內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流特性及其循環(huán)變動(dòng)的大渦模擬與本征正交分解研究.pdf

1、在各種湍流運(yùn)動(dòng)形式中，內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流流動(dòng)可以說是最為復(fù)雜的一種運(yùn)動(dòng)之一。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其缸內(nèi)氣體充量始終在進(jìn)行著極其復(fù)雜而又強(qiáng)烈瞬變的湍流運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)不僅具有單循環(huán)高度的不定常性，同時(shí)又具有多循環(huán)變化的高度隨機(jī)性，是內(nèi)燃機(jī)工作和燃燒過程中各個(gè)物理化學(xué)子過程的一個(gè)共同的基礎(chǔ)，強(qiáng)烈地影響到內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放水平。大渦模擬方法的興起突破了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)數(shù)值模擬的局限性，可以客觀合理的再現(xiàn)流場(chǎng)瞬態(tài)細(xì)節(jié)，成為人們正確的認(rèn)識(shí)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流現(xiàn)象的

2、強(qiáng)有力工具。本文使用大渦模擬方法對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流特性及循環(huán)變動(dòng)展開數(shù)值計(jì)算，研究了缸內(nèi)湍流場(chǎng)演變特性，包括瞬態(tài)湍流脈動(dòng)、擬序結(jié)構(gòu)以及流場(chǎng)循環(huán)變動(dòng)，以期對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流這種特殊現(xiàn)象的規(guī)律和特點(diǎn)獲得比較深入的了解。本文主要完成的工作如下:
　　首先對(duì)缸內(nèi)湍流場(chǎng)的湍流脈動(dòng)展開研究。
　　(1)在大型發(fā)動(dòng)機(jī)模擬程序KIVA-3V中添加了動(dòng)態(tài)Smagorinsky模型，擴(kuò)充了程序的大渦模擬計(jì)算模塊。然后通過一臺(tái)簡(jiǎn)化的氣缸模型冷流試驗(yàn)對(duì)

3、多個(gè)大渦模擬亞網(wǎng)格模型進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，并與使用雷諾平均RNG模型計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。同時(shí)分析了網(wǎng)格密度、數(shù)值差分格式對(duì)缸內(nèi)湍流場(chǎng)大渦模擬效果的影響。計(jì)算發(fā)現(xiàn)使用大渦模擬方法對(duì)缸內(nèi)湍流場(chǎng)的模擬結(jié)果明顯好于使用傳統(tǒng)雷諾平均方法。無論是缸內(nèi)湍流場(chǎng)的整體宏觀流動(dòng)，還是流場(chǎng)局部小尺度渦團(tuán)的隨機(jī)脈動(dòng)，均可以被有效描述。在選用的亞網(wǎng)格模型中，動(dòng)態(tài)Smagorinsky模型和亞網(wǎng)格單方程模型對(duì)于模擬缸內(nèi)流場(chǎng)均有較好的表現(xiàn)。另外選用高精度的差分格式

4、以及高密度的網(wǎng)格更有利于發(fā)揮大渦模擬的優(yōu)勢(shì)。本研究中使用的大渦模擬亞網(wǎng)格模型和計(jì)算網(wǎng)格體系可以有效地捕捉到流場(chǎng)90％以上的流場(chǎng)動(dòng)能，從而保證了對(duì)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)模擬的有效性。
　　(2)對(duì)一臺(tái)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的迸氣和壓縮過程進(jìn)行了大渦模擬計(jì)算，對(duì)流場(chǎng)整體空間分布、局部脈動(dòng)細(xì)節(jié)、動(dòng)能演變以及宏觀流動(dòng)參數(shù)等多方面進(jìn)行了考察，并與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了直接比對(duì)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣射流是產(chǎn)生缸內(nèi)強(qiáng)湍流場(chǎng)的主要原因，其次是缸體壁面以及活塞對(duì)工質(zhì)流動(dòng)的摩擦作用。隨著進(jìn)

5、氣射流強(qiáng)度的下降，湍流脈動(dòng)逐漸削弱，流場(chǎng)的各向異性程度下降。另外發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)缸內(nèi)湍流場(chǎng)影響很大，湍動(dòng)能、動(dòng)能耗散率以及湍流渦粘系數(shù)均與活塞平均運(yùn)行速度接近于正比關(guān)系。
　　其次對(duì)缸內(nèi)湍流場(chǎng)擬序結(jié)構(gòu)展開研究。
　　(3)采用大渦模擬結(jié)合渦結(jié)構(gòu)識(shí)別的數(shù)學(xué)方法Q準(zhǔn)則判別法對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流場(chǎng)的大尺度擬序結(jié)構(gòu)特性展開研究。計(jì)算發(fā)現(xiàn)相比使用傳統(tǒng)雷諾平均方法，使用大渦模擬方法可以更真實(shí)地反映的內(nèi)燃機(jī)工作過程中缸內(nèi)氣體流動(dòng)的細(xì)節(jié)和規(guī)律，它既

6、能描繪缸內(nèi)湍流流場(chǎng)中大尺度擬序結(jié)構(gòu)的演變，又能夠捕捉到小尺度湍渦的瞬態(tài)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)流場(chǎng)擬序結(jié)構(gòu)在進(jìn)氣沖程和壓縮沖程階段會(huì)經(jīng)歷:形成、生長(zhǎng)、拉伸與破裂等一系列的變化，且其演化過程與缸內(nèi)總動(dòng)能及湍動(dòng)能的變化規(guī)律有明顯的相關(guān)性。這表明，擬序結(jié)構(gòu)的存在與演化對(duì)于缸內(nèi)湍能的產(chǎn)生及湍流的維持具有關(guān)鍵的作用。
　　最后對(duì)缸內(nèi)湍流場(chǎng)循環(huán)變動(dòng)展開研究。
　　(4)對(duì)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了多周期大渦模擬計(jì)算研究，完成了連續(xù)10

7、0個(gè)完整工作循環(huán)的模擬計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直接比對(duì)，系統(tǒng)地研究了缸內(nèi)湍流場(chǎng)循環(huán)變動(dòng)特性。計(jì)算發(fā)現(xiàn)利用大渦模擬方法可以有效地識(shí)別并區(qū)分單一循環(huán)內(nèi)的湍流脈動(dòng)和各循環(huán)周期間的循環(huán)變動(dòng)。發(fā)現(xiàn)二者均與進(jìn)氣射流強(qiáng)度有著明顯的正相關(guān)性，且循環(huán)變動(dòng)在強(qiáng)度上明顯大于單循環(huán)內(nèi)的湍流脈動(dòng)。在進(jìn)氣前期缸內(nèi)流場(chǎng)呈現(xiàn)出強(qiáng)湍流脈動(dòng)和強(qiáng)循環(huán)變動(dòng)，兩者強(qiáng)度相當(dāng)，但在隨后的過程中，流場(chǎng)呈現(xiàn)強(qiáng)循環(huán)變動(dòng)和弱湍流脈動(dòng)的特點(diǎn)，湍流脈動(dòng)和循環(huán)變動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度保持在15％以內(nèi)。多周期

8、的運(yùn)算結(jié)果還顯示一些流場(chǎng)宏觀流動(dòng)參數(shù)，如渦流比、滾流比等都具有強(qiáng)烈的循環(huán)變動(dòng)特點(diǎn)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)循環(huán)變動(dòng)強(qiáng)度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)成正比，并直接受到氣門最大升程的影響，減小最大氣門升程，循環(huán)變動(dòng)強(qiáng)度將顯著增加。另外，通過相平均統(tǒng)計(jì)運(yùn)算可以確定在研究發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)循環(huán)變動(dòng)時(shí)，若要實(shí)現(xiàn)相平均瞬時(shí)流場(chǎng)收斂，至少需要25個(gè)周期的數(shù)據(jù)采樣;若要實(shí)現(xiàn)相平均脈動(dòng)流場(chǎng)收斂則至少需要50個(gè)周期的數(shù)據(jù)采樣。
　　(5)應(yīng)用本征正交分解(POD)方法對(duì)多周期大渦