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广义RNG湍流模型及其在柴油机低温燃烧模拟中应用的研究

王宝林  
【摘要】:内燃机缸内燃烧过程的多维数值模拟技术已成为当前汽车发动机产品先进设计与开发的重要手段。而内燃机缸内湍流的数值模拟,作为整个缸内数值模拟过程中最重要、最基础部分之一,其重要性不言而喻。由于内燃机缸内湍流运动具有强瞬变性、强压缩性、强旋转性以及各向异性的特点,因此对其的准确模拟是非常复杂和困难的。近年来随着计算机科技水平的长足发展,采用大涡模拟技术(LES),甚至是直接数值模拟(DNS)技术对发动机缸内湍流过程进行计算逐渐成为可能。且与传统基于雷诺平均(RANS)的湍流模型相比,LES显示出了高的流场分辨率、能够解析发动机流场与燃烧过程中的循环变动等优势。但其高额的计算成本在工程上仍然难以接受。因此在未来数十年里,计算效率更高、实用性更好的RANS湍流模型仍将成为工程上发动机缸内湍流及燃烧过程数值计算和研究的主要方法。然而虽然历经几十年的发展,RANS湍流模型对内燃机缸内湍流及燃烧过程数值模拟的精确度仍然不令人满意。主要原因是该模型不能完全地再生缸内紊流的物理特征,导致气液两相耦合不准确,使得计算得到的数值结果与实验值仍有不小差距。因此,继续致力于该类模型的改进研究和应用仍然具有十分重要的实用价值。而这也就形成了本文研究的核心内容。 文中首先借助不可压缩空气射流和可压缩氦气射流实验结果、发动机缸内复杂湍流光学LDV和PIV实验测量结果以及先进直接数值模拟(DNS)结果,对工程上常用的标准k-ε湍流模型和基于重整化群理论(RNG)推导的RNG k-ε湍流模型的性能进行了深入地数值评估。结果表明:现有湍流模型存在明显缺陷,预测的湍流特征参数尤其是湍流长度尺度的变化规律与实验结果偏差很大。解决湍流模型这些问题的一个潜在办法是将模型耗散方程中的主要模型系数模拟为依赖于流场的特征应变(或湍流与平均流时间尺度的比例)。 根据以上评估结论提供的思路和方向,本文基于湍流快速压缩畸变理论以及各向同性湍流的衰减分析,推导出了能够反映流场压缩形态随流场局部应变率张量变化的广义RNG封闭模型。该模型的主要特征是其主要模型系数均被推理模拟为局部流场应变率张量的函数。为了验证发展的广义RNG湍流模型,文中在多种经典湍流模型发展算例中测试了该模型。如不可压缩空气射流、可压缩氦气射流、后台阶流以及内燃机复杂进气及缸内流动等。与标准RNG湍流模型以及k-ε模型相比,广义RNG湍流模型明显改进预测结果,预测的湍流相关参数与实验结果吻合更好。 由于发动机缸内燃烧过程中的热力场与湍流场是高度耦合的,湍流涡粘性在油-气混合控制的发动机缸内燃烧过程中扮演着非常重要的角色。为此,文中最后将发展的广义RNG封闭模型应用于采用部分预混压缩着火(PPCI)控制的直喷柴油机缸内低温燃烧(LTC)过程的多维数值模拟中。广义RNG湍流模型预测的柴油机缸内油气混合形成、蒸发、燃烧放热以及主要排放物UHC、CO、NOx与Soot的生成及发展历程,将与标准RNG湍流模型的计算结果以及光学发动机实验测量结果进行对比和分析。结果表明:广义RNG湍流模型明显改进柴油机的预测结果,其预测的缸内主要排放物尤其是UHC的生成及其空间分布与实验结果更好地吻合。


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