基于Fluent内燃机压缩过程数值模拟-孙宝庆

(a) smoothing 参数设置
(b) remeshing 参数设置
图 4 动网格参数设置
图 5 活塞运动参数设置
(a)5oCA 网格
(b)60oCA 网格
(c)120oCA 网格 图 6 不同曲轴转角下动网格模型
(d)180oCA 网格
4
模拟结果分析
4.1 速度场分析
如图 7 所示，本文给出了，在不同曲轴转角下，速度场云图。由图 7 可知，在不同曲 轴转角下速度场云图变化较大，在 0-180oCA 进气过程中，活塞由上止点到下止点运动 140mm,速度最大值变化较大，在 60oCA 时，最大速度为 237ms/s,在 120oCA 时最大速度为 148m/s，而到 180oCA 最大速度为 55.8m/s。由此可得在进气过程中，速度由零逐渐增大， 而后逐渐降低，在进气末尾速度逐渐降低。且由云图可知，在运动过程中存在着漩涡。这 更加有利有在发动机后期燃烧过程中，燃气混合。
[参考文献] [1] 杨忠敏.车用动力柴油化的技术研究与开发方向[J].柴油机设计与制造，2004,(01) [2] 王东,黄震,张有等.螺旋进气道三维流场数值模拟[J].计算机辅助工程， 2007,(09) [3] 曹永悌. 基于 Fluent 对康明斯 ISM370 柴油掺氢发动机燃烧过程的数值模拟[C].郑州： 华北水利水电大学， 2012 [4] 张国庆. 内燃机进排气过程数值模拟[C].太原：中北大学,2013
1
前言
气缸是发动机压缩过程中最主要的工作部件，对缸内气流流动数值模拟也显的格外重 要，同时由于目前随着柴油机转速逐渐提高，柴油机的动力、经济性指标和环保指标的提 高也越来越受到人们的重视。 而这些性能指标的提高在很大程度上受限于燃料的燃烧程度。 气流动状态则对柴油机燃烧室内的混合气生成的质量有着很大的影响。进气道的形状对柴 油机的进气性能有着很大影响，进而也影响着整机的性能 随着有限元技术的成熟，在包括汽车发动机在内的几乎所有工程领域得到愈来愈广泛 的运用 [1] 。有限元技术在汽车发动机零部件设计上的应用也越发成熟。计算流体动力学的 应用可以提高直喷柴油机进气道设计的整体性能，探求气道内每一点气体流动的变化，使 我们了解相应流场的微观结构。同时可以缩短研发周期，大大推动柴油机工业的发 [2]。
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总结
发动机在工作过程中，进气过程和压缩过程作为工作循环的第一步和第二步，占据着 重要的位置。进气、压缩过程的优劣情况，直接影响着发动机的燃烧过程，进而影响着发 动机动力性指标、经济性指标、排放性指标。本文利用 fluent 软件对进气压缩过程做了数 值模拟计算，对发动机内部速度流场和湍动能做了分析： （1）利用 fluent 软件提供的动网格技术，对内燃机进气、压缩过程进行可瞬态数值模 拟，考察了在不同曲轴转角下，气缸内部速度场分布情况，说明了速度场多发动机工作过 程的影响。 （2）考察分析了在不同曲轴转角下，气缸内部湍动能分布，说明了湍动能在内燃机工 作过程中的重要性及模拟地合理性，为工程实际应用有着一定的参考作用。
2
数学模型的建立
2.1 气体流动的控制方程
本文主要是对螺旋进气道的进气流动进行模拟分析， 忽略了流体流动与外界的热交换， 其流动特性主要用连续性方程和动量守恒方程来描述。 连续性方程:
∂u ∂v ∂w + + = 0 ∂x ∂y ∂z
u，v，w 为流动速度分量。 动量守恒方程:
（1）
div(uU ) = div(υgradu ) − div(vU ) = div(υgradv ) −
(a)5oCA
(b)60oCA
(c)120oCA
(d)180oCA
(e)240oCA 图 7 不同曲轴转角下的速度云图
(f)300oCA
4.2 湍动能分析
(a)5oCA
(b)60oCA
(c)120oCA
(d)180oCA
(e)240oCA 图 8 不同曲轴转角下的湍动能
(f)300oCA
如图 8 所示，本文给出了在内燃机工作过程下，不同曲轴转角的湍动能。湍动能是衡 量湍流混合能力的重要指标，在发动机工作过程中，湍动能直接影响的发动机在燃烧过程 的性能呢个，湍动能大的地方，燃气混合较为均匀，燃烧性能较好，反之则可能导致燃烧 不充分或者爆燃爆震等情况。如图 8 所示，在 0-180oCA 曲轴转角进气过程中，湍动能分 布情况变化较大，最大值由 0 一直增大到 500m2/s2，变化较大，但湍动能分布并不规则， 差距较大，证明在进气过程气缸内气流流动紊乱，在 180oCA 曲轴转角之下，湍动能分布 较为规则，最大值出现在接近气缸盖顶部喷油处，这样更加有利有，燃油在喷射过程中可 以和空气更好的混合，提高燃烧性能。
图 1 几何模型的建立
3.2 边界条件设置及网格划分
考虑的本文在计算过程采用的动网格模型，在网格划分过程中采用非结构性网格，网 格大小为 1mm,网格数量为 4770，节点数为 2553。
图 2 网格划分
为了不影响计算结果的准确性，边界条件的设置应尽量的和工程实际相吻合，但由于 实际的边界条件的复杂性，需要做出一些简化，具体设置如图 3，其中 pressure-inlet 边界 在曲轴转角为 180oCA 时有变化为 wall 边界。气缸两侧设置为 wall,气缸顶部设置为 wall, 气缸两侧设置为 wall，在进气过程中，进口压力为 0.1MPa。
（5）
ρ 为流体密度，p 为压力，υ 为运动粘度，Ui 为 i 方向的速度分量。 以上各式中，U 表示速度在各个方向上的分量 u、v、w； υ 为水的运动粘度，m2/s；ρ 为水的密度，kg/m3。
2.2
湍流模型
湍流是三维非稳态带旋转的不规则流动，在湍流中，各层流体相互掺混，流体质点作 不规则的运动。本文采用的是标准 k-ε 方程。 标准 k-ε 方程是个半经验的公式，是从实验现象中总结出的。该模型假设流动为完全 湍流，分子粘性的影响可以忽略，因此只适合完全湍流的流动过程模拟。相对应的输运方 程为：
1 ∂p ρ ∂x 1 ∂p ρ ∂y 1 ∂p ρ ∂z
（2）
（3）
div(wU ) = div(υgradw) −
写成一个式子(i 方向)：
（4）
u
∂ 2Ui ∂ 2Ui ∂ 2Ui 1 ∂p ∂Ui ∂Ui ∂Ui + 2 + 2 +v +w =− +υ 2 ρ ∂x ∂y ∂z ∂x ∂y ∂z ∂x
图 3 边界条件设置
3.3 动网格设置
动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题，由于本文在计 算过程中，由于活塞顶部是由上到下，由下到上的往复运动，因此需要利用动网格技术进 行定义。在使用动网格模型时，必须首先定义初始网格、边界运动的方式并指定参予运动 的区域。 FLUENT 要求将运动的描述定义在网格面或网格区域上。如果流场中包含运动与不运 动两种区域，则需要将它们组合在初始网格中以对它们进行识别。那些由于周围区域运动 而发生变形的区域必须被组合到各自的初始网格区域中。 因此在本文定义中将活塞的上表面（即图 1 中的下部 wall）定义为运动边界 （Rigid-Body），气缸侧壁（图 1 中两侧 wall）定义为变形边界（Deforming）,气缸盖下表 面（图形上部 wall）定义为固定边界（Stationary）[4]。 动网格重画方法采用 smoothing 和 remeshing 相结合的处理方法（图（4）所示），活 塞运动参数结合实际情况进行设计具体如图 5 所示。效果如图 6 所示。
∂
ρε
∂t
+
∂ (ρui ) ∂ µ = µ+ t ∂xi ∂x j σk
∂u j ∂ε ∂ui ∂u µ ρ C C 1ε 2ε t ∂x ∂x ∂ ∂ k x x k j i j j
动网格重画方法采用smoothingremeshing相结合的处理方法图4所示活塞运动参数结合实际情况进行设计具体如图smoothing参数设置remeshing参数设置活塞运动参数设置a5oca网格b60oca网格c120oca网格d180oca网格模拟结果分析41速度场分析如图可知在不同曲轴转角下速度场云图变化较大在0180oca进气过程中活塞由上止点到下止点运动140mm速度最大值变化较大在60oca时最大速度为237mss在120oca时最大速度为148ms而到180oca最大速度为558ms
Numerical Simulation of Internal Combustion Engine Compression Process Based on Fluent
[Zhou Junjie，Sun Baoqing，Wang Mingxia] [Department of Chemical Engineering and Energy of Zhengzhou University,Zhengzhou， 450001]
基于 Fluent 内燃机压缩过程数值模拟
[周俊杰 孙宝庆 王明霞] [郑州大学化工与能源学院，郑州，450001]
[ 摘 要 ] 本文利用 Fluent 软件，采用动网格技术，对某型号内燃机进气、压缩过程进行了瞬态数值模 拟。 介绍了动网格技术在内燃机数值模拟过程中应用及优势， 同时模拟结果对不同曲轴转角下 的速度场、及湍动能进行了分析，说明了计算结果的合理性。 [ 关键词 ] Fluent，动网格，瞬态，速度场，湍动能
C
C
σ
σ
∂
ρε
∂t
+
µ ∂ (ρεui ) ∂ µ+ t = σk ∂xi ∂x j
∂ε ε2 + − ρ ε ρ C E C 1 2 ∂x k + νε j
（7）
3
几何模型及网格模型、边界条件建立
3.1 几何模型建立
[3]
本文以某型号柴油机为原型，建立简化的二维几何模型（如图 1），其中发动机缸径 为 135mm,活塞冲程为 140mm,连杆长度 275mm，余隙为 1.2mm，燃烧室形状为 型，发动 机转速 1800r/min。
[ Abstract ] By using Fluent software, this paper numerically simulates the transient of intake and compression process of a certain type of internal combustion engine by using the dynamic grid technology. The application and advantages of dynamic grid technology in the process of numerical simulation of internal combustion engine are introduced, and at the same time, the simulation results analyze the velocity field and the turbulent kinetic energy under different crank shaft angle, and illustrates the rationality of the calculation results. [ Keyword ] Fluent, dynamic grid, transient, velocity field, turbulent kinetic energy
k 方程右边第二项为由于平均速度梯度引起的湍动能 k 的产生项 Gk。Gb 是由于浮力 引起的湍动能 k 的产生项， 对于不可压缩流体 Gb=0。 YM 代表可压湍流中脉动扩张的贡献， 对于不可压流体，YM=0。根据 Launder 等的推荐值及后来的实验验证，四个经验常数分别
取： 1ε =1.44， 2ε =1.92， ε =1.3， k =1.0。C3ε 为可压流体流动计算中与浮力相关的系 数。对于不可压且不考虑用户自定义源项时，Gb=0，YM=0，Sk=0，Sε=0，方程可简化为：