4气门柴油机进气及喷雾过程的大涡模拟研究

周 磊，徐春龙，柳 贺，韩 君

（1 中国北方发动机研究所，山西 大同037036；2 中北大学 机电工程学院，山西太原030051）

内燃机气缸内空气运动对混合气的形成和燃烧过程有着决定性的因素。在实际发动机的进气过程和燃油喷雾的混合气形成过程中，气缸内存在着旋流、挤流和滚流等湍流运动，使流场结构和湍流特性更加复杂。为了深入研究柴油发动机气缸内的流动。混合气的形成过程，全世界的研究者开展了大量的试验和理论研究工作，计算流体力学在其中发挥了非常重要的作用。在传统的内燃机湍流数值研究中，常用的模型雷诺平均（RANS）的方法。但是，雷诺平均方法抹去了所有涡团所产生的时间上的脉动值，从而丢失了大量信息。因此，RANS不是理想的模拟内燃机气缸内流动的方法。Reynlods指出大涡模拟（LES）可能是模拟往复式发动机燃烧过程的最佳途径，大涡模拟作为湍流数值模拟的下一代工程方法已经得到了广泛认可。

LES是对流场采用滤波的方法消除湍流流动中的小尺度脉动，也就是采用滤波函数对湍流的控制方程进行滤波，从而把流场中的量分为大尺度量（可解尺度量）和小尺度量（亚网格尺度量），大尺度量进行直接计算三维湍流方程，将小尺度脉动对大尺度运动的作用建立模型来求解。近年来，各国学者日益增多的在内燃机研究中采用大涡模拟的方法。Naiton等人［1］是最早（1992）将LES应用于发动机气缸内湍流的研究者，他们对1台4冲程发动机中的流动过程进行了完整的LES计算。美国乔治亚州理工学院的CCL实验室［2］在大涡模拟计算和应用方面进行了大量的研究。Menon等将LES应用于直喷式火花点燃发动机中（DISI），对若干个循环进行了模拟以获得平均参数，更精确的显示了模拟结果。国内解茂昭课题组对发动机中的进气过程及燃油喷雾过程进行了大量的数值研究。

本文基于KIVA－3V源程序基础上，通过修改其中部分子程序块，建立了4气门柴油机进气及喷雾过程大涡模拟计算程序。利用此模型重点分析了4气门柴油机进气过程及喷雾过程中气缸内流场变化，同时对比了RANS模型计算结果。

1 LES控制方程

大涡模拟求解的控制方程是经过滤波处理后的NS方程组，其在 KIVA－3V 中的形式为［3］：

连续方程：

动量方程：

能量方程：

其中Psgs和Dsgs分别为亚网格湍动能的生成项和耗散项。

亚网格热流量和组分质量流量均通过梯度扩散假设来封闭。关于此模型的详细介绍可参见文献［5］。

液滴破碎模型（MTAB模型）［6］是基于原有TAB模型［7］，根据试验修改了液滴破碎之后的分布及大小。在TAB模型中，为了定量的描述液滴的变形，按照弹性力学的理论，把液滴的振动与变形同一个弹簧与重物系统的振动相比拟，利用此方法，液滴表面的振动方程为：

式中σ是液滴表面张力。仅当y＞1时，液滴发生分裂。

液滴分裂所产生的子液滴群的索特半径为：

由于KIVA3V中原有的TAB模型得到的液滴半径要小于实际测量的值，所以Dan等人针对原有TAB模型的常数根据试验进行了修改。K为液滴变形过程中的能量比率，值为8／9。而各子液滴的实际半径则根据索特半径按χ6分布随机选择。

2 计算模型和数值方法

本文模拟对象为1台由Ford 4缸高速直喷（HSDI）柴油机改进而来，单缸排量为0.5L。详细的计算发动机参数参看表1。计算网格由ANSYS ICEM软件生成，包括进气道、排气道和气缸，在下止点时网格的单元数量为160 000，如图1所示。本文使用的数值方法参看表2。

3 计算结果分析

本文采用LES分别对进气过程与燃油雾化混合过程进行了分析，对比了不同时刻下气缸内流场的变化。本文所采用的计算模型已经在文献［12］和［13］中进行了气缸内流场的冷态验证及燃油喷雾验证。

3.1 进气过程的流场分析

图1 计算网格

表1 发动机参数

表2 数值模型和计算方法

图2和3显示了两个具有代表性的曲轴转角下气缸内速度场分布与演变情况，同时对比了两种湍流模型（LES模型和RANS模型）计算得到的结果。从两幅图中可以看出，在两种时刻下，尤其是在完全进气之后（180oCA ATDC）采用大涡模拟（LES）除了可以得到有序的大尺度涡团结构外，还能捕捉到大量不规则及三维结构的小尺度涡团结构，而采用RANS模型得到的气缸内流场非常的规整，流场的拟序性很强，基本上捕捉不到不规则的小尺度涡团结构。这主要是由于RANS模型的速度场是对事件取平均得出的，即抹去了所有涡团产生的时间上的脉动值，其所能求解的尺度取决于所采用的湍流模型，而LES模型的速度场是对湍流进行空间上的过滤，它滤除了小涡的脉动，却保留了大涡的脉动，其所能求解的尺度通常取决于网格分辨率。从图2尤其是图3中速度分布可以看出，LES所能捕捉到的涡团结构的范围要大于RANS模型。

图2 45℃A ATDC时气缸内轴向速度场分布

图3 180℃A ATDC时气缸内轴向速度场分布

图4 180℃A ATDC时气缸内湍动能等高线分布

图4显示了180℃A ATDC时气缸内湍动能等高线分布，从图中可以更加清晰的看出大涡模拟得到的小尺度涡团气缸内流场更加不均匀和不规则，更直观地反映了气缸内湍流的瞬变性和随机性。而RANS模型则得到较多的非常规则的大尺度涡团结构。这主要是文本LES模型计算的湍动能涡团结构是小尺度区域中的，而RANS模型计算的湍动能是基于整个流场的。

3.2 燃油雾化混合气形成过程

图5至图8分别显示了采用两种湍流模型（LES和RANS模型）进行计算时在压缩喷雾过程中两个曲轴转角下的气缸内流场及浓度场分布。从图5和图6中可以看出，在发动机压缩过程中气缸内的速度场在两种计算模型下流场结构有着较大的差别。随着活塞的上行，活塞运动产生的应力伴随着进气过程中产生复杂的涡团结构对整个气缸内流场有着较大的影响，湍流特性越来越明显，伴随着旧涡的破碎和新涡的产生。采用LES模型可以很好的描述这一复杂的流场变化过程，而RANS模型表现不出这种结果，主要是由于其捕捉不到小尺度涡结构。由于受整个流场的影响及喷雾过程带来的较强的剪切应力，使得喷雾过程受到了较大的影响。从图7和图8燃油浓度分布可以看出，所得到的喷雾结构有着明显的不同，LES的喷雾贯穿较长，这与之前在定容弹中的验证较为吻合。同时采用LES的结果表现出了更加复杂和瞬时的湍流结构。这主要是由于大涡模拟捕捉到大量小尺度涡团结构，这些小尺度涡的存在使气缸内流场更加不均匀和不规则。图9显示的是气缸内平均湍动能在进气和压缩过程中的变化趋势。从图中可以看出，平均湍动能在进气过程中随着进气阀的开度先增大后减小，在图中表现为第1个峰值。之后随之燃油喷射的开始，在整个喷射周期内随着喷射时间而增加，在喷射结束时达到了最大值，随后开始下降，在图中表现为第2个峰值。同时从图中看出，在进气过程产生的湍动能要明显大于喷雾过程。从图中可以看出LES计算值要小于RAN结果，这种差别的主要原因LES和RANS模型下的湍动能的定义不同，在RANS模型中，湍动能包含了所有尺度上的湍流涡团，而LES模型得到的湍动能仅仅是亚网格尺度区域的。

图5 100℃A BTDC时轴向速度分布分布

图6 20℃A BTDC时轴向速度分布分布

图7 20℃A BTDC时气缸内燃料质量分数分布

图8 5℃A BTDC时气缸内燃料质量分数分布

图9 气缸内湍动能随曲轴专家变化

4 结束语

本文的研究主要集中在大涡模拟和雷诺平均预测的气缸内流场结构和燃油蒸气浓度分布的不同。在KIVA3V程序中添加了基于一个湍动能方程的大涡模型。使用修改的TAB模型对4气门柴油机进行了冷态模拟，计算结果与RNGk－ε和试验进行了对比分析。计算结果显示LES模型在预测带有随机涡量结构的高瞬变流动中要优于RANS模型。采用LES模型除了能得到大尺度区域的涡团结构还能捕捉到大量无序的小尺度涡团，同时计算湍动能要小于RANS模型的结果。

［1］Naitoh K.，Kuwahara K.Large eddy simulation and direct simulation of compressible turbulence and combusting flows in engines based on the BI－SCALES method［J］.Fluid Dynamics Research，1992，10：299－325.

［2］Computational Comustion Laboratory：http：∥www.ccl.gatech.edu，2006.

［3］Menon S.，Stone C.，Patel N.Multi－Scale Modeling for LES of Engineering Designs of Large－Scale Combustors AIAA paper，AIAA－2004－157 2004.

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［7］O’Rourke P.J.Statistical properties and numerical implementation of a model for droplet dispersion in a turbulent gas［J］.Journal Computre Physics，1989，83 （2）：345－360.

［8］Sone K.，Patel N.V.，Menon S.KIVALES：Large－Eddy Simulations of Internal Combustion Engines.Part 1：KIVALES User‘s Manual，Technical Report CCL－00－008，Part 2：KIVALES User‘s Manual，Technical Report CCL－00－009，Georigia Institute of Technology，http：∥www.ccl.gatech.edu／home＿html，2000.

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［10］Nordin N.The KIVA Jumpstation：http：∥www.tfd.chalmers.se／～nordin／KJS／.

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［13］秦文瑾，解茂昭，贾 明.内燃机缸内湍流流场和多周期循环变动的大涡模拟研究［C］.广州：工程热物理学会燃烧分会，2010.