内燃机燃烧过程数值模拟技术发展概况--

内燃机燃烧过程数值模拟技术发展概况
650051　昆明理工大学交通学院 沈颖刚　王宇琳　郑　伟　申立中　韦静思
摘要　介绍了内燃机燃烧过程数值模拟的类型及其国内外发展概况。

Abstract　The types of numerical calculation on combustion process and development at home and abroad are described. 关键词:内燃机　燃烧　模拟
内燃机燃烧过程模拟,是综合运用热力学、流体力学、传热传质学、化学反应动力学和数值计算等学科的知识,来描述内燃机工作过程中缸内流动工质、传热和流体力学与热力学行为的一组物理和化学的数学方程式。

它从内燃机有关工作过程的物理化学模型出发,用微分方程对有关工作过程进行数学描述,然后用数值计算方法求解,求得各参数随时空的变化规律,进而可以了解有关参数对内燃机性能的影响。

根据内燃机研究对象的不同,对不同的问题采用了不同的处理方法,提出了各种燃烧模型。

燃烧模型通常按照维数分为零维模型、准维模型和多维模型三类。

1　零维模拟
零维模型是假定气缸内工质均匀分布,各种热力学参数和热物性参数处处相等,即随时处于热力学平衡状态,因此零维模型又叫热力学模型。

零维模型抽去燃烧物理-化学反应的复杂中间过程,仅把燃烧看成是按一定规律向系统加入热量的过程。

这些模型对于分析、计算和预测内燃机性能起了重要的作用,能够预估燃烧过程中的主要性能参数,已被广泛用于内燃机设计和研究中去。

零维模型主要应用在两个方面:一方面,根据已知示功图计算放热率曲线,通过缸内工质的能量守恒方程、质量守恒方程、理想气体状态方程及各种气体的热物性参数、壁面传热公式等关系计算出缸内燃料的放热率或燃烧率;另一方面,用经验的放热规律预测示功图,计算各种参数变化对内燃机性能的影响,以期找出最佳参数匹配。

但是,零维模型用简单的数学关系掩盖了燃烧中物理-化学反应过程的本质,无法从机理上把握其规律性,也不能预测排放物的生成;而计算的准确性又依赖于经验系数的选取,计算结果与内燃机型式及运行条件有很强的依赖关系。

2　准维模拟
准维模拟是把零维模型的热力学框架应用的范围拓宽到燃烧过程的变化,即通过现象子模型预测内燃机燃烧过程的某些细节,考虑了燃烧过程中未燃区域、燃烧区域和易燃区域等的实际存在。

准维模型虽然未仔细考虑空间分布,但从燃烧、可燃混合气形成、火焰传播现象出发,列出描述分区内各参数随时间变化的关系式,计算各分区内的温度和浓度。

由于对柴油机燃烧过程分析方式的不同,目前已发展了多种不同观点、不同功能、不同用途的准维燃烧模型,其中美国康明斯(Cummins)公司林慰梓等人提出的以气相喷注为基础的“气相喷注燃烧模型”和日本广岛大学广安博之等人提出的以油滴蒸发为基础的“油滴蒸发燃烧模型”比较有代表性,应用较为普遍,也比较成熟。

这类模型一般由确定雾束几何形状及燃油喷注模型、燃烧热力学计算模型及排放物生成模型构成。

零维模型和准维模型都是在热力学理论的基础上,以时间为自变量来描述燃烧过程的。

二者的主要区别在于:零维模型将整个燃烧室视为均匀场,忽略有关参数随燃烧室空间位置的变化;准维模型则对燃烧室空间做分区处理,从而能在一定程度反映有关参数随燃烧室空间位置的变化,对于特定的机型,可以较准确的预测其燃烧过程的主要性能参数,还能在一定程度上预测排放性能。

但零维和准维模型远不能从本质上去揭示有关燃烧现象的机理,
基金项目:云南省自然科学基金资助项目(2000E-0032M)7
拖拉机与农用运输车
因而也就不能对内燃机的性能做出较详尽的客观分析和预测,其应用也缺乏普遍性。

3　多维模拟
多维模型是缸内燃烧过程二维和三维空间分布的模型,这类模型与零维和准维模型相比在性质上有很大的不同。

在这类模型中,各守恒方程与描述湍流运动、化学反应、边界层特征相应的子模型一起,结合适当的边界条件,用数值方法求解。

计算结果能够提供有关内燃机燃烧过程中的气流速度、温度和成分在燃烧时空间分布的详细信息,是一种较为精细的模型。

多维模拟是一个十分复杂的热力学系统,其中包含有气流运动,质量、动量和能量的传递与转换,燃油的喷射、雾化与蒸发,混合气的形成、着火与燃烧,传热,废气与微粒的排放以及边界条件等。

多维模拟技术发展的早期,由于计算方法不够成熟,计算经验不丰富,各种子模型不完善以及计算机容量和速度的限制,计算主要局限在二维,采用轴对称假设、气门不偏心;20世纪80年代以后,气门的处理比较接近实际。

至于活塞头凹坑,最早模拟平顶活塞,后来逐渐开始模拟带有圆柱凹坑、缩口ω形和有底部凸台的凹坑燃烧室。

事实上气缸内的空气流动不可能是二维的,特别是在引入湍流之后。

湍流从局部来看是三维的,而且当流动出现湍流以后,对称的条件就不一定能产生对称的结果,因此模拟必须能体现三维的本质。

三维模拟也和二维模拟一样,经历了从单纯的流动模拟到喷雾模拟、燃烧模拟直到排放模拟的过程。

三维模拟对缸内流场的分布、流动发展趋势、涡流、翻滚流、挤流和反挤流的预测是符合实际的,在定性上能满足要求;在定量上还有待更进一步的提高。

4　国内外内燃机多维模拟的发展
20世纪80年代以来,随着计算机应用的普及、计算数值方法和计算流体力学等学科的日益成熟,内燃机缸内的工作过程多维数值模拟得到了较快的发展。

其中,美国的Los Alam os国家实验室和英国帝国理工学院的研究工作处于领先地位。

在一系列多维模拟的程序中,美国Los Alam os 国家实验室开发的KI VA作为一个优秀的软件,已成为美国能源部能量转化和利用技术的一个组成部分。

C.W.Hirt等于1972年首次提出了目前广泛应用于内燃机缸内工作过程数值计算的ICE D-A LE 方法。

此隐式方法可以避免显示计算可能受到的音速稳定性的限制,而且能够模拟弯曲或移动的边界表面,特别适合于求解内燃机这类几何形状不规则且工作容积不断变化的流动问题。

RICE是首先开发的程序,它利用矩形计算区域分析它的网格、模拟涡流的漩涡扩散,用有多种化学反应和燃油种类的动力学来模拟实际化学动力学,用特定的有限差分公式来有效地处理低马赫音速问题。

普林斯顿大学改进了RICE,开发出REC程序,虽然仍未能解决三维计算问题,但表现了活塞的运动情况。

RICE之后,另一种欧拉法的二维计算程序APACHE被开发出来,它具有RICE的功能,并对任意形状的单元具有普遍适应性。

APACHE之后,又开发出C ONCH AS 程序,同样,它采用任意形状的单元,提供了循环的拉格朗日-欧拉公式,它允许形成伴随活塞运动的计算网格。

此外,通过使用小网格模型,计算中还考虑了紊流的影响。

随后,C ONCH AS-SPRAY代替了C ONCH AS程序,它包括了喷射动力学模型,用统计学的方法描述了微粒尺寸的光谱分析及蒸发的影响。

亚网格形式是一种涡流动能的传输方程和涡流边界层与固定壁面关系的处理方法,使涡流运动得以计算;通过化学动能反应过程和化学平衡反应过程,使化学反应得以计算。

C ONCH AS-SPRAY之后,逐渐发展形成了KI VA软件。

KI VA用相同的方法处理二维问题,也可以解决三维问题。

它扩充了喷射模型,可处理喷射和炭化问题。

它采用了音速的方法来提高低马赫数的计算效率。

1989年,A.A.Amsden等人在KI VA的基础上研制了KI VA-Ⅱ程序,该程序无论计算效率、计算精度、还是物理子模型、使用方便性和通用性都有了很大提高,集中体现了美国的Los Alam os国家实验室在内燃机燃烧过程多维模拟的研究工作。

KI VA-Ⅱ的公式和数学计算过程具有通用性,能用于层流和紊流、亚音速和超音速流、单一过程和两个过程扩散的流动,并允许燃料种类和化学反应随实际情况而变化。

用微粒随机分布的方法来计算液体喷射雾化,包括了液滴碰撞和在空气动力作用下的液滴粉碎。

KI VA-Ⅱ可求解涡流运动的不稳定方程式,理想气体的化学混合反应和单一成分燃油喷射蒸发的方程式。

其计算过程基于一种有限体积计算法,叫做A LE(任意拉格朗日-欧拉法)。

空间上的差分形成了有限差分网格,它把计算区域分成许多小的正方体单元。

单元的角叫做顶点,而顶点的位置是关
8 2004年第1期
于时间的任意指定的函数,因此允许拉格朗日、欧拉法单独或共同描述。

任意的网格形状可以满足弯曲的边界条件,也可以移动来满足燃烧室几何形状的变化。

这种方法的优势在于网格的划分并不一定需要垂直的关系,在任何情况下,这种方法的空间差分是成立的,可用来求解整数形式的基本方程。

1991年,美国Los Alam os国家实验室在KI VA-Ⅱ的基础上研制出KI VA-3程序。

该程序使用块结构,可以把许多复杂的几何形状分成许多简单的块结构来计算,可以计算非常复杂的几何形状,既节约了内存,又提高了速度。

1997年2月,KI VA-3的改进版KI VA-3V完成。

KI VA-3V程序包括了进排气过程,可以模拟伴随进排气门运动的气流流动,所以可以模拟完整的内燃机工作循环,涉及气体流动、喷油、传热和废气的生成等,几乎包括了内燃机工作过程中的所有物理现象。

KI VA-3V最显著的特点是增加并扩展了Hessel气阀模型,因而使气阀模型的精度只依赖于网格的分辨率和单元的变形;气门可以有各自的升程曲线,气门可以是垂直的也可以是倾斜的。

KI VA-3V的另一个特点是增加了油膜流动模型,包括喷油附壁、溅射、任意复杂壁面上油膜在空气动力效应下的流动和油膜重新进入气流时的热量与质量的交换。

KI VA-3V还增加了混合控制湍流燃烧模型和碳烟模型,改进了导热壁面定律模型,使计算结果和实验数据更加一致。

在A LE数值计算方法发展的同时,1972年,英国帝国理工学院的D. B.S palding首创的半隐式控制容积法SI MP LE(Scmi-Im plicit Method for Pressure -Linked Equations)在算法上奠定了求解缸内化学流控制方程组的基础。

A. D.G osman等于1973年开发了一种用于内燃机缸内工作过程的计算程序,简称RPM(Reciprocating Piston M otion)程序,用来计算封闭轴对称气缸中无燃烧的层流流动。

RPM也是一种有限差分法,它采用一种通用的柔性曲线计算网格,时间差分采用了完全隐式差分方法。

1977年,A.P.G osman和R.J.R.Johns采用RPM方法对理想化的直喷式燃烧室进行了不同进气涡流及活塞顶凹坑形状对缸内流动特性影响的计算。

在此基础上,1982年,G osman建立了直接喷射式柴油机缸内工作过程较为全面的数学模型,该模型考虑了燃烧化学反应。

1984年,G osman开发了直接喷射式柴油机缸内流动过程完全三维数值模拟计算程序。

近年来,随着对内燃机工作过程的大量研究,开发出了一系列功能齐全的商用软件,如英国Adapco 公司的ST AR-C D软件,里卡多的VECTIS软件及奥地利AV L公司的fire和boost等软件,为内燃机的研制提供了十分便利的条件。

国内内燃机工作者在消化和吸收了国外先进的数学模型、数值方法和计算程序的基础上,开发出许多内燃机工作过程数值模拟程序。

如北京理工大学开发的三维内燃机工作过程通用模拟程序RES3C -Ⅱ;中国科学技术大学火灾科学院重点实验室开发的计算直喷式柴油机螺旋进气道与缸内空气运动的大型微机化程序IPIC-CFD(1);同济大学、江苏理工大学开发的涡流室式柴油机工作过程的三维模拟程序Engine-Ⅱ;吉林工业大学开发的微机版内燃机缸内多维气流运动模拟程序S UN-1等。

5　结束语
随着计算机技术、数值计算方法的发展,内燃机缸内燃烧过程数值模拟技术日趋成熟,通过建立一种与内燃机工作机理和实验结果相吻合的计算模型,可以更好的预测内燃机的性能,并可以在短时间内进行广泛的变参数研究,为内燃机性能的提高和新型内燃机的开发提供指导,这可以降低实验费用,缩短实验时间,节省大量的人力物力。

同时,新的实验技术和测量设备又为内燃机缸内燃烧过程数值模拟提供了丰富的数据,使数值模拟会不断向前发展,发挥出更大的作用。

参　考　文　献
1　何学良,李疏松.内燃机燃烧学.北京:机械工业出版社, 1990.104～144
2　蒋德明.内燃机燃烧与排放学.西安:西安交通大学出版社,20011135～137
3　刘永长.内燃机热力过程模拟.北京:机械工业出版社, 2001.88～134
4　Amsden A A,O OR ourke P J,Butler T D.KI VA-II:A C om2 puter Program for Chemically Reactive Flows with S -11560-MS,1989.1～7
5　Amsden A A.KI VA-3:A KI VA Program with Block-S truc2 tured Mesh for C om plex G -12503-MS,1993.
1～5
6　Amsden A A.KI VA-3V:A Block-S tructured KI VA Program for Engines with Vertical or Canted -13313-MS, 1997.2～5
7　沈建平,吴承雄.内燃机缸内湍流运动数值模拟研究.内燃机学报,1997(4):338～404
8　李绍安,苏万华.内燃机燃烧模型的研究现状与展望.车用发动机,1998(2):1～6
(收稿日期:2003-09-04)(编辑　史洛晨)
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拖拉机与农用运输车。