先进湍流模型在发动机缸内流动模拟中的应用

【摘要】：内燃机缸内湍流流动作为其工作过程中最为重要和基础的部分之一,对内燃机缸内的喷雾、油气混合、燃烧和排放过程均有直接影响,准确模拟内燃机缸内湍流流动对于发动机的设计至关重要。然而,缸内湍流强烈的瞬变性、压缩性以及各向异性的特点使现有数值模拟方法难以实现完全精确的数值模拟。虽然近年来计算机技术的迅猛发展促进了精度更高的大涡模拟(LES)方法和直接数值模拟(DNS)技术的发展,但是其高额的计算成本在实际工程应用中的实用性仍然较差。相比之下,对于计算效率更高、实用性更强的雷诺平均(RANS)模型的研究和改进仍然具有发展空间。本文使用三维计算流体力学(CFD)计算程序KIVA3V,采用最新发展的RANS湍流模型——广义RNG (GRNG)模型,对多种内燃机缸内流动状态进行了数值模拟,探究该模型对于内燃机缸内进气流动过程、喷雾过程、燃烧和排放过程的预测性能,同时考虑工况参数(涡流比、喷油压力和负荷)以及网格密度的影响,将计算结果与实验值进行对比,从而对最新发展的GRNG模型进行较为全面的评估,进一步推广和拓展GRNG模型的应用范围。本文主要在经典的后台阶流流动、单气门发动机进气过程流动、冷态下内燃机缸内喷雾,光学发动机燃烧过程以及重载柴油机的燃烧和排放等过程中对GRNG模型进行模拟验证,计算中以标准k-ε模型和RNG模型作为参考和比较。研究结果表明：在流动的预测中,与标准k-ε模型和RNG模型相比,GRNG模型都有明显改进,尤其是对于后台阶流湍动能分布的预测上,与实验结果吻合良好；对于喷雾的预测,与标准的k-ε模型相比,标准RNG和GRNG模型预测的贯穿距更长,与实验值更接近,另外对于缸内当量比的空间分布形态的预测上,使用GRNG湍流模型的计算结果与实验结果更为接近；在光学发动机燃烧过程的预测中,在不同的涡流比尺s(1.55、2.2、3.5和4.5)和喷油压力Pinj (500 bar.860 bar和1220bar)条件下,与其他两类湍流模型相比,GRNG模型对于缸内压力和放热率的预测都取得了比较高的精度；对于重载柴油机低负荷(IMEP=0.44 MPa)、中负荷(IMEP=1.10 MPa)和高负荷(IMEP=1.95 MPa)下燃烧和排放的预测中,GRNG模型同样展示了良好的预测性能。综合多方面的研究结果来看,新发展的GRNG模型较标准k-ε模型和RNG模型在对内燃机缸内流动的预测性能上有明显改进,说明该模型在内燃机缸内流动模拟应用中具有合理性和实用性。

【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK401