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

柴油機(jī)缸內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)數(shù)值模擬

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

針對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)氣體流動(dòng)的問(wèn)題，在不影響仿真結(jié)果的情況下，簡(jiǎn)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(guò)FLUENT軟件對(duì)缸內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬與仿真。采用軟件的處理功能以及對(duì)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)模擬，得到了隨著活塞的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，且上止點(diǎn)最大、下止點(diǎn)最小。

缸內(nèi)流動(dòng)FLUENT軟件速度分布?jí)毫α鲌?chǎng)

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(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)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(dòng)參數(shù)對(duì)燃燒品質(zhì)有重要的影響，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)直接影響到內(nèi)燃機(jī)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(yùn)動(dòng)是改善燃燒過(guò)程、提高熱效率和降低排放的有效途徑。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程是多維多相的復(fù)雜瞬變過(guò)程，因此很難對(duì)氣缸內(nèi)的流動(dòng)情況進(jìn)行全面測(cè)量［2］。

本文采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。CFD技術(shù)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法相比在具體操作中更加方便、快捷，同時(shí)也可以得到大量的流場(chǎng)內(nèi)部信息。自從數(shù)值模擬技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，從事相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)就開(kāi)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(dòng)機(jī)研究的主要技術(shù)，并取得了非常好的效果。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展越來(lái)越成熟，缸內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬技術(shù)已成為研究發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要手段，也是發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǎng)的分析對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能具有重要意義［7］。

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

2　　柴油機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算方法

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

在對(duì)氣缸工作過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬之前，必須要對(duì)該內(nèi)燃機(jī)的氣缸建立模型。在建模過(guò)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(duì)實(shí)體的模型進(jìn)行分析后加以簡(jiǎn)化，這樣做不僅節(jié)約時(shí)間，而且還方便后面的分析工作。對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分是進(jìn)行模擬計(jì)算的關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到計(jì)算結(jié)果。通過(guò)數(shù)值計(jì)算中的各種離散方法，把描述連續(xù)流體運(yùn)動(dòng)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(duì)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(jiǎn)化模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分的操作。在建模過(guò)程中，模型中包含有氣缸和燃燒室兩部分。在建模過(guò)程中是越接近實(shí)際模型模擬結(jié)果越準(zhǔn)確，但如果完全按照實(shí)際模型進(jìn)行建模是比較困難的。因此，在建模之前需要對(duì)實(shí)體的模型進(jìn)行分析后加以簡(jiǎn)化，這樣做不僅節(jié)約時(shí)間，而且還方便后面的分析工作。

本文所模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)為G4135型柴油機(jī)，其主要性能參數(shù)參照文獻(xiàn)［9］，見(jiàn)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(dòng)網(wǎng)格的劃分

本文所要模擬的是活塞從上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)再運(yùn)動(dòng)回上止點(diǎn)的過(guò)程，由于發(fā)動(dòng)機(jī)在這一過(guò)程中是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程，所以要應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格模型。邊界的運(yùn)動(dòng)形式可以是預(yù)先定義的運(yùn)動(dòng)，也可以是預(yù)先未作定義的運(yùn)動(dòng)。

網(wǎng)格的更新過(guò)程由FLUENT根據(jù)每個(gè)迭代步中邊界的變化情況自動(dòng)完成。在使用移動(dòng)網(wǎng)格模型時(shí)，必須首先定義初始網(wǎng)格、邊界運(yùn)動(dòng)的方式，并指定參與運(yùn)動(dòng)的區(qū)域。可以用邊界型函數(shù)或者UDF定義邊界的運(yùn)動(dòng)方式。FLUENT要求將運(yùn)動(dòng)的描述定義在網(wǎng)格面或網(wǎng)格區(qū)域上。如果流場(chǎng)中包含運(yùn)動(dòng)與不運(yùn)動(dòng)兩種區(qū)域，則需要將它們組合在初始網(wǎng)格中以對(duì)它們進(jìn)行識(shí)別。那些由于周圍區(qū)域運(yùn)動(dòng)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(dòng)界面功能將各區(qū)域連接起來(lái)。動(dòng)網(wǎng)格的計(jì)算方法有三種，即彈簧光滑法（Spring-base Smoothing）、動(dòng)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(jī)主要性能參數(shù)

圖1　G4135柴油機(jī)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(jiǎn)化模型的操作，同時(shí)利用了FLUENT中自帶的前處理網(wǎng)格軟件Gambit對(duì)畫(huà)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(gè)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的三維缸內(nèi)幾何機(jī)構(gòu)，由一個(gè)圓柱代表缸壁，ω形的運(yùn)動(dòng)壁面代表活塞組成。活塞從上止點(diǎn)（初始曲軸轉(zhuǎn)角為0℃A）不斷向下運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始慢慢進(jìn)氣。當(dāng)?shù)诌_(dá)下止點(diǎn)時(shí)（相應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為180℃A），活塞往回運(yùn)動(dòng)到起始位置，在曲柄角度為720℃A時(shí)完成一個(gè)做功沖程。下面重點(diǎn)分析進(jìn)氣和壓縮過(guò)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(dòng)網(wǎng)格劃分，這時(shí)先要對(duì)網(wǎng)格的Models進(jìn)行非定常的設(shè)置，確定能量選項(xiàng)，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(dòng)網(wǎng)格設(shè)置。

在對(duì)模型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)需對(duì)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(guò)小的網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算機(jī)的軟硬件要求較高。所以，在具體劃分網(wǎng)格時(shí)，要根據(jù)網(wǎng)格質(zhì)量、自己所用的計(jì)算機(jī)的軟硬件能力來(lái)決定網(wǎng)格尺寸的大小。劃分網(wǎng)格后，需要對(duì)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(jī)的四個(gè)沖程過(guò)程非?？?，時(shí)間非常短，故對(duì)所有的壁面采用默認(rèn)的絕熱邊界條件。這簡(jiǎn)化了模型，忽略了柴油機(jī)實(shí)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(shí)際情況。

4　　缸內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)的分析

本文通過(guò)研究?jī)?nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流體的速度流場(chǎng)、壓力流場(chǎng)，來(lái)對(duì)氣缸及燃燒室優(yōu)化改進(jìn)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行分析，并對(duì)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(shí)，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(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，燃燒室形狀開(kāi)始對(duì)流場(chǎng)發(fā)生影響，流場(chǎng)的均勻性遭到破壞，渦流開(kāi)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，如圖所示，以氣缸軸線為對(duì)稱線，其兩側(cè)形成了兩個(gè)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(yùn)動(dòng)紊亂，主渦流不存在，而是由大量隨機(jī)、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(jī)性。

圖4　不同曲軸轉(zhuǎn)角速度矢量圖

（3）360℃A時(shí)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(dòng)方向發(fā)生改變，

圖5　360℃A時(shí)的速度矢量圖和云圖

產(chǎn)生較強(qiáng)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?？拷钊麉^(qū)域，氣流受到擾動(dòng)的程度要小些，速度值相對(duì)較低。

5　　結(jié)論

在發(fā)動(dòng)機(jī)研究的早期，人們對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)氣體的流動(dòng)認(rèn)識(shí)比較少，也不怎么重視，但是隨著各種實(shí)驗(yàn)測(cè)試的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)良好的缸內(nèi)氣體流動(dòng)能夠改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)的各種性能，直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能及排放性能，所以對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)氣體流動(dòng)的研究是非常有必要的。通過(guò)研究?jī)?nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流體的速度流場(chǎng)、壓力流場(chǎng)、溫度流場(chǎng)，來(lái)對(duì)氣缸及燃燒室優(yōu)化改進(jìn)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。本文主要是運(yùn)用了FLUENT軟件模擬仿真方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，燃燒室形狀開(kāi)始對(duì)流場(chǎng)發(fā)生影響，流場(chǎng)的均勻性遭到破壞，渦流開(kāi)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?？拷钊膮^(qū)域，氣流受到擾動(dòng)的程度要小些，速度值相對(duì)較低。

［1］蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2001：100.

［2］張強(qiáng)，王志明.四氣門天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2006，27（1）：29-33.

［3］胡云萍.內(nèi)燃機(jī)機(jī)內(nèi)氣體流動(dòng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2009（6）：5-8.

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

［5］李紹安，蘇萬(wàn)華.內(nèi)燃機(jī)燃燒模型的研究現(xiàn)狀與展望［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，1998（2）：1-6.

［6］王宇琳.柴油機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬［D］.云南：昆明理工大學(xué)，2002：44-50.

［7］王天友，劉大明，沈捷等.內(nèi)燃機(jī)氣道及缸內(nèi)氣體流動(dòng)特性研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29（4）：693-697.

［8］Hirt C W，Amsden A A，Cook J L.An arbitrary Lagrangian Eulerian Computing Method for All Flow Speeds［J］.Journal of Computational Physics，1974，14（3）：227-253.

［9］吳小春.Urea-SCR系統(tǒng)降低NOx的實(shí)驗(yàn)研究.船海工程，2004，（6）：29

［10］朱麗丹，聶宏宇.G4135柴油機(jī)燃燒過(guò)程數(shù)值模擬的研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，21（1）：72.

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(lái)稿日期：2015-07-31

牛彩偉（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒。