟影响的相关数据估算。该模型用于高、中速发动机的模拟是数据可靠。实验结果的比较表明理论和实验组的数据相性良好。
通过对化学分离流体动力学计算，非定常小火焰模型允许使用全面的化学机制，其中包括几百个反应。我们有必要去描述发生在直喷发动机的不同的过程，如自动点火，预混阶段，扩散燃烧和排放污染物，如氮氧化物和烟尘。实验结果表明整个燃烧周期（点火延迟、最大压力、扭矩和污染物的形成）的参数的燃料的种类有关，而燃料的预混与污染物排放（NOx和碳烟）有关。通过仿真结果我们可知混合过程的重要性，它影响着烟尘排放量的大小。
由于可用性模型的不断发展，该程序广泛应用在学术界。但是从以往的经验看来它解决复杂的几何形状的能力是有限的。
由洛杉矶国家实验室开发的程序引擎是用来描述在直喷式柴油机替代燃料的燃烧。将菜籽油用于运行在3000转/分钟和50%最大扭矩发动机中，大约连续40个周期后我们得到模拟的结果与实际较为相近。模拟中使用的燃料特性对发动机参数有一定影响。我们用甲基酯和十六烷作为参考燃料。
在改进的CFD代码的基础上结合几种策略代码可以减少柴油发动机的模拟所需的计算时间。我们把改进的代码和计算网格一起使用可以模拟一个重型三菱重工柴油机在一定范围内的负载，燃烧，喷油的效果。通过使用12个处理器和新策略，我们可以将平均模拟时间从60小时减少到1小时。
另一方面，其他商业CFD软件STAR-CD，FIRE，VECTIS 和 FLUENT等由于其优越的网格生成的接口，得到了用户支持。一些科学家结合STAR-CD和KIVA的发动机模拟，他们认为，这将是发动机仿真中将先进的子模型直接转化为一个商业代码的最佳方式。
发动机气缸内的气体运动对内燃机的热效率起着非常重要的作用。优化发动机的设计参数可以使我们对气缸内气体的运动有一个更好的理解。我们已经尝试对燃烧过程中的压缩点火发动机使用计算流体动力学模拟，建立了燃烧过程模型，分析了代码，建立了湍流模型和燃烧模型。
本文介绍了直喷式柴油机燃烧分析子模型的开发与应用。在本研究中，计算流体力学代码，代表我们压燃式发动机燃烧过程中的复杂燃烧现象。我们将建模的结果与实验研究进行了比较，进行了以压力为基础的压力上升率和热释放率的统计。详细讨论了模型结果的燃烧参数。本文提出的结果表明，计算流体力学模型可以是研究内燃机燃烧的可靠工具。
2.目前的工作范围
从前面的讨论中，我们知道了结合三维模型计算缸内流动是柴油机的仿真的强大工具。本次调查的对象为一个三维模型。我们对湍流模型和燃烧模型进行了分析。湍流和燃烧过程的过程是有足够的通用性，包括SP模型射线形成，延迟时间，化学动力学和点火装置。该模型预测，在很宽的范围内的操作条件，在柴油发动机中没有和烟尘排放量。
3.数学预测
3.1网格与边界
在计算流体力学的数学模型时，燃烧室的几何形状近似表示（发动机网格）为边界类型。几何可以使用预处理器如图1。预处理器是用来建立和网格划分模型。
3.2数学模型
内燃机燃烧时的气体流动的物理现象非常复杂，本研究采用FLUENT软件中的拉格朗日方程求解的气相和液相的转变方程。气相控制方程包括质量、动量、能量、湍流方程、化学反应等。液体燃料控制方程包含液滴的能量和喷雾方程等。对于物理边界条件，速度规定在壁湍流的近似速度，温度为气缸头= 490 K，气缸壁= 473 K和活塞及活塞碗= 550 K。程序开始在CA = 239°CA，进气已经关闭为结束。在CA = 469°CA，前排气阀开启。这意味着模拟的燃烧参数与真实燃烧相近。仿真是基于电子试验用柴油机。本模型采用标准k-ε模型求解，采用涡耗散概念。
3.2.1模拟基本流体流动
作为一个开放的热力学系统，我们通常需要模拟发动机的燃烧区域。当气体内的开放系统边界可以假设在每个时间点上，气体的状态和成分随传热，时间转移，跨越边界的质量流量和边界位移变化而变。控制方程是动量方程和能量方程，时间或曲柄角度作为独立变量，这些是基于热力学模型得到的。
连续性方程：
动量方程：
3.2.2热交换模型
能量方程是采取以下形式解决的：
前三个条件的右边方程代表由于物质扩散和粘性耗散能量转移。Sh包括热化学反应和任何其他体积可定义的热源。
3.2.3湍流模型
K-ε模型是最简单的湍流模型，它由两个方程。它是一种半经验的模型,模型的推导方程依靠实验现象和经验公式。
3.2.4燃烧建模
点火/燃烧模型是基于一个修改后的涡流损耗的概念(EDC)并在CFD代码中实现。它可以模仿多个同时发生化学反应,反应发生在体相(体积反应)和/或在墙壁上的表面。守恒方程的一般形式如下:
假定反应发生在小湍流结构,称为小尺度。大部分反应被认为是：
泽尔多维奇机制：
平衡的反应是：
3.2.5发动机点火建模
目前研究自燃模型(Hardenburg模型)是最合适的一个用于模拟直喷柴油发动机。这个点火的输运方程,给出了Yig:
点火延迟时间计算使用Hardenburg和哈斯相关性给出：
3.2.6离散相模型
拉格朗日离散相模型的CFD代码遵循欧拉方法。需要以下公式：
3.2.7喷雾建模
目前在研究的碰撞模型和破裂模型：
3.2.8排放模型
在目前研究的质量输运方程中我们通过考虑对流、扩散、反应生产和消耗的方式计算一氧化氮的量。
模型预测主要的反应中心,然后对这些中心计算烟尘的形成。
4.结果和分析
4.1网格分析
DI柴油机的计算网格是显示在图1。本研究模型构建使用大约200000个非结构化混合细胞类型(六角和四面体)网格划分为两个区。第一个区域是缸区,第二个是碗区。第一个区使用六角形细胞，第二区使用四面体单元如图1所示。在引擎操作中,阀门和活塞移动以模拟电荷与曲柄角阀和活塞的位置。活塞和活塞碗运动决定曲柄转角。模拟从239°CA开始和结束在469°CA。这是一段从进气阀关闭,直到排气阀打开。仿真时间步长是0.5曲柄角度。每台计算机上运行花费12个小时IBM兼容电脑使用四与2 GHz的双核处理器和4 MB缓存和6 GB RAM。模拟使用固定温度边界条件和初始条件。
图1.发动机网格模型 图2.测量和预测缸内压力的比较
图3.在phi;= 0.556(K),CA = 339(最大负载)的 图4.在phi;= 0.556(Bar),CA = 339(最大负载)的
温度分布图 压力分布图
图5.在phi;= 0.556(K),CA = 339(最大负载)的 图6.在phi;= 0.556(Bar),CA = 339(最大负载)的
柴油质量分数图 气体速度矢量图
图7.在不同负载下压力与曲柄角关系图 图8.在不同的负载压力-容积关系图
图9.柴油机燃烧不同时刻的发热率预测图 图10.满载时热释放率和发动机汽缸压力预测图
图11.1500转时的热释放预测图 图12.温度与曲柄转角关系图
图13.不同曲柄转角下排放物浓度的变化图
4.2模型验证
图2显示测量和预测气缸压力的比较。点火模型比例因子针对第一种情况(最大负载模拟),在所有情况下都保持不变(其他负载模拟)。点火点在大多数情况下几乎是不一样的。我们通过CFD测量了峰值压力和燃烧期间产生压力梯度。图3 - 6表示通过CFD我们模拟缸内一系列过程，并得出了温度、压力、燃料质量分数和气体速度的分布情况。
4.3发动机性能
发动机的性能在不同的加载如图7所示。图7显示了预测性能的最大负载到空载。从压力-曲柄角图峰值压力确定在不同的负载开始点火的时间。图9显示预测的热释放率。
曲线准确、清楚地确定不同燃烧区和延迟时间。
延迟时间p-theta;斜率改变确定,如图9所示。图10显示了预测放热以及预测引擎在最大负载压力。从图10中我们可以得到总燃烧期比进气周期更长,同时燃烧率的初始峰值的大小取决于点火延迟期,这意味着增加延迟周期将提高燃烧率峰值。图11所示1500转的发动机加热量，传热和蒸发热的相对大小和净总热释放。放热分析方法用于获取燃烧压力的数据。净热量释放总热释放的差别是由于燃烧的传热和燃油蒸发和升温的影响。
图12显示温度曲柄角图在不同的负载。曲线表明,增加相应的负载增加燃料质量流率增加了燃烧温度。图12显示了空气的温度足够高的压缩燃料液滴的蒸发和点燃进入汽缸。在下方发现燃油喷射曲柄角代表液体燃料(加热)和气缸的空气(冷却)。
4.4排放
发动机的排放主要是碳氢燃料燃烧，燃烧方程和污染物排放模型组成的计算引擎可以解决排放的模拟。目前研究燃烧排放有CO,CO2,NO和烟尘。图13显示残余气体的浓度上升后开始燃烧,高峰时的燃烧气体等效比值变化很大(CO和CO2浓度的最大值)。
随着燃烧气体由于过量空气混合导致其比率变小,NO浓度降低自形成以来就一直稀释导致其发生变慢。
5.结论
本研究的主要结论是:
DI柴油在缸内流体的流动和湍流燃烧过程以及喷雾形成的建模有足够的普遍性。我们通过点火,延迟燃烧和化学动力学的知识充分模拟了发动机循环。
通过比较验证了
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