直噴汽油機(jī)缸內(nèi)瞬態(tài)流動特性的模擬研究

劉大明

摘要：本文采用分離渦模擬方法（Detached Eddy Simulation， DES）研究內(nèi)燃機(jī)瞬態(tài)缸內(nèi)流動，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了實驗驗證，分析了缸內(nèi)滾流運(yùn)動、湍動能的時間演化及空間分布。研究表明， 對于缸內(nèi)滾流運(yùn)動，在進(jìn)氣下止點(diǎn)附近，缸內(nèi)才形成明顯的大尺度滾流，在壓縮上止點(diǎn)附近，由于活塞的擠壓作用，滾流破碎成小尺度渦團(tuán)。壓縮后期由于滾流破碎能量加速向小尺度湍流傳遞，湍動能出現(xiàn)第二峰值。進(jìn)氣沖程在氣門處由于自由剪切作用，導(dǎo)致缸內(nèi)湍動能大幅升高。氣門關(guān)閉后，湍流較強(qiáng)的區(qū)域位于缸壁和活塞頂面，由滾流與壁面的剪切作用產(chǎn)生。

Abstract： In this paper， the Detached Eddy Simulation method was introduced into the transient in-cylinder flow simulation of the internal combustion engine. The simulation results were verified experimentally. The tumble flow motion， turbulent kinetic energy and turbulent coherent structure in the cylinder were analyzed. The results showed that for the in-cylinder tumble flow motion， a significant large-scale tumble flow was formed in the cylinder near the BDC of the induction stroke. Near the TDC of compression， the tumble flow was broken into small-scale vortices due to the squeezing effect of the piston. In the later stage of compression stroke， the turbulent kinetic energy showed a second peak due to the acceleration of the tumbling flow breaking energy to the small-scale turbulent flow. During the induction stroke，the turbulent kinetic energy increased significantly near the valves due to the free shearing effect. After the intake valve was closed， the area with strong turbulence was located on the cylinder wall and the top surface of the piston.

關(guān)鍵詞：直噴汽油機(jī);缸內(nèi)流動;分離渦模擬;湍動能分布

Key words： gasoline direct injection engine;in-cylinder flow;detached eddy simulation;turbulent kinetic energy distribution

0 ?引言

對于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，缸內(nèi)滾流的組織直接影響油氣混合和好壞和燃燒速率的快慢[1]?；诠鈱W(xué)發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)氣流運(yùn)動的光學(xué)診斷實驗研究，難以全面考察缸內(nèi)氣流運(yùn)動的特性，因此，數(shù)值模擬方法成為內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動研究不可或缺的途徑?；诳臻g過濾的大渦模擬方法（LES，Large Eddy Simulation）能夠?qū)ν牧骷?xì)節(jié)和瞬態(tài)特性進(jìn)行捕捉，Reynolds[2]指出大渦模擬可能是模擬往復(fù)式發(fā)動機(jī)缸內(nèi)流動的最佳途徑。最近一些學(xué)者[3-5]將大渦模擬的一種—分離渦模擬DES（Detached Eddy Simulation）方法引入內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流動的研究取得了很好的研究結(jié)果。本文將DES模型應(yīng)用到某直噴汽油機(jī)缸內(nèi)瞬態(tài)流動的模擬，考察該模型對內(nèi)燃機(jī)瞬態(tài)流動的預(yù)測能力。

1 ?計算模型建立

1.1 模型參數(shù)

數(shù)值模擬直噴發(fā)動機(jī)模型基于自行搭建的直噴汽油機(jī)光學(xué)測試平臺建立。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2 動網(wǎng)格生成與控制

網(wǎng)格生成時為了適應(yīng)動網(wǎng)格控制方法和復(fù)雜的邊界條件，采用四面體網(wǎng)格，下止點(diǎn)網(wǎng)格如圖1所示。為采用DES模型進(jìn)行計算，對近壁處網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)加密，下止點(diǎn)總網(wǎng)格數(shù)為119萬（不包括排氣道）。

1.3 邊界條件及計算工況

對比計算了不同湍流模型對瞬態(tài)工況下缸內(nèi)近壁流動的影響，包括大渦模擬的oneEqEddy單方程模型和DES模型，以及雷諾平均的kOmega模型。（表2）

本文將DES模型引入直噴汽油機(jī)整個工作循環(huán)的瞬態(tài)流動大渦模擬，著重于分析瞬態(tài)特性，為減小初始條件對計算結(jié)果的影響，取排氣中期上止點(diǎn)前90°CA作為計算始點(diǎn)，壓縮上止點(diǎn)為計算終點(diǎn)，進(jìn)氣上止點(diǎn)定義為0°CA。

2 ?數(shù)據(jù)處理

采用DES和oneEqEddy模型的大渦模擬結(jié)果為瞬態(tài)模擬結(jié)果，為了與光學(xué)發(fā)動機(jī)平均流場的實驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證，采用低通濾波方法將平均流場和湍流脈動流場分開[6]。

3 ?結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果驗證及滾流流場演變

圖2為不同曲軸轉(zhuǎn)角時刻各方向渦團(tuán)積分長度尺度平均值。可以看到，在進(jìn)氣階段缸內(nèi)流動受進(jìn)氣射流的帶動，流場平均積分尺度較大;進(jìn)氣后期射流影響減弱流場整體平均尺度明顯下降，壓縮中期大尺度滾流的形成使積分尺度再次增大，壓縮后期則由于滾流的破碎尺度明顯下降。

根據(jù)積分長度尺度采用低通濾波就可以將可解湍流成分與平均場分開，進(jìn)而分析平均流場結(jié)構(gòu)以及湍流強(qiáng)度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。

圖3給出了進(jìn)氣和壓縮階段的流場分布，并在60°CA ATDC時刻給出光學(xué)發(fā)動機(jī)PIV實驗結(jié)果用于模型驗證。大渦模擬結(jié)果采用低通濾波方法濾掉了流場中的中小尺度隨機(jī)渦團(tuán)。oneEqEddy模型的大渦模擬結(jié)果以及kOmega模型的RANS模擬結(jié)果僅在60°CA ATDC時刻給出，用于模型對比。

圖3（a）所示60°CA ATDC不同模型計算結(jié)果顯示，DES模型得到的流場結(jié)構(gòu)與PIV實驗結(jié)果吻合最好，由進(jìn)氣門上下兩側(cè)進(jìn)入汽缸的兩股氣流在排氣門下方交匯，之后上行在氣缸上部形成左右兩個旋渦，由于拍攝視窗的顯示，實驗結(jié)果中未能體現(xiàn)兩個渦的渦心。oneEqEddy模型左側(cè)旋渦不明顯，而kOmega模擬結(jié)果左側(cè)氣流過強(qiáng)，導(dǎo)致氣流交匯位置與實驗結(jié)果有一定偏差。另外值得注意的是，模擬結(jié)果總體速度與實驗結(jié)果相比偏大，原因在于實驗時流場循環(huán)變動較模擬結(jié)果大，導(dǎo)致集總平均求取的平均流場速度偏小。

隨著活塞下行（如圖3（b）所示），左側(cè)氣流明顯增強(qiáng)，在氣缸下部形成較大旋渦，而右側(cè)氣流則相對減弱，在靠近右側(cè)壁面形成較小的旋渦，同時在進(jìn)氣門下方也形成一個小渦。此時流場結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，雖然已經(jīng)有大尺度滾流的雛形，但由于右側(cè)氣流的干擾仍無法形成明顯滾流。

當(dāng)越過下止點(diǎn)氣門關(guān)閉以后（如圖3（c）所示），缸內(nèi)形成明顯的大尺度滾流，隨著活塞的繼續(xù)上行，滾流更加規(guī)則，流場速度略有上升。當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)附近（如圖3（e）所示），大尺度滾流開始破碎成小渦，同時伴隨湍流的增強(qiáng)。

3.2 進(jìn)氣及壓縮階段流場湍動能變化

圖4給出了缸內(nèi)空間平均湍動能隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，圖示湍動能包括兩部分，一部分為大渦模擬可解尺度湍動能，由瞬時場減去平均場得到的脈動場求得，另一部分為亞網(wǎng)格湍動能，直接由亞網(wǎng)格湍流模型求解得到?？梢钥吹?，進(jìn)氣前期（60°CA ATDC左右），湍動能大幅增大，1500r/min時峰值可以達(dá)到130m2/s2，之后大幅下降，到進(jìn)氣后期及壓縮前期達(dá)到最低值，壓縮后期再次小幅升高。

湍動能空間分布的變化規(guī)律與缸內(nèi)流動狀態(tài)直接相關(guān)，如圖5所示，進(jìn)氣前期由于進(jìn)氣射流造成的自由剪切作用和壁面剪切導(dǎo)致湍流脈動強(qiáng)烈，氣門閥座處湍動能最高達(dá)到500m2/s2。而氣門關(guān)閉后，壓縮行程前期，缺少了進(jìn)氣射流的激勵，缸內(nèi)湍流強(qiáng)度大幅下降，高湍動能區(qū)位于活塞頂面附近，最大值僅有10m2/s2，此時湍流的產(chǎn)生主要是由于滾流與缸壁和活塞頂面的摩擦剪切作用。隨著活塞繼續(xù)上行，滾流加速導(dǎo)致湍流有所增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)壓縮后期，滾流破碎，湍流再次加強(qiáng)，在燃燒室中部分布著較高的湍動能。

4 ?結(jié)論

本文將DES模型引入內(nèi)燃機(jī)瞬態(tài)工況缸內(nèi)流動模擬，采用光學(xué)發(fā)動機(jī)實驗結(jié)果對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證，通過模擬結(jié)果分析了缸內(nèi)滾流運(yùn)動規(guī)律、湍動能變化及其空間分布。主要結(jié)論如下：

①對于缸內(nèi)滾流運(yùn)動，在進(jìn)氣階段中前期，在進(jìn)氣射流的影響下形成一大一小兩個渦團(tuán)，在進(jìn)氣下止點(diǎn)附近，缸內(nèi)才形成明顯的大尺度滾流，在壓縮上止點(diǎn)附近，由于活塞的擠壓作用，滾流破碎成小尺度渦團(tuán)。

②對于湍動能的變化，進(jìn)氣前期由于進(jìn)氣射流的激勵，湍動能大幅增大，之后大幅下降，到進(jìn)氣后期及壓縮前期達(dá)到最低值。壓縮后期由于滾流破碎能量加速向小尺度湍流傳遞，湍動能再次小幅升高。

③對于湍動能空間分布，進(jìn)氣前期由于進(jìn)氣射流造成的自由剪切作用導(dǎo)致氣門附近湍流脈動強(qiáng)烈。氣門關(guān)閉后，湍流較強(qiáng)的區(qū)域位于缸壁和活塞頂面，由滾流與壁面的剪切作用產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)：

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