基于AVL-Fire的柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒仿真模擬

程清波，盧莉莉，耿莉敏，王城

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

基于AVL-Fire的柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒仿真模擬

程清波，盧莉莉，耿莉敏，王城

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

對于柴油機(jī)來說，燃燒過程的好壞直接影響著發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。文章運用CFD軟件AVL-Fire對某柴油機(jī)的燃燒過程進(jìn)行仿真模擬，建立燃燒室三維模型，劃分計算網(wǎng)格，選擇合適的計算模型，初始條件，邊界條件進(jìn)行數(shù)值計算，并對仿真結(jié)果進(jìn)行描述，分析其速度場、溫度場和壓力場，為燃燒室優(yōu)化設(shè)計提供參考。

柴油機(jī)；仿真；燃燒室；燃燒過程

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.011

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)11-28-02

前言

發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒過程研究是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計與研發(fā)領(lǐng)域的關(guān)鍵部分。近年來，隨著計算流體力學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步，國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)都開展了相應(yīng)的研發(fā)計劃，數(shù)值模擬技術(shù)愈來愈成為發(fā)動機(jī)研發(fā)者青睞的方法，并引領(lǐng)著發(fā)動機(jī)的進(jìn)步與革新。目前，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒數(shù)值模擬的研究已取得一定成果。本文采用奧地利AVL公司開發(fā)的內(nèi)燃機(jī)燃燒模擬專用CFD軟件Fire，分析柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒情況，以期進(jìn)行改進(jìn)[1]。

1、氣缸內(nèi)網(wǎng)格劃分與計算模型選取

1.1三維模型的建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)某柴油機(jī)的實際形狀，以Fire軟件中的ESE Diesel模塊為平臺，適當(dāng)簡化建立燃燒室的二維平面模型，由于活塞是對稱形狀，燃燒室的一半如圖1所示：

圖1　燃燒室二維模型

使用Fire軟件ESE Diesel模塊生成網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量較高。ESE Diesel模塊會根據(jù)需要對燃燒室部分區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，以達(dá)到較好的計算效果，三維立體動網(wǎng)格由平面網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)得到，所選柴油機(jī)是四孔噴油器，為了簡化計算模型，取整個燃燒室的1/4為計算域，網(wǎng)格數(shù)為31324個[2]。如圖2所示：

圖2　三維立體動網(wǎng)格

1.2計算模型的選取

計算模型的選取對于計算結(jié)果具有重要的影響，本文湍流模型選擇的是K-Zeta-F雙方程湍流模型，燃燒模型選擇Coher-ent Flame Model，噴霧破碎模型采用WAVE離散模型，碰壁模型選擇Walljet1，噴油提前角為20°，噴油持續(xù)角為15°，以壓縮上止點為720°，計算曲軸轉(zhuǎn)角范圍為540～800°[3]。

2、計算結(jié)果及分析

分別選取714°和720°曲軸轉(zhuǎn)角的云圖，分析其速度場、溫度場和壓力場。

2.1速度場分布

圖3　速度場分布云圖

如圖3所示，714°曲軸轉(zhuǎn)角，噴油油束中心區(qū)域呈現(xiàn)高速，向外圍速度逐漸減弱，噴霧油束及火焰碰到活塞壁面后，向周邊擴(kuò)散，也呈現(xiàn)較高的流速，而處于氣缸中心軸線附近區(qū)域，流速相對較低；720°曲軸轉(zhuǎn)角，燃油噴霧已經(jīng)結(jié)束，氣缸內(nèi)流體流速整體降低，最高速度出現(xiàn)在燃燒室凹坑中心附近的火焰區(qū)，隨著火焰向周邊擴(kuò)散，速度逐漸降低。

2.2溫度場分布

如圖4所示，噴油器在700°時開始噴油，持續(xù)到715°，當(dāng)在714°的時候，噴霧火焰在碰壁后向活塞ω型凹坑處傳播，在活塞凹坑處形成濃混合氣，這個區(qū)域流體溫度最高，在噴霧火焰燃燒經(jīng)過的區(qū)域溫度也較高，而在氣缸中心軸線附近以及活塞頂平面與氣缸蓋底部狹縫的邊緣處，由于噴霧火焰未能傳播到，流體溫度逐漸降低；720°曲軸轉(zhuǎn)角，活塞到達(dá)上止點，隨著燃燒的進(jìn)行，缸內(nèi)溫度進(jìn)一步升高，缸內(nèi)溫度分布呈現(xiàn)了新的變化，其中在活塞ω凹坑上方，由于火焰碰壁后產(chǎn)生的反射與卷曲，在這一區(qū)域出現(xiàn)高溫，向四周溫度逐漸降低，其中在氣缸中心軸線附近以及活塞頂部平面與氣缸蓋底部狹縫靠近氣缸壁邊緣處，溫度相對較低[4]。

圖4　溫度場分布云圖

2.3壓力場分布

圖5　壓力場分布

如圖5所示，714°曲軸轉(zhuǎn)角，噴油器噴油已經(jīng)進(jìn)入末期，燃燒進(jìn)入速燃期，缸內(nèi)壓力的整體分布比較均勻，其中在燃燒室的截面突變處，產(chǎn)生局部高壓，在活塞頂部平面與氣缸蓋底部的狹縫區(qū)域，壓力較高，由于缸內(nèi)氣流運動和截面突變處的節(jié)流作用，低壓區(qū)出現(xiàn)在了氣缸蓋底部燃燒室形狀變化較明顯處；720°曲軸轉(zhuǎn)角，活塞到達(dá)上止點，隨著燃燒的進(jìn)行缸內(nèi)壓力有了大幅度的提高，達(dá)到1.2177x107Pa，此時高壓區(qū)出現(xiàn)在活塞ω形狀的凹坑處，向上部和氣缸中心區(qū)域流體壓力略有降低，但整個缸內(nèi)區(qū)域的壓力分布變化不大，比較均勻。

3、結(jié)束語

本文利用AVL Fire軟件對某柴油機(jī)的燃燒過程進(jìn)行了模擬計算，并在模型準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，分析了燃燒過程的速度場、溫度場和壓力場，模擬結(jié)果顯示：該燃燒室可以組織強烈的氣流運動，燃油的霧化蒸發(fā)和燃燒迅速，缸內(nèi)壓力整體水平較高，但油束霧化不均勻，局部區(qū)域燃燒不充分等不足之處仍有待改進(jìn)。

[1]焦運景.車用直噴式柴油機(jī)燃燒過程的多維數(shù)值模擬研究[D].天津大學(xué).2006.

[2]王紅紅.船用高速柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程綜合研究[D].哈爾濱工程大學(xué).2013.

[3]蔣超宇,姚國仲.生物柴油-乙醇-柴油混合燃料的燃燒過程模擬與分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2014(10）：5-11.

[4]沈凌飛.柴油機(jī)摻燒生物柴油燃燒過程的數(shù)值模擬研究[D].江蘇大學(xué)，2015.

Simulation of diesel engine cylinder combustion simulation based on AVL-Fire

Cheng Qingbo, Lu Lili, Geng Limin, Wang Cheng
( Chang’an University Automotive Institute, Shaanxi Xi’an 710064 )

For diesel engine, the combustion process has a direct impact on the performance of the power, economy and emission of the engine.In this paper, CFD software AVL-Fire is used to simulate the combustion process of a diesel, established three-dimensional model of the combustion chamber, divided computing grid, selected the appropriate calculation model, initial conditions, boundary conditions for numerical calculation,and the simulation results are described, the velocity field, temperature field and pressure field are analyzed to provide the reference for the combustion chamber optimization design.

Diesel; Simulation; Combustion chamber; Combustion process

U467.3

A

1671-7988(2016)11-28-02

程清波，（1987-），碩士研究生，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院動力工程專業(yè)。