内燃机缸内流体动力学(CFD)仿真系统的开发与应用

设计了一个内燃机缸内流体动力学仿真软件平台．依据流体动力学基本理论,结合内燃机缸内工程模型,利用FORTRAN语言双精度算法设计源程序;同时设计专门的可视化模块将计算结果导入AOTUCAD通用软件中自动显示,开发出了集网格划分、CFD计算和可视化于一体的内燃机缸内流体动力学仿真系统．系统测试表明：仿真平台能准确反映客观因素对缸内状态的影响规律。能为下一阶段的燃烧过程仿真提供数据支持,能预测内燃机排放,可以在内燃机行业推广应用．     

传统缸内壁面传热模型在氢内燃机中的适用性

针对传统内燃机缸内传热模型在氢内燃机传热预测计算中的适用性问题,研究了LaunderSpalding模型、Huh模型、Poinsot模型、Han-Reitz模型和Rakopoulos模型在氢内燃机的压缩和膨胀冲程中的应用,为此编制程序将上述模型嵌入到开源计算流体动力学(CFD)工具包OpenFOAM的求解器中,并对一个氢内燃机缸内反应流动的算例进行了传热的预测计算和实验验证。研究表明:相对其他模型,Rakopoulos模型对氢内燃机传热热流的预测最为准确,优于AVL-Fire软件中推荐的Han-Reitz模型,可作为AVL-Fire软件二次开发进行氢内燃机的相关模拟计算;除Rakopoulos模型之外的模型适用性较差的原因是,不能准确描述氢内燃机缸内边界层中的工质物性及湍流黏性的分布规律,通过改进氢内燃机缸内边界层中的密度、黏度、湍流普朗特数分布有望提高氢内燃机传热模型的适用性;准确预测壁面热流峰值时刻需要对燃烧模型的火焰传播过程计算进行详细校核。     

切向/螺旋进气道稳流实验与数值仿真

为了研究内燃机进气道及缸内的流动规律,并验证数值仿真在内燃机中流动的可行性,对典型的内燃机切向/螺旋组合进气系统的三维流场进行了稳流实验,并用商业软件Fluent数值仿真了实验条件下进气道及缸内流场.由文中给出的算法计算的涡流比及流量系数与实验结果具有较好的一致性.通过仿真流场分析发现,随着气流逐渐远离气缸盖,垂直于气缸轴向的截面上速度分布越规整,越易形成单一方向的旋涡.研究结果表明,数值仿真可以较准确地得到直观的进气道和缸内流场,补充了稳流实验.     

基于Modelica语言对气体机工作过程的建模和仿真

采用面向对象的建模方法,根据独立性和物理划分原则对发动机缸内工作过程部分进行了模块化划分,利用多领域统一建模规范Modelica语言建立了天然气发动机单个气缸工作过程(包括缸内过程和换气过程)的仿真模型,仿真分析了2135天然气发动机在某些工况下的缸内压力和温度等参数,并将仿真压力与实验的测量数据进行对比,相对误差在合理的范围内,证明了该模型能够预测天然气发动机的缸内气体压力等重要的状态参数,为天然气发动机缸内工作过程的研究提供仿真基础。     

基于连续可变压缩系数的内燃机缸内湍流数值计算

论述了内燃机缸内压缩形式随着燃烧室几何形状的不同而改变的观点,结合燃烧室主要几何尺寸参数采用数值计算方法对缸内压缩形式进行插值计算,改进已有k - ε湍流模型中体现压缩性的系数,从而修正了缸内k - ε湍流模型.进一步将修正后的模型应用于一内燃机缸内湍流数值计算中,得到的计算结果与标准k - ε模型计算结果以及实验结果进行了比较.结果表明:修正后的湍流k - ε模型模拟精确性有所提高,适用于计算内燃机缸内湍流运动.     

基于耦合动力学的直线氢内燃机工作特性研究

根据活塞动力学方程和热力学方程,建立了直线氢内燃机零维数值计算模型,获得了直线氢内燃机活塞运动学特点.通过耦合零维动力学模型和燃烧室动网格模型,建立了直线氢内燃机燃烧过程CFD模型,对比传统氢内燃机和直线汽油发动机,分析了直线氢内燃机工作过程性能状况.仿真计算结果表明:与传统氢内燃机相比,直线氢内燃机燃烧持续期较长,最高燃烧压力和平均温度均较小,这有利于控制NO排放,但燃烧等容放热量较少,后燃较严重,指示效率较低;相对于直线汽油机,直线氢内燃机燃烧过程火焰传播速度快,燃烧持续期较短,指示效率较高.     

三缸内燃式水泵的动力性仿真

针对传统的活塞式内燃机-柱塞泵系统的缺点,研制了三缸内燃式水泵(ICWP).阐述了三缸ICWP的工作原理,建立了系统的运动学、动力学模型,并对其动力性进行了仿真.与活塞式内燃机-柱塞泵系统相比,三缸ICWP输出压力全工况改善20.67%～87.67%,输出流量在全工况基本没有变化,有效功率全工况改善20.67%～87.67%.     

缸径和压缩比对微型内燃机微燃烧性能的影响

为了考察缸径和压缩比对微型内燃机微燃烧特性的影响规律和机理,采用层流有限速率模型耦合甲醇-硝基甲烷燃烧化学反应机理,对其燃烧过程进行了多维仿真.深入分析了缸径和压缩比对微燃烧特性的影响.仿真结果与实验结果比较一致,缸径对甲醇-硝基甲烷微型内燃机微燃烧特性影响显著.当缸径从9.00mm减小到3.38mm时,在压力上升阶段,缸内压力和温度增大;最高压力值先增大后减小,最终最高压力值下降约6×105 Pa,到达最高压力值所需时间缩短约30℃A;燃气燃烧速率也增大,完全燃烧时刻提前约40℃A.进一步分析揭示了缸径影响燃烧特性的本质机理,缸径对缸内燃烧特性的影响取决于缸内未燃燃气总量、散热损失占燃烧释放总热量比值、燃料完全燃烧时刻这3个因素.在给定参数下,实现完全燃烧临界缸径约为3.38mm.随压缩比提高,缸内压力和温度增大且最高压力值和温度值也增大.     

二甲醚发动机燃烧过程的数值模拟

通过建立二甲醚发动机燃烧模型并耦合入KIVA程序中,使其具有二甲醚发动机燃烧过程的数值模拟能力.用数值模拟仿真计算二甲醚发动机燃烧过程,得到缸内炭烟生成量、NOx排放量、不同燃料防热率等实时数据信息.研究结果表明,仿真结果与试验结果相同,基本反映二甲醚发动机燃烧过程的主要规律.经过与原柴油机工作情况的对比分析,表明二甲醚发动机排放性能较好.     

基于多软件的实时发动机仿真开发研究

基于多软件的联合仿真平台,搭建了某型号内燃机模型,提出了一种基于多软件仿真平台搭建可实时响应的内燃机模型的建模方法。通过仿真结果与相应的发动机台架测量数据相比较,验证了发动机模型可以准确预测发动机的主要瞬态特性,为进一步的研发积累了经验。     

基于缸内压力振荡的冷EGR对汽油机爆震特性的影响

基于内燃机缸内压力波动方程研究了冷废气再循环(EGR)对汽油机爆震特性的影响.由KIVA-3V燃烧程序的三维流场推导出内燃机缸内压力波动方程,并分别从均值压力和波动压力角度来讨论冷EGR对汽油机爆震的影响规律.分析了不同冷EGR率下燃烧室温度、均值压力和波动压力等燃烧特性.结果表明:随着冷EGR率的增加,缸内燃烧温度、压力升高率大大降低,燃烧持续期明显增加;同时,缸内压力波动幅值明显降低而均值压力变化不大,可见引入适当的冷EGR率对汽油机高频压力振荡有很好的抑制作用.最后,对缸内压力波动进行频谱特性分析,探讨了燃烧室空腔共鸣和发动机爆震之间的关系.     

Three-dimensional transient numerical simulation for intake process in the engine intake port-valve-cylinder system

This paper presents a KIVA-3 code based numerical model for three-dimensional transient intake flow in the intake port-valve-cylinder system of internal combustion engine using body-fitted technique, which can be used in numerical study on internal combustion engine with vertical and inclined valves, and has higher calculation precision. A numerical simulation (on the intake process of a two-valve engine with a semi-sphere combustion chamber and a radial intake port) is provided for analysis of the velocity field and pressure field of different plane at different crank angles. The results revealed the formation of the tumble motion, the evolution of flow field parameters and the variation of tumble ratios as important information for the design of engine in-take system.     

柴油机纯氧燃烧过程及缸内喷水影响的模拟研究

针对高压共轨柴油机搭建流体动力学仿真模型,研究不同进气氧体积分数对柴油机纯氧燃烧过程的影响,并验证缸内喷水对热效率的优化能力。结果表明,氧含量的提高增加了缸内比热比,使压缩行程缸内压力及温度提高,并促进缸内燃烧反应,进一步提升缸内湍流强度,燃烧相位提前;在5℃A ATDC(上止点后)向缸内喷入160℃的高温高压水,可实现对缸内燃烧过程的控制,并通过吸收燃烧放热、汽化膨胀,推动活塞做功,可提高热效率约3.75%。     

发动机催化燃烧多维数值模拟

将发动机三维CFD程序KIVA-3V与化学动力学程序CHEMKIN Ⅲ及DETCHEM相耦合,模拟了催化燃烧对均质压燃(HCCI)发动机燃烧过程及排放的影响.发动机以甲烷为燃料,其表面和空间氧化反应采用了详细的动力学机理.利用此模型分析了活塞顶催化剂铂(Pt)或铑(Rh)涂层对HCCI发动机着火时刻、缸内温度场及HC、CO、NOx 排放的影响,结果表明催化燃烧会使HCCI发动机着火时刻提前,同时能降低HC、CO的排放,但会提高NOx 的排放;在相同工况下,相比催化剂Pt,催化剂Rh使HCCI发动机着火时刻提前的幅度要大,同时HC的排放要低,但CO及NOx 的排放要高.     

柴油机的性能改进及缸内工作过程的三维数值模拟

论述了1105柴油机的改进原理,对改进前的花瓣型燃烧室和改进后的盆形燃烧室建立了几何模型并划分动态网格.利用仿真软件STAR-CD对改进前后的1105柴油机的燃烧过程进行三维数值模拟,计算了两种不同燃烧室的缸内气相流场及其燃烧的温度场和压力场,并进行了对比分析.试验结果表明,模拟计算值与实测值基本吻合,改进后的盆形燃烧室的1105柴油机有更好的动力性和燃油经济性.表明在模拟精度达到一定水平时,发动机缸内燃烧过程的三维仿真计算可用来降低产品的研制周期和费用,是一种有效的研究和设计手段.     

初始条件及喷雾对柴油机缸内流动影响研究

将柴油机缸内气体与整个燃烧室部件(气缸盖-气缸套-活塞组)作为一个耦合体,在对耦合体进行传热数值模拟的基础上得到缸内流动计算的壁面边界条件.利用大型通用CFD软件STAR-CD及ES-ICE对6110柴油机缸内三维非稳态流动进行数值模拟研究,着重分析不同初始条件及燃油喷射对缸内流动的影响.研究结果表明初始条件在柴油机进气过程缸内流场多维计算中主要影响流场的流动状态,特别是涡团形状和中心位置;喷雾过程中燃油的喷射流动直接影响到缸内的流场分布.     

基于FEM及KIVA的内燃机耦合部件传热建模

为了更为准确地对内燃机耦合部件三维燃烧过程进行模拟,开发了一种内燃机燃烧室耦合部件三维传热有限元法（FEM）计算程序.建立了内燃机气-固传热模型;通过将该模型应用于KIVA程序,可获取用于有限元计算的燃烧室壁面的三维瞬态燃气温度分布及对流换热系数分布.以汽油机LJ377MV为例,计算了内燃机耦合部件的稳态温度场及瞬态温度场,结果表明：壁面附近瞬态温度边界条件的不均匀性对内燃机耦合部件稳态温度分布及瞬态温度波动有着重要影响.     

HCCI汽油机缸内热力学状态的影响因素

缸内热力学状态对汽油机HCCI着火及燃烧过程有着决定性的影响本文在全可变气门机构单缸试验发动机上,系统研究了残余废气率、有效压缩比、空燃比、进气温度、冷却水温、进气流态以及发动机转速等参数对缸内热力学状态的影响规律．研究发现,在较大区域改变内部残余废气率时,HCCI燃烧存在热状态自稳定效应．内部残余废气、冷却水温、进气温度、空燃比、有效压缩比都可以作为控制HCCI燃烧缸内热力学状态的参数．通过对内部残余废气率、有效压缩比以及空燃比的协同管理,可以实现对缸热力学状态的快速管理,进而实现对汽油机HCCI燃烧相位的控制．     

内燃机燃烧分析仪的开发与应用

为了测录内燃机缸内的压力及温度,开发了一种内燃机燃烧分析仪,该分析仪由国产高速数据采集卡及自行开发的控制软件组成,它不仅能精确设置每度曲轴转角内采样点的个数和采集循环数,而且在采集过程中能实时计算和表征内燃机工作过程的压力升高率、平均指示压力、循环变动率、放热率等参数。经实际使用以及与国外产品相比表明,此分析仪具有全中文界面、价格低、操作简单、使用维护方便、功能便于扩充等优点。