论文部分内容阅读
随着全球能源消耗的不断增长，加剧了全球变暖以及大气污染，从而产生了愈加严格的排放法规，在地面交通领域，以内燃机作为动力驱动的汽车数量占据并且仍将占据绝对的主导地位，因此，开发高效清洁的发动机是应对全球变暖，及大气污染等问题的必然选择。在内燃机开发过程中，利用计算机不断提高的运算能力，开发出更高精度的湍流燃烧模型，用以模拟发动机运行过程中的燃烧情况和污染物的形成过程，可以极大地缩短原型发动机的开发周期，实现对空间局部量的实时观测，探究实验无法测量的变量对于发动机热效率以及排放的影响，分析非正常燃烧现象诸如爆震、熄火等现象产生的原因，对于发动机的结构设计以及性能的提高具有重要意义。
本文的工作分为欧拉火焰追踪模型(EulerianFlameTracking，简称EFT)燃烧模型中湍流火焰燃烧速度模型的建立和燃烧模型的验证两部分。建立模型前，详细分析了预混湍流燃烧的特点，给出了描述火焰区域图中波纹小火焰区域和薄反应区区域燃烧现象的统一数学表达式，即G方程和G方差方程，对于湍流火焰燃烧速度，建立了Ewald速度模型和GFWI速度模型，分析火焰焠熄和近壁湍流效应对于湍流火焰燃烧速度的影响，并集成进EFT模型中；对于模型变量——火焰核初始半径以及燃烧系数进行了标定，结果表明EFT模型对于燃烧系数十分敏感，燃烧系数每增加0.5，缸内峰值压力增加约0.2MPa；与之相对，火焰核初始半径对于模拟结果的影响则可以忽略不计。
将速度模型集成进EFT模型后，对EFT模型进行了敏感性分析，分析参数包含网格拓扑结构、单元尺寸以及时间步长。结果表明，当CFL数接近1时，EFT模型对于网格尺寸和时间步长不敏感；当网格体积相近时，采用多面体网格和正六面体网格计算所得到的缸压的相对误差分别为3.39%和4%，表明EFT模型对网格拓扑结构不敏感。
EFT模型的验证通过三个算例：可视化定容燃烧弹，薄饼燃烧室发动机以及AVL原型直喷汽油机完成。燃烧弹通过高速摄像机记录下来的火焰面的发展，是与基于模型计算所得的火焰前锋面进行对比的理想选择；具有薄饼燃烧室结构的单缸发动机，由于复杂的燃烧过程发生在简单的几何结构中，因此是验证燃烧模型的理想选择；而与AVL原型直喷汽油机试验的对比则可以论证模型对于具有复杂几何结构发动机中燃烧现象的预测能力。验证结果如下：
1.燃烧弹算例中，分析了初始压力为0.3MPa，0.6MPa和1.2MPa下火焰面的发展情况。结果表明，基于模型计算所得的火焰面与摄像机记录的火焰面具有很好的一致性，计算所得火焰面半径略大于实际值，平均相对误差为3%，证明EFT模型能够准确表征实际燃烧过程中火焰面的发展情况。
2.薄饼燃烧室发动机算例中，分析了Ewald速度模型和GFWI速度模型对于EFT模型计算精度的影响。结果表明，与Ewald速度模型相比，GFWI速度模型通过对焠熄效应和近壁湍流效应加以考虑，更符合实际燃烧过程。采用Ewald速度模型计算所得缸压的最大相对误差为3.7%，采用GFWI速度模型的最大相对误差为2.3%，与Tan的计算结果(缸压相对误差为1.5%)相比，GFWI模型提高了对燃烧早期阶段缸内压力的预测精度。通过热通量的对比可以看出，GFWI速度模型对热通量预测的平均误差为12.9%；Tan计算的平均误差为36.6%；Ewald速度模型的平均误差为59%。由此可知，当火焰前锋面传播至冷的汽缸壁面时，火焰焠熄效应以及近壁湍流现象对于燃烧过程有显著影响，GFWI速度模型将这些因素加以考虑，提高了EFT模型的预测精度。
3.AVL原型直喷汽油机算例中，研究了发动机转速为1250r/min，1500r/min，2000r/min和3000r/min，当量比0.93-1条件下的燃烧情况。所研究的四个工况点中，缸压的最大相对误差为3%，曲轴转角最大相差6.8℃A；放热率峰值的最大相对误差为6.9%，曲轴转角相差10℃A；不同曲轴转角下的平均火焰前锋位置分布合理，当火焰传播至气缸壁时，湍流燃烧速度降低，符合实际燃烧现象，实现了对复杂燃烧过程的再现，表明EFT模型具备模拟DISI发动机中复杂燃烧过程的能力。
综上所述，EFT模型能够准确预测发动机缸内复杂的湍流预混燃烧现象，算例设置对于拓扑结构，计算步长以及计算单元尺寸具有不敏感性，可以在内燃机开发过程中起到重要作用。此外需要指出，在AVL原型直喷汽油机算例中，模拟的放热率与测量数据之间仍存在一定偏差，原因为重新分区后流场发生了改变，使得计算的边界条件发生了变化。因此，在下一步的工作中，应该对数值技术进行优化，确保重新分区后的流场与分区之前完全一致，获得相同的计算边界条件，从而进一步提高模型的计算精度。
本文的工作分为欧拉火焰追踪模型(EulerianFlameTracking，简称EFT)燃烧模型中湍流火焰燃烧速度模型的建立和燃烧模型的验证两部分。建立模型前，详细分析了预混湍流燃烧的特点，给出了描述火焰区域图中波纹小火焰区域和薄反应区区域燃烧现象的统一数学表达式，即G方程和G方差方程，对于湍流火焰燃烧速度，建立了Ewald速度模型和GFWI速度模型，分析火焰焠熄和近壁湍流效应对于湍流火焰燃烧速度的影响，并集成进EFT模型中；对于模型变量——火焰核初始半径以及燃烧系数进行了标定，结果表明EFT模型对于燃烧系数十分敏感，燃烧系数每增加0.5，缸内峰值压力增加约0.2MPa；与之相对，火焰核初始半径对于模拟结果的影响则可以忽略不计。
将速度模型集成进EFT模型后，对EFT模型进行了敏感性分析，分析参数包含网格拓扑结构、单元尺寸以及时间步长。结果表明，当CFL数接近1时，EFT模型对于网格尺寸和时间步长不敏感；当网格体积相近时，采用多面体网格和正六面体网格计算所得到的缸压的相对误差分别为3.39%和4%，表明EFT模型对网格拓扑结构不敏感。
EFT模型的验证通过三个算例：可视化定容燃烧弹，薄饼燃烧室发动机以及AVL原型直喷汽油机完成。燃烧弹通过高速摄像机记录下来的火焰面的发展，是与基于模型计算所得的火焰前锋面进行对比的理想选择；具有薄饼燃烧室结构的单缸发动机，由于复杂的燃烧过程发生在简单的几何结构中，因此是验证燃烧模型的理想选择；而与AVL原型直喷汽油机试验的对比则可以论证模型对于具有复杂几何结构发动机中燃烧现象的预测能力。验证结果如下：
1.燃烧弹算例中，分析了初始压力为0.3MPa，0.6MPa和1.2MPa下火焰面的发展情况。结果表明，基于模型计算所得的火焰面与摄像机记录的火焰面具有很好的一致性，计算所得火焰面半径略大于实际值，平均相对误差为3%，证明EFT模型能够准确表征实际燃烧过程中火焰面的发展情况。
2.薄饼燃烧室发动机算例中，分析了Ewald速度模型和GFWI速度模型对于EFT模型计算精度的影响。结果表明，与Ewald速度模型相比，GFWI速度模型通过对焠熄效应和近壁湍流效应加以考虑，更符合实际燃烧过程。采用Ewald速度模型计算所得缸压的最大相对误差为3.7%，采用GFWI速度模型的最大相对误差为2.3%，与Tan的计算结果(缸压相对误差为1.5%)相比，GFWI模型提高了对燃烧早期阶段缸内压力的预测精度。通过热通量的对比可以看出，GFWI速度模型对热通量预测的平均误差为12.9%；Tan计算的平均误差为36.6%；Ewald速度模型的平均误差为59%。由此可知，当火焰前锋面传播至冷的汽缸壁面时，火焰焠熄效应以及近壁湍流现象对于燃烧过程有显著影响，GFWI速度模型将这些因素加以考虑，提高了EFT模型的预测精度。
3.AVL原型直喷汽油机算例中，研究了发动机转速为1250r/min，1500r/min，2000r/min和3000r/min，当量比0.93-1条件下的燃烧情况。所研究的四个工况点中，缸压的最大相对误差为3%，曲轴转角最大相差6.8℃A；放热率峰值的最大相对误差为6.9%，曲轴转角相差10℃A；不同曲轴转角下的平均火焰前锋位置分布合理，当火焰传播至气缸壁时，湍流燃烧速度降低，符合实际燃烧现象，实现了对复杂燃烧过程的再现，表明EFT模型具备模拟DISI发动机中复杂燃烧过程的能力。
综上所述，EFT模型能够准确预测发动机缸内复杂的湍流预混燃烧现象，算例设置对于拓扑结构，计算步长以及计算单元尺寸具有不敏感性，可以在内燃机开发过程中起到重要作用。此外需要指出，在AVL原型直喷汽油机算例中，模拟的放热率与测量数据之间仍存在一定偏差，原因为重新分区后流场发生了改变，使得计算的边界条件发生了变化。因此，在下一步的工作中，应该对数值技术进行优化，确保重新分区后的流场与分区之前完全一致，获得相同的计算边界条件，从而进一步提高模型的计算精度。