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汽油机多循环数三维工作过程数值模拟研究

王春发  
【摘要】:在内燃机的开发与设计过程中,内燃机工作过程数值模拟已经成为非常重要且十分有效的辅助手段。通过模拟计算和优化设计,可以预测出最佳的设计方案,大大节约了发动机研发的时间、财力、物力,缩短研发周期。数值模拟和实验研究一起有力的推动着内燃机的研究与发展。 在以往的研究中,内燃机工作过程数值模拟对各部分各阶段的研究基本是各自分开或者仅一至两项合成一起进行的。近年来,对内燃机的三维模拟研究涉及到进气、压缩、做功、排气四个冲程,但这些研究都只是基于一个单循环的工作。由于内燃机工作过程三维数值模拟中初始条件及边界条件的复杂性,这些方法不能完全反映实际情况,甚至有可能和实际的工作过程相差甚远。为此,有必要对内燃机的整个工作过程做完整的多循环数三维数值分析,这对于发展三维数值发动机技术的研究具有重要的意义。 本文发展了一种直喷式汽油机多循环数三维工作过程模型,建立了发动机从进气道-进气门-缸内-排气门-排气道系统的三维流动计算的数学模型,完善了燃油喷雾混合模型,给出了燃油燃烧的化学反应机理,以及多维模拟的着火和燃烧模型。提出了多循环数三维工作过程的收敛准则、初始条件和边界条件及其处理方法,为在计算机上进行多循环数三维工作过程计算提供了重要的途径。 通过对一四气门缸内直喷式汽油机多循环数的三维工作过程计算研究,详细地描述了汽油机多循环数三维工作过程中的流场、压力场、温度场、燃油喷射、燃烧混合燃烧过程、湍流动能分布等,并对发动机在不同工作过程循环中的结果进行了对比分析。揭示出了在三维工作过程模拟计算中,缸内压力、温度、流场、湍流能等分布随计算循环数增加而变化的规律。探讨了结构化网格的生成原理和方法,并以螺旋与切向组合气道为例详细说明了网格生成技术中的分块技巧。建立了四气门汽油机多维循数三维工作过程模拟计算的结构化网格,并针对气门的运动规律,提出了动态网格的调整和修正方法。


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