汽油機(jī)缸內(nèi)氣流瞬態(tài)運(yùn)動及近壁流動特性的實(shí)驗(yàn)與模擬研究.pdf

1、實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)流動狀態(tài)的有效控制，是內(nèi)燃機(jī)燃燒控制與優(yōu)化的關(guān)鍵問題。然而，內(nèi)燃機(jī)中氣流運(yùn)動具有明顯的非定常性，給氣流運(yùn)動的控制帶來很大困難。為了深入理解內(nèi)燃機(jī)湍流運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)氣流的有效控制，本文從進(jìn)氣流動測試評價(jià)方法、缸內(nèi)瞬態(tài)流動規(guī)律、近壁流動特性，以及復(fù)雜流場的準(zhǔn)確預(yù)測四個(gè)方面開展了研究，主要內(nèi)容與結(jié)論如下：
　　進(jìn)氣流動測試評價(jià)方法方面，針對滾流運(yùn)動測試方法尚沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的問題，基于角動量守恒定律進(jìn)行了理論分析，采用穩(wěn)流試驗(yàn)與

2、PIV(particle image velocimetry)激光診斷相結(jié)合的方法，分析了不同參數(shù)對滾流測量結(jié)果的影響，并與理論分析相印證。研究表明，測試裝置參數(shù)的變動導(dǎo)致滾流強(qiáng)度的差異明顯。其中，過小的模擬缸套出口直徑導(dǎo)致缸內(nèi)流場畸變，滾流強(qiáng)度大幅增加，最大增幅達(dá)4倍。通過優(yōu)化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以消除對滾流強(qiáng)度的過高估計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同測量結(jié)果的合理轉(zhuǎn)化。
　　缸內(nèi)瞬態(tài)流動規(guī)律方面，采用PIV方法在光學(xué)發(fā)動機(jī)上研究了可變氣門升程對缸內(nèi)氣流

3、運(yùn)動瞬態(tài)特性及其循環(huán)變動的影響。研究表明，當(dāng)氣門升程曲線發(fā)生改變時(shí)，流場形態(tài)隨之發(fā)生顯著變化。在高的最大氣門升程工況，缸內(nèi)可以形成大尺度滾流并保持到壓縮上止點(diǎn)前80°CA左右；在低的最大氣門升程工況則無法形成保持到壓縮后期的大尺度滾流，在壓縮后期80°CA BTDC滾流強(qiáng)度近似為0。瞬態(tài)流場的循環(huán)變動受氣門升程曲線變化影響顯著。低的最大氣門升程下，滾流渦心循環(huán)變動達(dá)到高升程時(shí)的1.4倍，低頻脈動流場循環(huán)變動比高升程時(shí)提高28％。滾流運(yùn)動

4、的減弱，以及強(qiáng)進(jìn)氣射流對流場低頻脈動的激發(fā)是導(dǎo)致缸內(nèi)流場循環(huán)變動加劇的主要原因，組織大尺度流動(滾流或渦流)可以抑制缸內(nèi)氣流循環(huán)變動。
　　近壁流動特性方面，采用microPIV(micro particle image velocimetry)方法對汽油機(jī)缸內(nèi)近壁流動特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，近壁區(qū)域存在受分子粘性影響明顯的粘性區(qū)域，在氣缸下側(cè)邊界層分離區(qū)出現(xiàn)大量小尺度渦團(tuán)結(jié)構(gòu)，尺度約1~2mm。粘性底層厚度隨氣門升程的升高和氣

5、道壓差的增大而減小，在高升程大壓差下(氣門升程7.975mm，氣道壓差1kPa)粘性底層厚度僅為0.3mm左右。在粘性底層，無量綱速度分布呈線性，與壁面律吻合良好，而在對數(shù)層不存在明顯的對數(shù)律分布區(qū)，且曲線斜率隨壓差的增大而增大。近壁雷諾應(yīng)力(采用壁面摩擦速度規(guī)范化)變化趨勢與管道流動相似，但由于缸內(nèi)復(fù)雜流場包含非穩(wěn)態(tài)流動導(dǎo)致的低頻脈動分量，而不僅僅是湍流脈動，導(dǎo)致數(shù)值上(對于雷諾應(yīng)力流向分量)達(dá)到管道流動的5倍。
　　缸內(nèi)復(fù)雜流

6、場的準(zhǔn)確預(yù)測方面，由于缸內(nèi)近壁流動分布規(guī)律與管道流動的差異，導(dǎo)致基于對數(shù)律速度分布導(dǎo)出的近壁處理方式不再適用。采用IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)方法預(yù)測內(nèi)燃機(jī)近壁流動和進(jìn)氣射流導(dǎo)致的大尺度分離流動取得了很好效果。IDDES模擬捕捉到了進(jìn)氣射流的準(zhǔn)周期性波動。氣體在氣門盤邊緣發(fā)生邊界層分離，不斷有渦準(zhǔn)周期性脫落，對進(jìn)氣射流產(chǎn)生擾動。進(jìn)氣射流的擬序流場中存在明顯的旋渦結(jié)構(gòu)，并

7、且旋轉(zhuǎn)方向呈現(xiàn)準(zhǔn)周期性翻轉(zhuǎn)。進(jìn)氣射流的周期性波動直接影響射流下游區(qū)域邊界層流動，導(dǎo)致邊界層內(nèi)流動出現(xiàn)頻繁的剝離和再附著，是導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流動異于管道流動的主要原因。將IDDES模型應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)瞬態(tài)工況缸內(nèi)流動模擬。大尺度平均流場與光學(xué)發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。對于缸內(nèi)近壁流動，壓縮后期，缸內(nèi)空氣溫度和密度大幅增加，空氣運(yùn)動粘度降低，粘性底層速度線性分布區(qū)域擴(kuò)大到y(tǒng)+=15~20。缸內(nèi)流場擬序結(jié)構(gòu)和湍動能分布顯示，進(jìn)氣射流及壁面剪切作用是缸