廣義RNG湍流模型及其在柴油機(jī)低溫燃燒模擬中應(yīng)用的研究.pdf

1、內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的多維數(shù)值模擬技術(shù)已成為當(dāng)前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品先進(jìn)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的重要手段。而內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流的數(shù)值模擬，作為整個(gè)缸內(nèi)數(shù)值模擬過(guò)程中最重要、最基礎(chǔ)部分之一，其重要性不言而喻。由于內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)具有強(qiáng)瞬變性、強(qiáng)壓縮性、強(qiáng)旋轉(zhuǎn)性以及各向異性的特點(diǎn)，因此對(duì)其的準(zhǔn)確模擬是非常復(fù)雜和困難的。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)科技水平的長(zhǎng)足發(fā)展，采用大渦模擬技術(shù)（LES），甚至是直接數(shù)值模擬（DNS）技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)湍流過(guò)程進(jìn)行計(jì)算逐漸成為可能。且與傳統(tǒng)

2、基于雷諾平均(RANS)的湍流模型相比，LES顯示出了高的流場(chǎng)分辨率、能夠解析發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)與燃燒過(guò)程中的循環(huán)變動(dòng)等優(yōu)勢(shì)。但其高額的計(jì)算成本在工程上仍然難以接受。因此在未來(lái)數(shù)十年里，計(jì)算效率更高、實(shí)用性更好的RANS湍流模型仍將成為工程上發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)湍流及燃燒過(guò)程數(shù)值計(jì)算和研究的主要方法。然而雖然歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，RANS湍流模型對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流及燃燒過(guò)程數(shù)值模擬的精確度仍然不令人滿意。主要原因是該模型不能完全地再生缸內(nèi)紊流的物理特征，導(dǎo)致氣

3、液兩相耦合不準(zhǔn)確，使得計(jì)算得到的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值仍有不小差距。因此，繼續(xù)致力于該類模型的改進(jìn)研究和應(yīng)用仍然具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。而這也就形成了本文研究的核心內(nèi)容。
　　本文首先借助不可壓縮空氣射流和可壓縮氦氣射流實(shí)驗(yàn)結(jié)果、發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)復(fù)雜湍流光學(xué)LDV和PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果以及先進(jìn)直接數(shù)值模擬（DNS）結(jié)果，對(duì)工程上常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和基于重整化群理論（RNG）推導(dǎo)的RNG k-ε湍流模型的性能進(jìn)行了深入地?cái)?shù)值評(píng)估。結(jié)果表明：

4、現(xiàn)有湍流模型存在明顯缺陷，預(yù)測(cè)的湍流特征參數(shù)尤其是湍流長(zhǎng)度尺度的變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差很大。解決湍流模型這些問(wèn)題的一個(gè)潛在辦法是將模型耗散方程中的主要模型系數(shù)模擬為依賴于流場(chǎng)的特征應(yīng)變（或湍流與平均流時(shí)間尺度的比例）。根據(jù)以上評(píng)估結(jié)論提供的思路和方向，基于湍流快速壓縮畸變理論以及各向同性湍流的衰減分析，推導(dǎo)出了能夠反映流場(chǎng)壓縮形態(tài)隨流場(chǎng)局部應(yīng)變率張量變化的廣義RNG封閉模型。該模型的主要特征是其主要模型系數(shù)均被推理模擬為局部流場(chǎng)應(yīng)變率張

5、量的函數(shù)。為了驗(yàn)證發(fā)展的廣義RNG湍流模型，文中在多種經(jīng)典湍流模型發(fā)展算例中測(cè)試了該模型。如不可壓縮空氣射流、可壓縮氦氣射流、后臺(tái)階流以及內(nèi)燃機(jī)復(fù)雜進(jìn)氣及缸內(nèi)流動(dòng)等。與標(biāo)準(zhǔn)RNG湍流模型以及k-ε模型相比，廣義RNG湍流模型明顯改進(jìn)預(yù)測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)的湍流相關(guān)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合更好。由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程中的熱力場(chǎng)與湍流場(chǎng)是高度耦合的，湍流渦粘性在油-氣混合控制的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程中扮演著非常重要的角色。為此，文中最后將發(fā)展的廣義RNG封閉