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

1、在各種湍流運動形式中，內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流流動可以說是最為復(fù)雜的一種運動之一。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，其缸內(nèi)氣體充量始終在進(jìn)行著極其復(fù)雜而又強(qiáng)烈瞬變的湍流運動。該運動不僅具有單循環(huán)高度的不定常性，同時又具有多循環(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物理化學(xué)子過程的一個共同的基礎(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)流場瞬態(tài)細(xì)節(jié)，成為人們正確的認(rèn)識內(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內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流特性及循環(huán)變動展開數(shù)值計算，研究了缸內(nèi)湍流場演變特性，包括瞬態(tài)湍流脈動、擬序結(jié)構(gòu)以及流場循環(huán)變動，以期對內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流這種特殊現(xiàn)象的規(guī)律和特點獲得比較深入的了解。本文主要完成的工作如下:
　　首先對缸內(nèi)湍流場的湍流脈動展開研究。
　　(1)在大型發(fā)動機(jī)模擬程序KIVA-3V中添加了動態(tài)Smagorinsky模型，擴(kuò)充了程序的大渦模擬計算模塊。然后通過一臺簡化的氣缸模型冷流試驗對

3、多個大渦模擬亞網(wǎng)格模型進(jìn)行了實例驗證，并與使用雷諾平均RNG模型計算得到的結(jié)果進(jìn)行了比對。同時分析了網(wǎng)格密度、數(shù)值差分格式對缸內(nèi)湍流場大渦模擬效果的影響。計算發(fā)現(xiàn)使用大渦模擬方法對缸內(nèi)湍流場的模擬結(jié)果明顯好于使用傳統(tǒng)雷諾平均方法。無論是缸內(nèi)湍流場的整體宏觀流動，還是流場局部小尺度渦團(tuán)的隨機(jī)脈動，均可以被有效描述。在選用的亞網(wǎng)格模型中，動態(tài)Smagorinsky模型和亞網(wǎng)格單方程模型對于模擬缸內(nèi)流場均有較好的表現(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。本研究中使用的大渦模擬亞網(wǎng)格模型和計算網(wǎng)格體系可以有效地捕捉到流場90％以上的流場動能，從而保證了對實際發(fā)動機(jī)模擬的有效性。
　　(2)對一臺實際發(fā)動機(jī)的迸氣和壓縮過程進(jìn)行了大渦模擬計算，對流場整體空間分布、局部脈動細(xì)節(jié)、動能演變以及宏觀流動參數(shù)等多方面進(jìn)行了考察，并與試驗測量結(jié)果進(jìn)行了直接比對，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣射流是產(chǎn)生缸內(nèi)強(qiáng)湍流場的主要原因，其次是缸體壁面以及活塞對工質(zhì)流動的摩擦作用。隨著進(jìn)

5、氣射流強(qiáng)度的下降，湍流脈動逐漸削弱，流場的各向異性程度下降。另外發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對缸內(nèi)湍流場影響很大，湍動能、動能耗散率以及湍流渦粘系數(shù)均與活塞平均運行速度接近于正比關(guān)系。
　　其次對缸內(nèi)湍流場擬序結(jié)構(gòu)展開研究。
　　(3)采用大渦模擬結(jié)合渦結(jié)構(gòu)識別的數(shù)學(xué)方法Q準(zhǔn)則判別法對內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流場的大尺度擬序結(jié)構(gòu)特性展開研究。計算發(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地反映的內(nèi)燃機(jī)工作過程中缸內(nèi)氣體流動的細(xì)節(jié)和規(guī)律，它既

6、能描繪缸內(nèi)湍流流場中大尺度擬序結(jié)構(gòu)的演變，又能夠捕捉到小尺度湍渦的瞬態(tài)隨機(jī)運動。同時還發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)流場擬序結(jié)構(gòu)在進(jìn)氣沖程和壓縮沖程階段會經(jīng)歷:形成、生長、拉伸與破裂等一系列的變化，且其演化過程與缸內(nèi)總動能及湍動能的變化規(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。
　　最后對缸內(nèi)湍流場循環(huán)變動展開研究。
　　(4)對實際發(fā)動機(jī)缸內(nèi)冷態(tài)流場進(jìn)行了多周期大渦模擬計算研究，完成了連續(xù)10

7、0個完整工作循環(huán)的模擬計算，并與試驗結(jié)果進(jìn)行直接比對，系統(tǒng)地研究了缸內(nèi)湍流場循環(huán)變動特性。計算發(fā)現(xiàn)利用大渦模擬方法可以有效地識別并區(qū)分單一循環(huán)內(nèi)的湍流脈動和各循環(huán)周期間的循環(huán)變動。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)變動在強(qiáng)度上明顯大于單循環(huán)內(nèi)的湍流脈動。在進(jìn)氣前期缸內(nèi)流場呈現(xiàn)出強(qiáng)湍流脈動和強(qiáng)循環(huán)變動，兩者強(qiáng)度相當(dāng)，但在隨后的過程中，流場呈現(xiàn)強(qiáng)循環(huán)變動和弱湍流脈動的特點，湍流脈動和循環(huán)變動的相對強(qiáng)度保持在15％以內(nèi)。多周期

8、的運算結(jié)果還顯示一些流場宏觀流動參數(shù)，如渦流比、滾流比等都具有強(qiáng)烈的循環(huán)變動特點，同時還發(fā)現(xiàn)流場循環(huán)變動強(qiáng)度與發(fā)動機(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)變動強(qiáng)度將顯著增加。另外，通過相平均統(tǒng)計運算可以確定在研究發(fā)動機(jī)缸內(nèi)流場循環(huán)變動時，若要實現(xiàn)相平均瞬時流場收斂，至少需要25個周期的數(shù)據(jù)采樣;若要實現(xiàn)相平均脈動流場收斂則至少需要50個周期的數(shù)據(jù)采樣。
　　(5)應(yīng)用本征正交分解(POD)方法對多周期大渦