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

1、實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)流動(dòng)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(wèn)題。然而，內(nèi)燃機(jī)中氣流運(yùn)動(dòng)具有明顯的非定常性，給氣流運(yùn)動(dòng)的控制帶來(lái)很大困難。為了深入理解內(nèi)燃機(jī)湍流運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)氣流的有效控制，本文從進(jìn)氣流動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)方法、缸內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)規(guī)律、近壁流動(dòng)特性，以及復(fù)雜流場(chǎng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)四個(gè)方面開(kāi)展了研究，主要內(nèi)容與結(jié)論如下：
　　進(jìn)氣流動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)方法方面，針對(duì)滾流運(yùn)動(dòng)測(cè)試方法尚沒(méi)有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，基于角動(dòng)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(duì)滾流測(cè)量結(jié)果的影響，并與理論分析相印證。研究表明，測(cè)試裝置參數(shù)的變動(dòng)導(dǎo)致滾流強(qiáng)度的差異明顯。其中，過(guò)小的模擬缸套出口直徑導(dǎo)致缸內(nèi)流場(chǎng)畸變，滾流強(qiáng)度大幅增加，最大增幅達(dá)4倍。通過(guò)優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以消除對(duì)滾流強(qiáng)度的過(guò)高估計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量結(jié)果的合理轉(zhuǎn)化。
　　缸內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)規(guī)律方面，采用PIV方法在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了可變氣門(mén)升程對(duì)缸內(nèi)氣流

3、運(yùn)動(dòng)瞬態(tài)特性及其循環(huán)變動(dòng)的影響。研究表明，當(dāng)氣門(mén)升程曲線(xiàn)發(fā)生改變時(shí)，流場(chǎng)形態(tài)隨之發(fā)生顯著變化。在高的最大氣門(mén)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(mén)升程工況則無(wú)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(chǎng)的循環(huán)變動(dòng)受氣門(mén)升程曲線(xiàn)變化影響顯著。低的最大氣門(mén)升程下，滾流渦心循環(huán)變動(dòng)達(dá)到高升程時(shí)的1.4倍，低頻脈動(dòng)流場(chǎng)循環(huán)變動(dòng)比高升程時(shí)提高28％。滾流運(yùn)動(dòng)

4、的減弱，以及強(qiáng)進(jìn)氣射流對(duì)流場(chǎng)低頻脈動(dòng)的激發(fā)是導(dǎo)致缸內(nèi)流場(chǎng)循環(huán)變動(dòng)加劇的主要原因，組織大尺度流動(dòng)(滾流或渦流)可以抑制缸內(nèi)氣流循環(huán)變動(dòng)。
　　近壁流動(dòng)特性方面，采用microPIV(micro particle image velocimetry)方法對(duì)汽油機(jī)缸內(nèi)近壁流動(dòng)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(mén)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(mén)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(wú)量綱速度分布呈線(xiàn)性，與壁面律吻合良好，而在對(duì)數(shù)層不存在明顯的對(duì)數(shù)律分布區(qū)，且曲線(xiàn)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(shì)與管道流動(dòng)相似，但由于缸內(nèi)復(fù)雜流場(chǎng)包含非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)導(dǎo)致的低頻脈動(dòng)分量，而不僅僅是湍流脈動(dòng)，導(dǎo)致數(shù)值上(對(duì)于雷諾應(yīng)力流向分量)達(dá)到管道流動(dòng)的5倍。
　　缸內(nèi)復(fù)雜流

6、場(chǎng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)方面，由于缸內(nèi)近壁流動(dòng)分布規(guī)律與管道流動(dòng)的差異，導(dǎo)致基于對(duì)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(cè)內(nèi)燃機(jī)近壁流動(dòng)和進(jìn)氣射流導(dǎo)致的大尺度分離流動(dòng)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(dòng)。氣體在氣門(mén)盤(pán)邊緣發(fā)生邊界層分離，不斷有渦準(zhǔn)周期性脫落，對(duì)進(jìn)氣射流產(chǎn)生擾動(dòng)。進(jìn)氣射流的擬序流場(chǎng)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(dòng)直接影響射流下游區(qū)域邊界層流動(dòng)，導(dǎo)致邊界層內(nèi)流動(dòng)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(dòng)異于管道流動(dòng)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(dòng)模擬。大尺度平均流場(chǎng)與光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。對(duì)于缸內(nèi)近壁流動(dòng)，壓縮后期，缸內(nèi)空氣溫度和密度大幅增加，空氣運(yùn)動(dòng)粘度降低，粘性底層速度線(xiàn)性分布區(qū)域擴(kuò)大到y(tǒng)+=15~20。缸內(nèi)流場(chǎng)擬序結(jié)構(gòu)和湍動(dòng)能分布顯示，進(jìn)氣射流及壁面剪切作用是缸