内燃机缸内湍流流动的数值模拟

【摘要】： 内燃机缸内流动是极其复杂的三维湍流流动，其流动具有强压缩性、强非 定常性、强旋转和各向异性的特点。这就使线性涡粘度模型以及线性雷诺应力 模型都不适合模拟内燃机缸内湍流流动，而雷诺应力微分模型计算成本太高， 使它也不太适合计算内燃机缸内湍流流动。计算成本不是很高，同时具有一定 精度的湍流模型是工程上所希望的，因此，本文旨在对新一代的几种涡粘度模 型即RNG k-ε模型和非线性代数应力模型进行较深层次的探索。本文完成的主 要工作为： 1．将RNG k-ε湍流模型应用于内燃机缸内湍流的计算，并借助快速畸变理 论进行压缩性修正，将前人的结果从单纯的球对称压缩推广到更适合于内燃机 的一维轴向压缩和二维轴对称压缩。并与标准的k-ε模型算得的结果和实验结 果做了比较。结果表明，RNG k-ε湍流模型算得的结果比k-ε模型有所改进。 2．利用张量不变性原理建立了一个非线性代数应力模型，其中压力应变项 是基于Lee由快速畸变理论导出的解析解，通过引入参考总应变而使模型包含 了平均流变化的历史效应。用此模型对几种内燃机缸内的流场进行计算，结果 表明此模型在定量和定性上较之k-ε模型和基于LRR模型的非线性代数应力模 型都有所改进。 3．提出了k-ε-A_2非线性三方程湍流模型的一个新方案，此模型采用了雷 诺应力张量和应变张量的三阶本构关系，其中出现的雷诺应力第二不变量A_2是 通过求解其输运方程得到的。针对原模型不能反映平顶活塞压缩上死点处各向 异性的问题，本文给其本构方程增加了一附加项。通过计算表明，如此修正后 的非线性三方程模型克服了涡粘度模型不能反映平顶活塞压缩上死点处各向异 性的缺陷。 4．对以上三种模性的优缺点和适用范围进行比较、分析和总结，并选择其中 最佳者，即本文提出的新的k-ε-A_2三方程模型对不同构形燃烧室及不同工况参 数下内燃机缸内流动进行计算，以探索燃烧室几何形状和转速、压缩比、初始 压力等工况参数对缸内湍流特性的影响以及提高缸内湍流强度可行的途径。