柴油机缸内流场的PIV技术应用研究及数值模拟

【摘要】： 内燃机诞生一百多年以来,以其高的热效率在热动力机械中占据榜首。当前,完善内燃机尤其是柴油机的高效燃烧、清洁排放仍然是保证其继续发展的重要任务。 内燃机缸内过程的进行,包括燃烧与排放的各个阶段,无一不是基于缸内工质的流动,因而对内燃机缸内流动的研究,实际上也是对内燃机全面研究的基础。在这一研究领域,实验、数值模拟都缺一不可,本文在这两方面进行了研究。 在柴油机缸内流动的测试方面,PIV技术的先进性是克服了此前其他测试仪器对缸内流动测试的单点、非瞬态和对流场有干扰的缺点,因而成为研究者期待已久的测试手段。它在测试柴油机缸内流场时可以取到的瞬时、全场和无干扰的结果使得PIV技术成为当今流动测试的标准技术。所以,研究和使用这一技术成为本文的一个主要内容。 首先,本文研究了PIV原理并为在2135柴油机上进行缸内流场的测试而组建了倒拖条件下的实验台。其次,为在汽缸盖上安排PIV拍照和取景窗孔去挖掉排气阀而设计制作了保证原运动规律的新排气系统。第三,以流体力学和理论力学为基础,充分论述了进行PIV实验的另一关键技术即示踪粒子跟随性的两相流理论,借鉴描述颗粒运动的BBO方程,建立了示踪粒子跟随性的数学模型,提出了判别示踪粒子跟随性的标准。第四,本文在柴油机上进行PIV实验,首创了采用柴油雾化粒子取代其他示踪粒子,不仅依据严密,而且经实验验证,使用效果好,来源方便、经济。第五,因为PIV测试时必需用片光照射流场,故根据几何光学原理,设计制作了生成片光的透镜光组,同时借助于白光的衍射机理,采取措施而避开衍射干扰,完成了“片光”的产生和应用。第六,因拍摄缸内流场需要近景技术,本文设计、制作了固定式接圈,在测试中得到了缸内流场高质量的PIV照片。最后,根据CCD使用说明书,本实验自行设计、制作了电子同步控制系统和选择了PIV照片的后处理相关技术。上述为文中第二章内容。 通过对PIV技术的研究及应用,本文得到了柴油机缸内流场测试的理想结果。而将相同拍摄条件的缸内流场进行数值模拟,以期二者的对比是本文的另一主要内容。 对于数值模拟,计算机的诞生与发展,使得世界各国的内燃机研究机构纷纷将数值模拟应用于内燃机,并将各种复杂流动包括柴油机缸内过程的研究与PIV这一高新实验技术结合起来,这种互相验证、补益和推动使流动研究得到迅速发展。本文的数值模拟是以进行PIV测试的2135柴油机为代表,施以完整准确的结构数据、真实的边界条件,在进行科学合理的一些设定之后作了大量的模拟计算,得到了一些重要结论:①小型高速柴油机进气冲程在高涡流比下进行,其进气角度一般是压缩冲程的2倍以上,较长时间的进气历程以及在生成高涡流比的进气道和非对称布置的进气阀作用下,缸内进气与压缩冲程的流动一直受进气涡流的惯性影响而呈现出很好的流动规律性。②受进气涡流影响和压缩冲程的连续作用,喷射阶段的油束和燃烧阶段的各个火焰团都随涡流惯性而围绕汽缸中心线转动。⑧相同转速下,不同结构燃烧室的缸内流场和速度变化非常相似;而不同转速条件下即使燃烧室形状相同,其流场图形和速度的变化也很明显。此段见文中第三章内容。 比较与分析两种研究方法的结果得到:一、PIV测试结果与采用k-ε数学模型所作的数值模拟结果具有定性上的相同,二者的缸内径向流场在压缩冲程的后期都呈现出对称于汽缸中心的一个大的旋流涡。二、PIV测试结果揭示:压缩冲程的径向流场在保持大的旋流涡的宏观图形下其流场分析图片始终都有微涡存在,此点与数值模拟(采用k-ε数学模型时)得到的结果略有不相同。该部分见文中第四章内容。