缸内直喷式汽油机喷雾模型的建模和数值模拟

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305_GDI汽油机喷雾燃烧过程的三维数值模拟_北汽福田_孟云霞等(1)

缸内直喷汽油机喷雾燃烧过程的三维数值模拟孟云霞，刘晓，李丽（北汽福田汽车股份有限公司，北京，102206）[摘要]：本文针对某款缸内直喷汽油发动机GDI（Gasoline Direct Injection），运用三维计算流体力学软件FIRE，建立了带进排气道的三维数值模型，根据实验缸压值，对燃烧模型进行了标定，进而模拟了缸内气体流动、湍流的发展过程；通过对喷雾燃烧的模拟，直观的了解燃料雾化、油气混合和燃烧等过程，初步评机油稀释率，预测点火前缸内环境；初步评估燃烧特性。

计算结果有助于深入理解GDI发动机的缸内工作过程，并为后续研究GDI 燃烧控制策略提供了模拟计算平台。

关键词：汽油机 GDI 滚流比湍流喷雾燃烧主要软件： AVL FIRENumerical Simulation of Mixture Formation and Combustionfor GDIYunxia Meng 1 Xiao Liu2 Li Li 3BEIQI FOTON MOTOR CO.,LTD.&Beijing;[Abstract]A three-dimensional moving mesh with intake and exhaust ports used for gasoline direct injection (GDI) engine was established. The combustion model was validated via pressure measurement. The process of intake, spray, mixed gas formation and combustion was simulated. Oil dilution, combustion characteristic was evaluated preliminary. Calculation result is helpful to understand the GDI engine working process in cylinder, and provides simulation platform for combustion control strategy.Keywords: gasoline direct injection；tumble ratio；spray；combustionSoftware: AVL FIRE0. 概述内燃机燃烧过程的好坏对其动力性、经济型以及排放、震动、噪声等都有重大的影响，合理组织燃烧时气体的流动是优化燃烧的一项主要措施。

缸内直喷汽油机喷雾、混合气形成和燃烧过程的三维数值模拟

Ｄ＝Ｂ：ｒ０一一）
（２）
可以通过给出分布参数ｑ和喷雾的ＳＭＤ就可以计
试验发动机的三维模型导出生成的移动网格
如图１所示，哞＝局采ｊ｛Ｉ六面体阿格，近壁区域采ＪＨ非结构化阿格贴体，网格尺度为２ｍｍ，在进排气ｆＪ与气门座区域进行局部细化，斟保证网格质量。为
算出液滴初始粒径的Ｒｏｓｉｎ－ＩＬａｍｍｌｅｒ分布。破碎模型采用Ｗａｖｅ模型”…，该模型基于液体与气体界面
ｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＳａｆｅｔｙａｎｄＥｎｅｒｇｙ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ３－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｖｉｎｇｍｅｓｈｗｉｔｈｉｎｔａｋｅａｎｄｅｘｈａｕｓｔｐｏｒｔｓｕｓｅｄｆｏｒｇａｓｏｌｉｎｅｄｉｒｅｃｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎ（ＧＤＩ）ｅｎｇｉｎｅＷａＳｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｓｐｒａｙａｎｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｗｅ托ｖａｌｉｄａｔｅｄｖｉａｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎａｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｂｏｍｂａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎａＧＤＩｅｎｇｉｎｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｔｈｅｉｎｔａｋｅ．ｓｐｒａｙ，ｍｉｘｔｕｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆ
Ａ
３ＤＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
Ｓｐｒａｙ，Ｍｉｘｔｕｒｅ
ａ
Ｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄ
ＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｅｓｆｏｒ
ＢＡＩ
ＧＤＩＥｎｇｉｎｅ
Ｙｕｎｌｏｎｇ，ＷＡＮＧＺｈｉ，ＳＨＵＡＩ
Ｓ埘ｉｎ，ＷＡＮＧＪｉａｎｘｉｎ

缸内直喷汽油机的喷雾模拟

１动机．虑到稀燃Ｎ处理器的费用及油．Ｌ发８考Ｏ后品等问题．款缸内直喷汽油机采用的是均质燃烧。这选用的喷油器是多孔喷油器．其在１ａ下的静０ＭＰ
态流量大约和分析工作：定容弹或研在光学发动机内利用激光多普勒（ｈｓｏｐｅＰａｅＤｐｉｒＡｅ１ｅｙＰＡ）方法测量喷雾液滴的速度和直ｎｍｏ３ｔ．Ｄ１ｒ
．
设计・计算・研究・
缸内直喷汽油机的喷雾模拟
陈海娥宫艳峰李伟李康李金成
（中国第一汽车集团公司技术中心）
【摘要】在定容弹内测量了某直列４缸均质缸内直喷汽油机不同时刻的喷雾油束形状和喷油器附近位置的喷雾
液滴直径及速度分布，并在ＣＤ模型中进行了喷雾的标定。分析了原机缸内喷雾、合情况，究了喷雾锥角、孔Ｆ混研喷
Ｃｅｉ，ｏｇＹｎｅｇＬｅ，ｉＫｎ，ｉｉｃｅｇｈｎＨａｅＧｎａｆｎ，ｉｉＬａｇＬｎｈｎＷｌ
（ｈｎＡＷｏｐＣｒｏａｉｎＲ＆ＤＣｎｅ）ＣｉａＦＧｒｕｏｐｒｔｏｅｔｒ
【ｂｔａｔＴｅｓａｅｏｒｙａｄｄａｅｅａｄｓｅｄｄｓｉｕｏｆｐａｒｐｔａｕｄｔｅｉｅｔｆｈ－Ａｓｃ］ｈｈｐｆｐａｎｉｔｒｎｐｅｉｒｔｎｎｓｒｄｏｌｒｎｈｎｃｒｅｉｒｓｍｔｂｉｙｅｏｊｏｏｔｎ

汽油缸内喷射喷雾特性的三维数值模拟

模拟，究了燃烧室压力、雾液滴的索特平均直径研喷
的作用时间
为：
—ｉｍｎ
士
式中：１０（一０１４３；为湍流脉动动能；为ｃ一．；’ ．２６ｅ
湍流能量耗散率； “ 为气体速度；脉动速度；为 “为液滴速度。当计算步长大于．．川时液滴要经过不止一
其经济效益和社会效益巨大，现代汽油机的前沿技是
是蒸发过程，而没有使用破碎模型．接给出了液滴因直的粒径分布．粒径分布为Ｒｓ — ａｏｉＲｍｍｌｎｅｒ分布。
１１蒸发方程．
热，交换过程的计算是根据Ｄｋｗｉ质ｕｏｃｚ所开发
摘要：三维计算流体力学软件模拟了汽油缸内喷射的静态喷雾特性．究了燃烧室压力、始液滴直用研初径和喷雾锥角对喷雾特性的影响．与试验结果进行了比较研究结果表明：烧室压力、始液滴直径并燃初
品化的ＧＤ发动机之后，研究机构和公司也纷纷投Ｉ各入大量的人力、力和财力开展这一领域的研究开发物
工作。管缸内喷射汽油机有着诱人的前景．在实现尽但技术上仍存在不少难点，中如何在各种工况下精确其地控制燃油的喷雾特陛．与空气混合形成火花塞附并近的可燃混合气是ＧＤＩ的关键技术。管多年来人们尽

直喷汽油机燃烧系统开发中的喷雾激光诊断技术

第一作者／ｉｔｕｈｒ张玉银／ＨＮｕｉ（９２）男（）安徽．Ｆｒｔｏ：ｓａＺＡＧＹｙ１６一，汉，ｎ教授。Ｅｍａ：ｕｉｚａｇｊ・ｕｎ－ｉｙｙｒｈｎ＠ｓｕｄ－ｌｔｔｅｃ
张玉银，等：直喷汽油机燃烧系统开发中的喷雾激光诊断技术
中图分类号：Ｕ４４２６．
Ｌｒｄａｎｓｉｓｏｒｙｏａｋ‘ｎｔｎｄｒｃｊｃｉｎａｅｉ￣ｏ；ｃｒｓａｆｐｒｉｏｉｅｔｎ：ｏｓｇｔｆ￣ＩｐｏＯｓｋｌｌＩ￣ｉｌ￣ｍｌ。．ｔＩｅ（ＩＩｃｍｂｓｉｎｓｓｍＳＤ）ｏｕｔｔｏｙｅ
指导、验证和促进的过程，利用激光诊断可以对ＣＤＦ
计算的准确性进行确认，而ＣＤ的结果又可以指导激Ｆ
光诊断。在利用数值模拟计算确认燃烧系统后，则可
以根据优化后的结果制造样机，并在台架上面进行多次反复的实验。数值模拟在直喷发动机开发中的广泛运用，极大
诊断可实现对燃油雾化与蒸发过程进行可视化以及定量测量，为数值计算和建模提供实验验证进而提高模拟仿真的精确性，还为缸内混合气形成过程及燃烧诊断提供直观的物理描述和解释，其重要性不言而喻。
喷雾的性能直接关系到缸内燃油分布，从而决定燃烧
收稿日期／ｃｉｅＲｅｅｖｄ：２１—１００１１—４基金项目／ｐｒｄｂ清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金（Ｆｌｌ）Ｓｏｔｙ：ｅＫｌｌ１
行对比实现对ＣＤ中的喷雾模型的验证和标定。由于Ｆ对喷雾的激光诊断工作大多数和激光诊断是两个相互

基于缸内流动喷雾燃烧CFD仿真的直喷汽油机燃烧系统优化设计

基于缸内流动喷雾燃烧ＣＦＤ仿真的
直喷汽油机燃烧系统优化设计
叶伊苏，王伟民，黎华平（尔汽车公｝ｊＪ技术中心，武汉４３００５８）摘要：对一款１．０Ｌ一缸增Ｋ直喷汽油机，建立了燃烧系统ＣＦＤ仿真模．并弹川捕述Ｊ换气、唢油器喷雾特性等边界条件的设置。分析了其额定功率点下的缸内瞬态流动、唢露、合气形成以及燃烧过程。原没计状态下，点火前缸内湍动能分布以及燃油浓度分布够合，火焰传播小对称，仔在爆震ＪｘＬ险＝通过优化设计进气道及活塞冠而，缸内滚流运动埂点火丽湍动能提升，燃油浓度分柿改善，燃烧速度加快约３。ｃＡ，同￣，ＪＬｈ于ｔ．￣ｍｅｇａ涡流降低，排气侧湍动能改善，火焰均匀传播到气缸四周。最终的设计方案下，滚流、湍动能、火花塞周流场、湿壁、燃油浓度分布以及火焰传播均能满足工程目标。在随后的单缸光学可视化发动机验Ｉ＿Ｉ，各Ｉ况的混合气形成、壁及燃烧均能满足要求
关键词：燃烧系统；滚流；湍动能；ｏｍｅｇａ涡流；火焰传播
中图分类号：１＇Ｋ４６４文献标识码：Ａ文章编号：１００５ — ２５５０（２０１７）０６一（）（）０２－０６
ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＤｅｓｉｇｎｆｏｒａＴｕｒｂｏ — ｃｈａｒｇｅｄＧＤＩＥｎｇｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＩｎ－ｃｙｌｉｎｄｅｒＦｌｏｗａｎｄＭｉｘｔｕｒｅＦｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＣＦＤＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ

缸内直喷汽油机工作过程的数值模拟

1.1 计算网格利用AVL-FIRE的FAME Engine Plus模块生成从
进气门开到排气门开启时刻的六面体动网格。本文计算过程是进气、压缩和做功冲程，没有计算排气冲程。进气过程网格数70-127万，压缩做功过程网格数在45万左右。计算网格如图2所示，其中左图为进气冲程中下止点时刻，网格数为75.4万；右图为压缩冲程中下止点后60 ºCA时刻，网格数为46.5万。
缸内流场的理想分布对混合气的形成和在燃烧过程中对加速火焰传播速度、降低爆燃和循环变动等都十分有利。
2.2 喷雾过程与混合气形成分析喷雾过程是直喷汽油机工作过程的核心过程之一，对燃油雾化、蒸发和混合气的形成以及燃烧过程有至关重要的影响。在高速高负荷工况在进气行程开始喷油，选用较大的喷油提前角。高转速时，缸内的气流运动较为强烈，能加速缸内燃油液滴的
2.1 流动分析汽油机缸内气体流动影响着火以及火焰传播速度，进而影响发动机的动力性、经济性和排放性能。通过分析进气过程和缸内流场的变化可以为汽油机结构的优化提供依据。发动机缸内流场的合理分布有利于促进缸内混合气的形成和火花塞附近混合气的着火能力，有助于加快火焰传播速度，缩短燃烧持续期。文中的速度场均以速度矢量图表达。由于进排气道及缸内各区域的气流运动速度大小相差很大，为表达清晰起见，除局部放大图以外，其他速度矢量图中的矢量长度均一化，而以颜色表达速度的大小。
排气道
进气道
图3为通过气门轴线的纵截面截图（如图1中1所指）从上到下依次为369ºCA（排气门未关）、370ºCA 和372ºCA时刻。369ºCA进气门升程0.17mm，排气门升程0.11mm，此时刻进排气门升程较小，370ºCA排气门关闭。在369ºCA时刻由于缸内压力比排气道压力低，排气倒流，是该阶段决定缸内流场的主要因素；而缸内压力比进气道压力大，由于压差的作用，气体从缸内向进气道内倒流，气道内流速不高。随着活塞下行，进气道压力逐渐高于缸内压力，从 372ºCA开始气流运动方向转为正常，从进气道向缸内流动。

汽油缸内喷射喷雾特性的三维数值模拟

文章编号:100020909(2002)0320193207200045汽油缸内喷射喷雾特性的三维数值模拟Ξ孙　勇1,帅石金1,王建昕1,首藤登志夫2(1.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;2.武藏工业大学能源基础工学科,日本东京15828557) 摘要:用三维计算流体力学软件模拟了汽油缸内喷射的静态喷雾特性,研究了燃烧室压力、初始液滴直径和喷雾锥角对喷雾特性的影响,并与试验结果进行了比较。

研究结果表明:燃烧室压力、初始液滴直径和喷雾锥角对喷雾特性有较大影响。

关键词:汽油机;汽油缸内喷射;喷雾特性;三维数值模拟中图分类号:T K411.12 文献标识码:A引言汽油缸内喷射(GD I)技术在降低汽油机的燃油耗方面较常规进气道喷射(PF I)汽油机有明显的优势,其经济效益和社会效益巨大,是现代汽油机的前沿技术。

尤其是1996年日本三菱公司在世界上最先推出商品化的GD I发动机之后,各研究机构和公司也纷纷投入大量的人力、物力和财力开展这一领域的研究开发工作。

尽管缸内喷射汽油机有着诱人的前景,但在实现技术上仍存在不少难点,其中如何在各种工况下精确地控制燃油的喷雾特性,并与空气混合形成火花塞附近的可燃混合气是GD I的关键技术。

尽管多年来人们对柴油喷雾和汽油进气道喷雾的研究取得了不少成果,但它们与汽油缸内喷射在燃油性质、喷油压力级别(缸内喷射汽油机为4M Pa～13M Pa,进气道喷射汽油机为0.25M Pa～0.45M Pa)、油滴速度和油滴粒度范围等方面都有差别。

因而柴油喷雾和汽油进气道喷雾的经验不能直接应用于缸内喷射汽油机,这就需要对汽油缸内喷射的喷雾特性进行相应的研究。

本文用AVL公司的三维计算流体力学(CFD)软件F I R E对汽油缸内喷射的静态喷雾特性进行了数值模拟,研究了燃烧室压力、喷雾液滴的索特平均直径(S M D)和喷雾锥角等因素对喷雾特性的影响。

1　燃油喷雾模型燃油喷雾模型建立在离散液滴模型(DDM)之上。

火箭发动机喷雾过程的数值模拟及其优化设计

火箭发动机喷雾过程的数值模拟及其优化设计作为现代科技和航空航天技术的重要组成部分，火箭发动机的性能和稳定性对于其实际应用以及成本和人员安全方面的考虑都非常重要。

其中火箭发动机的喷雾过程是一个非常重要的组成部分，对于火箭发动机的推力、燃料使用效率、喷射噪音等方面都有很大的影响。

因此，喷雾过程的数值模拟及其优化设计也是火箭发动机研究领域中的一个重要研究方向。

火箭发动机喷雾过程的数值模拟基于数值计算方法，通过对喷雾流场的计算和分析，可以得到喷雾过程中的流体动力学特性、液体和气体相互作用及燃料和氧化剂混合状态等相关信息。

这些信息对于评估火箭发动机的性能和稳定性非常重要，同时也对于火箭发动机的优化设计提供了科学依据。

目前，火箭发动机喷雾过程的数值模拟可以采用多种数值计算方法，如欧拉法、拉格朗日法、Vof法等。

其中，欧拉法是最常用的一种方法，它基于连续介质假设，将流场分为若干计算单元，并通过求解控制方程和边界条件，计算单元内各物理量的变化。

相比于拉格朗日法，欧拉法具有计算速度快、计算耗时短、易于实现等优点。

火箭发动机喷雾过程的数值模拟的基本步骤包括：建立数学模型、离散化和求解控制方程、计算流体的物理量、计算物理量的变化等。

其中，建立数学模型是整个数值模拟过程中最核心的部分，它需要根据实际的喷雾过程以及流动条件，选择和构建合适的数学模型。

与火箭发动机喷雾过程的数值模拟相比，喷雾过程的优化设计则更加依赖于实验研究和经验。

喷雾过程的优化设计主要包括燃料和氧化剂的比例和压力、喷嘴形状和大小、内部结构等方面。

在进行喷雾过程的优化设计时，需要综合考虑推力、燃料使用效率、喷射稳定性、噪音等方面的要求，在保证火箭发动机稳定工作的前提下，尽可能提高火箭发动机的性能。

总的来说，火箭发动机喷雾过程的数值模拟及其优化设计是现代航空航天技术中的重要研究方向之一，通过数值模拟和优化设计，可以提高火箭发动机的性能和稳定性，并为航空航天技术的发展和应用做出贡献。

直喷汽油机多孔喷油器的喷雾三维模拟与试验

直喷汽油机多孔喷油器喷雾试验与三维模拟赵铮、申景倩（长城汽车股份有限公司，河北保定市）摘要：对一款直喷汽油机的多孔喷油器进行了喷雾特性试验研究，得到瞬时喷油规律和纹影喷雾照片。

通过CFD方法，应用FIRE软件对不同喷油压力和不同背压下的喷雾过程进行仿真计算。

先用同样的喷雾模型计算不同工况，得到结果与试验值有一定误差，再经过修正模型计算不同工况，得到了与试验吻合较好的结果，同时也总结出一些校对喷雾模型时的一些规律。

关键词：喷雾；三维模拟；贯穿距；喷雾规律主要软件：A VL-FIRE1. 前言直喷汽油机相比气道喷射汽油机，从理论上可以降低进气过程中气体的温度，以提高充气效率，另外，汽油在进气、压缩过程中蒸发吸收缸内热量，又能够降低压缩终了油气混合气的温度，对爆震又一定抑制作用。

因此，直喷汽油机要比气道喷射汽油机的性能较高，而且油耗相对较低。

汽油在空间散开实现预想空间分布的最快途径是让大量细小油滴从不同方向穿透空气分散在空间各处，然后油滴迅速蒸发，与周围空气实现微观混合，这正是采用汽油喷雾的原因。

喷雾能否使汽油机在空间中散开并达到预想的空间分布，取决于油滴的穿透性和运动方向的分散性，即喷雾特性。

应用三维CFD模拟缸内进气喷雾过程目前已经是研究直喷汽油机燃烧系统油气混合过程的基本手段，而喷雾的模拟准确与否直接影响着缸内模拟的结果。

本文介绍一款增压直喷的多孔喷油器进行的试验和三维仿真模拟。

2. 喷雾特性研究试验喷油规律试验为了研究喷油器在不同喷油脉宽下的喷油瞬时规律，分别进行了脉宽1.5ms和5ms的测试，结果如图1所示。

图1 不同脉宽下的瞬时喷油规律喷雾试验为了得到喷雾形态和贯穿距的规律，进行了定容弹喷雾试验，结果如图2、图3所示。

图2 不同背压不同喷油压力下的喷雾贯穿距（a）背压0.1MPa（b）背压0.22MPa图3 不同背压和不同喷油压力下的纹影照片3.喷雾三维模拟3.1喷雾模型的建立三维喷雾模型是由A VL-FIRE建立的，根据试验定容弹容积和形状建立网格模型，对喷雾油束方向的网格进行了细化，如图4为网格模型。

缸内直喷汽油机的喷雾模拟

8贾维新，郝志勇．空气滤清器声学性能预测及低频噪声控制的研究．内燃机工程，2006（5）：67~70.9Massey S ,Paul S.Modally exhaust systems using one -dimensional methods.SAE 2002-01-0005.10Liu B,Maeno M.A Study of a Dual Mode Muffler.SAE 2003-01-1647（责任编辑学林）修改稿收到日期为2010年2月12日。

（接续第1期第13页）4.2喷雾锥角、喷孔布置对缸内混合气的影响本文中喷雾锥角的定义是指两束对称油束中心线之间的夹角，某束油的锥角叫做一油束的喷雾锥角，如图20所示。

图20喷雾锥角的定义原始喷油器的喷雾锥角为36°，在该喷雾锥角下较好地避免了油束撞壁现象。

增大喷雾锥角能增加进排气两侧的燃油浓度，且可以扩大空气和油束的接触面积，使雾化更快。

基于这个目的，把喷雾锥角增加到50°，称为方案1。

图21为转速5500r/min 下两种喷雾锥角下喷油和雾化情况，开始阶段50°锥角时雾化速度快些，但到后期50°锥角雾化速度明显变慢，且到点火时刻仍有没雾化的燃油。

分析结果显示，50°喷雾锥角时有严重的油滴撞到气门上的现象，如图22所示。

图23为两者油滴撞到气门上的质量比例的比较，从图中可以看出，50°喷雾锥角时有接近2%的燃油撞到两个进气门上。

6束油在缸内的分布情况定义如下：1号油束在两进气门之间中间位置，由进气侧向排气侧喷油；4号油束与1号油束沿喷油中心对称，但喷油方向与1号油束相反；其它类推。

6束油在与喷油中心垂直的平面上均布，如图24所示。

50°喷雾锥角时撞到进气门上的油束主要是油束2和油束6。

由此看来，如果采用6孔均布的喷油器，则油束2和油束6的喷雾锥角必须在36°左右。

直喷汽油机喷雾撞壁特性试验与模拟

摘要：为了研究缸内直喷汽油机喷雾撞壁特性，立了可视化喷雾试验台，量了撞壁喷雾的高建测度、雾半径及喷雾远端发展速度．喷对喷雾撞壁过程进行了三维数值模拟，用试验数据进行了校利
核．过试验和模拟，通分析了不同喷射压力、境背压、环喷嘴到壁面的距离、面倾角及壁面温度等壁
高而减小．
关键词：油缸内直喷；雾撞壁；汽啧撞壁喷雾特性；壁面距离；面倾角；壁面温度壁
中图分类号：Ｋ２Ｔ４１文献标志码：Ａ文章编号：１７７７（０１００１０６１— ７５２１）４— ４０— ６
ｍｅｔｌｄｔ．Ａｃｏｄｎｏｅｐｒｎｅｕｔａｄｓｌｔｎ，ｈｆｃｓｏｉｅｅｔｉ－ｃｉｎｐｅｓｒｎａａａｃｒｉｇｔｘｅｉｔｒｓｌｎｉａｉｔｅｅｆｔｆｄｆｒｎＩｅｔｒｓｕｅ，ｍｅｓｍｕｏｅ１ｏｊ
，
（．ｃｏｌｆｒｎｐｒｔｎＳｉｎｅａｄＥｇｅｒｇＢｉａｇＵｉｒｔ，ｅｉｇ１０９，ｈｎ；．ｈｎｔｍｔｅｅｈｏｏｙ＆Ｉ１Ｓｈｏｏａｓｏｔｉｃｃｎｎｉｅｉ，ｅｎｎｖｓｙＢｉｎ０１１Ｃｉａ２ＣｉａＡｕｔｏｉｃｎｌＴａｏｅｎｎｈｅｉｊＪｖＴｇ
ａｍｂｉｎｒｓｕｒｅｔｐｅｓｅ，ｗａｌｄｓａｃｎｎｌｎｌｔｍｐｒｔｒｎｔｅｃａａｔｒｓｉｓｏｐａｉｉｇ — ｌｉｔｎｅａｄａｇｅａｄｗａｌｅｅａｕｅｏｈｈｒｃｅｉｔｃｆｓｒｙｍｐｎｅｍｅｔＷｅｅｄｓｕＳｄ．Ｔｈｅｕｔｈｏｔａｈｐａｉｈａｄｒｄｕｒｅｒａｅｔｈｎｒａｉｇｏ’ ｎｒｉｃＳｅｅｒｓｌｓｓｗｈｔｔｅｓｒｙｈｇｎａｉｓａｅｄｃｅｓｄｗｉｔｅｉｃｅｓｎｆｈ

燃油喷雾燃烧的数值模拟研究

燃油喷雾燃烧的数值模拟研究燃油喷雾燃烧是一种重要的燃烧形式，其在内燃机、火箭发动机、热电站等领域有着广泛应用。

为了提高燃烧效率和降低污染物排放，数值模拟研究成为了一种重要的手段。

本文将介绍燃油喷雾燃烧的数值模拟原理、方法和应用。

1. 燃油喷雾燃烧的数值模拟原理燃油喷雾燃烧的数值模拟原理是基于质量守恒、动量守恒、能量守恒方程和液相、气相相互作用原理。

首先，通过欧拉-拉格朗日方法求解连续相和离散相的动量守恒、质量守恒和能量守恒方程，以得到固、液相的速度、浓度和压力场；其次，基于CFL数（Courant–Friedrichs–Lewy）和物质交换机制，利用体积平均法求解质量输运方程、湍流运动方程等液相方程；第三，通过欧拉方法求解气相动量守恒、质量守恒和能量守恒方程，以得到气相的速度、浓度和压力场；最后，利用湍流模型、化学反应机理和界面传热传质模型求解气-液相界面的传质传热和化学反应方程，进而得到燃油喷雾燃烧的数值模拟结果。

2. 燃油喷雾燃烧的数值模拟方法燃油喷雾燃烧的数值模拟方法主要包括欧拉-拉格朗日法、拉格朗日-欧拉法和最小剪切率方法。

欧拉-拉格朗日法是基于对离散相运动和动量输运方程的求解，将粒子运动轨迹和流场关联起来；拉格朗日-欧拉法是基于液相连续性方程和分散相动量方程的得到，通过反演得到液相运动场的分布；最小剪切率方法是基于标准k-ε湍流模型，求解连续相运动方程和干扰剪切率方程，以得到各相的速度场和离散相浓度场。

3. 燃油喷雾燃烧的数值模拟应用燃油喷雾燃烧的数值模拟应用主要有燃烧诊断、喷雾优化、发动机设计、燃料开发等方面。

燃烧诊断是指通过数值计算和实验相结合的方法，对燃烧模型进行分析和诊断，以提高燃烧效率和降低污染物排放；喷雾优化是指对喷雾结构、喷嘴尺寸、燃油的物性参数等进行优化，以改善燃烧效率和减少污染物排放；发动机设计是指对内燃机的结构和参数进行优化，以提高燃烧效率和减少污染物排放；燃料开发是指通过对燃料的化学成分和物性参数进行优化，以改善燃烧过程和降低污染物排放。

汽油缸内多孔直喷喷雾破碎模型建立与试验

汽油缸内多孔直喷喷雾破碎模型建立与试验王艳华;杨世春;高峰;苏铁熊;董小瑞【摘要】In order to establish spray break-up model of multi-hole injection on gasoline direct injection engine, Huh Gosman model was analyzed and evaluated. The primary break-up particle size distribution formula was built based on injection pressure. The spray break-up model was built for gasoline direct injection in cylinder. Finally, by establishing the capacity spray experiments, gasoline free spray experiments were carried out to verify the rationality of the model. It is found that estimating initial droplet size by experience formula to evaluate second break-up model, the spray penetration calculated with Huh Gosman model is smaller than experimental results. Through establishing primary break-up particle size distribution formula and modifying Huh Gosman model, the simulation results and the practical results are close to each other. At last, free spray under different injection pressure were simulated with above established models. Results matches well with the experimental results and the maximum average error is less than 5% .%为了建立汽油缸内多孔直喷喷雾破碎模型,对Huh Gosman模型进行分析评估,并且以喷油压力为参数,建立初始破碎粒径分布公式,从而建立了汽油缸内多孔直喷喷雾破碎模型；并通过定容喷雾试验进行了汽油自由喷雾试验,验证所建模型的合理性.研究结果发现:以经验公式估计的初始液滴直径评估Huh Gosman模型,模拟结果贯穿度偏小；通过建立初始破碎粒径分布函数,同时对Huh Gosman模型进行修正,模拟计算结果与实际结果相近.最后利用该模型对不同喷油压力下的自由喷雾进行模拟,计算与试验结果吻合较好,最大误差小于5％.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2013(044)003【总页数】5页(P12-16)【关键词】缸内直喷汽油机;多孔喷油器;破碎模型;粒径分布函数【作者】王艳华;杨世春;高峰;苏铁熊;董小瑞【作者单位】中北大学机电工程学院,太原030051【正文语种】中文【中图分类】TK416引言缸内汽油直喷是提高发动机燃油经济性和动力性的关键性技术。

均质缸内直喷汽油机混合气形成过程的数值分析

中均质模式和分层模式之间的均质稀燃模式，常通
平为背景，轮增压汽油直喷发动机结合催化转换涡
器或可变气门正时系统，一个非常有针对性和可是
这是几个循环的过渡模式，由于篇幅有限，文不做本讨论。
主题词：汽油机
缸内直喷
混合气形成
数值分析
中图分类号：４４１１文献标识码：文章编号：００３０（００１一０１０Ｕ６．７Ａ１０ — ７３２１）ｌ００ — ６
ＮｕｅｉａｉｕｌｔｏｆＦｕｅｉｔｒｒａｉｎｉｏｏｅｏｍｒｃｌＳｍａｉｎｏｌＭｘｕｅＦｏｍｔｏｎＨｍｇｎｅｕｓ
ＷａｌｇｉｅｌｕｄｄＧＤＩＥｎｉｅ－ｇｎ
ＰｎＺａｇＸｉｎ２ＺｎｉｌｇｅｇＹｕｈｎａｇｅｇＪｎｉｎ（－ｅｐｉｏｒａｎＳｓｅｓＣｉａＴｃｎｃｌＣｎｅ，．ｈｎｚｏｉｅｓｔ；．ｉａＦ１Ｄｌｈｗｅｔｉｙｔｍ — ｈｎｅｈｉａｅｔｒ２ＺｅｇｈｕＵｎｖｒｉ３ＣｈｎＡＷｏｐＣｒｏａｉｎＲ＆ＤＰｒｙＧｒｕｏｐ决方案。按照混合气的特性不同Ⅲ 图１，（）在整个汽油直喷发动机（ａｏｉｅｉｃｉｉｔｎＧＩ工作特性图Ｇｓｌｒｔｎｅｉ，Ｄ）ｎｄｅｃｏ
ｍｏｅｈｍｏｅｏｕｅｘｕｒｒｏｇｎｅｕｓｆｌｍｉｔｅ．

缸内直喷汽油机的喷雾模拟

缸内直喷汽油机的喷雾模拟缸内直喷汽油机是一种高效、环保的汽油机械，它由多项零件组成，其中一个最重要的部件就是喷油嘴。

喷油嘴可以将油汽雾化并均匀地喷射到气缸中，从而让引擎能够更好地燃烧。

本文将通过数值模拟的方法详细介绍缸内直喷汽油机的喷雾模拟。

缸内直喷汽油机的喷油嘴通常由多个小孔组成，这些小孔是喷油嘴将汽油雾化的核心部件。

在操作过程中，汽油被压入储存室，喷油嘴的小孔会产生高速的喷射作用，将汽油雾化成非常小的油滴，直接喷向气缸中，随着空气的流入，混合成为可燃的混合物。

缸内直喷汽油机的喷雾模拟通常使用CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）模型进行模拟。

CFD模拟过程中，需要获取喷油嘴的几何参数并将其输入到模型中。

同时，还需要设置喷油嘴的油气流动参数，如入射速度、流量等，以及喷雾过程中的环境参数，如压力、温度、湿度等。

在CFD模拟中，可以通过数值方法将喷油嘴周围的空气和油滴进行离散化处理。

通过这种方式，可以精确地计算出喷雾过程中油滴在不同区域中的分布情况。

同时，还能够计算出油滴在不同速度下的漂移、碰撞等情况，并对喷油嘴进行优化设计。

CFD模拟结果显示，在高压下，汽油将被压缩至高温高压状态，在喷油嘴的顶部形成一个非常小的油滴。

在喷油嘴的出口处，这些小油滴将逐渐扩散并合并到一起，最终形成一个均匀的、细小的油雾状物，这些油雾将与进气的空气形成混合气体，并在燃烧室中进行燃烧。

在模拟过程中，如果喷油嘴的小孔设计不当会导致油滴分布不均匀，这会影响到引擎的燃烧效率。

因此，在进行模拟前，要对喷油嘴的设计进行充分优化，以保证优异的喷雾效果。

综上所述，缸内直喷汽油机的喷雾模拟是一项非常重要的技术，它可以帮助我们更好地了解喷油嘴的设计和优化，从而提高引擎的燃烧效率和经济性。

未来，随着计算机技术的不断发展，喷雾模拟将会成为这个领域的一个重要研究方向，这将有助于我们更好地探索缸内直喷汽油机的工作原理，并使汽油机械更加环保和高效。

缸内直喷汽油机高压涡旋喷油器的油束模型

第37卷　第9期2003年9月　西　安　交　通　大　学　学　报J OU RNAL OF XI′AN J IAO TON G UN IV ERSIT YVol.37　№9Sep.2003缸内直喷汽油机高压涡旋喷油器的油束模型高　剑,蒋德明,廖世勇,王锡斌(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)摘要:根据燃油薄膜模型和表面波破碎理论,在KIVA3程序的基础上建立了适合于计算缸内直喷汽油机高压涡旋喷油器油束特性的模型.应用此模型计算出了油束特性的主要参数,包括贯穿度、油束整体和轴向横截面上的索特平均直径等,并研究了高压涡旋喷油器在不同喷射压力和不同背压下的油束外形结构和油束特性参数.计算结果表明,高压涡旋喷油器油束边缘有环涡存在;随着喷射压力的增加燃油薄膜厚度减小,速度和油束贯穿度增加,轴截面索特平均直径减小;随着背压的升高,油束贯穿度减小而整体索特平均直径增加.该油束模型与实验结果吻合良好.关键词:高压涡旋喷油器;油束模型;油束特性参数中图分类号:T K421102　文献标识码:A　文章编号:0253-987X(2003)09-0898-05Spray Model of H igh Pressure Sw irl I njector in the G asoline Direct I njection E nginesGao Jian,Jiang Dem i ng,L iao S hiyong,W ang Xibi n(School of Energy and Power Engineering,Xi′an Jiaotong University,Xi′an710049,China)Abstract:Based on liquid sheet model,surface wave breakup theory and KIVA3code,a spray model is devel2 oped for gasoline direct injection(G DI)engines high pressure swirl injector.This model can be adopted to calcu2 late the main spray characteristic parameters including spray penetration,overall and cross section Sauter mean diameter(SMD).The spray structures and spray characteristic parameters are calculated and the influence of in2 jection pressure and back pressure on the spray characteristic parameters is studied simultaneously.It indicates that the toroidal votex arises near the edge of spray,furthermore the liquid sheet thickness decreases and sheet velocity increases with the increasing injection pressure,while the spray penetration increases and cross section SMD decreases.The spray penetration decreases and overall SMD increases with the increasing back pressure. The computational result of this model coincides with the experimental one very well.K eyw ords:high pressure-sw i rl i njector;spray model;spray characteristic parameter 缸内直喷汽油机(G DI)与传统化油器式汽油机相比在燃油经济性、某些排放指标(如CO2、冷启动未燃碳氢等)和启动加速性能等方面都有显著改善,因而成为当代轿车汽油机的研究热点之一.G DI发动机要求燃油喷雾在高负荷时粒径小,油束分散且贯穿度小,在中、低负荷时油束紧密,在活塞顶外形的引导下实现分层燃烧[1].近年来一种专门为此设计的高压涡旋式喷油器能满足上述要求,从而得到了广泛应用.由于油束特性直接影响着发动机混合气的形成和燃烧,所以对这种新型喷油器的油束特性进行研究就显得尤为重要.本文根据燃油薄膜模型和表面波破碎理论,在KIVA3程序的基础上建立了适用于缸内直喷汽油机高压涡旋喷油器油束的计算模型.高压涡旋喷油器主要依靠喷孔周围的切向狭缝来形成燃油喷射的切向速度分量(喷油器外形和内收稿日期:2002-12-13.　作者简介:高　剑(1978～),男,博士生;蒋德明(联系人),男,教授,博士生导师.　基金项目:国家重点基础研究资助项目(2001CB209208).部结构参见文献[1]),这样就能把压力能有效地转换成为旋转力矩,一方面促进雾化,同时又限制了油束贯穿度.根据Lefebvre等人的实验观察[2],在离心力的作用下燃油离开喷孔后即形成圆锥形的燃油薄膜,薄膜破碎进而形成空心圆锥形喷雾.1　油束模型图1为高压涡旋喷油器油束雾化和破碎的基本原理图.燃油从喷孔喷出后经切向狭缝伸展成空心圆锥形的燃油薄膜,厚度为2h,喷嘴处的初始喷角为2θ,长度为L s.随着表面波的不断增长,在薄膜表面出现扰动,燃油薄膜进而破碎成油线,不稳定的油线进一步破碎成较大的油滴,大油滴在各种外力的作用下发生振动,分散成小液滴.需要指出,燃油薄膜从喷孔喷出后本身具有一定的角动量,但由于喷嘴内部的涡旋流动非常复杂,故出于对模型简化的考虑,在本计算模型内并未考虑此角动量对燃油薄膜雾化和破碎过程的影响.1.1　燃油薄膜模型[3]Lefebvre等对高压涡旋式喷油器流动特性的实验研究表明[2],由于涡旋运动的影响,燃油并未占有喷孔横截面的全部面积,而是将空气吸入燃油中心形成一个空气核(如图1所示).引入参数X,定义为喷孔截面处出口空气核面积与喷孔面积(喷孔直径d0)之比X=(1-4h/d0)2(1)燃油薄膜速度由下式决定U=K V 2(p1-p2)ρ1015(2)式中:p1、p2分别为燃油喷射压力和环境压力;ρ1为燃油密度;K V为喷嘴的速度系数图1　燃油薄膜破碎的基本原理K V=C1-X1+X0151cosθ(3)系数C根据理论和实验研究结果取为019,θ根据实验喷嘴的实际结构选定.燃油薄膜厚度根据Han[3]的经验公式计算2h=156μ1m1d0ρ1(p1-p2)1+X(1-X)2015(4)式中:m1和μ1是燃油的质量流量和动力粘度系数.联立求解方程(1)～(4),就可以得到燃油薄膜的全部初始参数(破碎长度L s的计算见112小节),以此作为KIVA3程序计算的初始条件输入.1.2　油束破碎模型油束破碎模型主要有TAB[4]和Wave模型等, KIVA3中采用TAB破碎模型.由于在计算油滴破碎时,TAB模型往往过低地预测贯穿度和索特平均直径(SMD),对粘度较小的汽油喷射不易得到准确的结果,而原Wave模型是在喷孔射流(即油束)为实心圆锥体的基础上发展起来的,它们都不太适用于涡旋式喷油器所产生的中空圆锥体燃油薄膜的破碎计算.因此,本文采用Senecal等人基于表面波理论和线性稳定性分析提出的高速液体薄膜破碎模型[5]来计算燃油薄膜的破碎过程.该模型认为薄膜的破碎起因于液体表面波的不断增强,假设在油膜表面施加一极小的偏移量η=Re[ηexp(i kz+ωt)](5)式中:η0是扰动的初始振幅;ω=ωr+iωi是波动的增长速率;k=2π/λ为波数,λ为波长;Re表示括号内复数函数的实数部分.列出连续和运动方程,并进行求解,可得波动增长速率和波长的方程,即色散方程.根据Senecal对色散方程解的分析,可得到ωr=[Q U2k2-σk3/ρ1(1+Q)]1/21+Q(6)式中:Q=ρ2/ρ1,ρ1、ρ2分别为燃油和空气的密度;σ为燃油的表面张力.利用曲线拟合的方法,可以得到波动的最大增长率Ω和相对应的波长Λ与液气两相物理特性的关系如下Ωh/U=(2/3)We(Q/3)1/2(7)Λ/h=2π/We(8) 根据质量守恒,新生成的油线直径为d L=(8Λh/π)1/2(9)不稳定的油线进一步破碎为油滴,直径由下式决定d D=1188d L(1+3O h)1/6(10)式中:Oh=μ1/(ρ1σd L)1/2为Ohnesorge数;d D为新生成油滴的SMD.998　第9期高　剑,等:缸内直喷汽油机高压涡旋喷油器的油束模型燃油薄膜的破碎时间和破碎长度分别为τ=(1/Ω)ln (ηb /η0)(11)L s =U τ=(U/Ω)ln (ηb /η0)(12)式中:ηb 为表面波增长至破碎临界值时的振幅;参数ln (ηb /η0)根据实验结果取为12.这些较大的油滴再经过2次破碎成小油滴,采用TAB 模型,用研究质点振动的方法类比地研究油滴破碎问题,破碎后小油滴的SMD 为d 32=d D /73+164ρd d 3D σd y d t2(13)式中:σ为表面张力;y 为油滴半径的相对变化量.然后,小油滴又经历碰撞、聚合、湍流扩散和蒸发过程,这些计算模型与KIV A3模型一致,参见文献[4].2　计算网格及喷雾特性参数为了利用KIVA3模拟定容弹中高压涡旋式喷油器的喷雾过程,根据定容弹的尺寸和KIVA3中关于网格划分的特点,考虑到定容弹中没有初始气流运动,故认为喷雾过程是轴对称的,可以视为二维问题,这样既节省计算时间又不影响计算精度.油束特性的主要参数包括贯穿度L 、油束锥角和SMD.KIVA 程序中只是计算了油束喷雾时各个油包的破碎情况,而没有计算出喷雾的特性参数,所以本文又在KIVA 计算数据的基础上,添加了计算喷雾特性参数的模块,包括油束贯穿度、整体索特平均直径(ASMD )和轴向截面索特平均直径(ZSMD ).计算方法可以参见文献[6].3　计算结果及与实验结果的比较3.1　计算所需初始条件、物性参数选择以及燃油薄膜模型计算结果计算喷雾过程所需的初始条件和物性参数主要包括喷孔处的油束锥角,喷油量,燃油的密度、粘度,表面张力以及环境气体的密度、压力等.为便于比较,本文的计算是按照Parrish 等人[7]的实验参数进行的,实验中燃料用异辛烷(C 8H 18)且采用3种不同的喷射压力,本文所采用的初始条件和物性参数列于表1.根据1.1小节所述的燃油薄膜模型进行计算,结果列于表2中.这些燃油薄膜的参数和表1中的物性参数一起作为KIVA3程序的初始条件输入,以便进行喷雾计算.从表2中可以看出,喷射压力越高,则燃油薄膜厚度越小,薄膜初始速度越大.3.2　计算油束喷雾图像与实验拍摄图像的对比实验在定容弹内对一种高压涡旋式喷油器的油束特性进行了测量,并拍摄了油束喷雾的图像.图2为喷射压力为4182MPa 时,计算油束喷雾图像与实验拍摄的油束喷雾图像的对比.第1行为实验拍摄图像,第2行为计算所得的二维油束喷雾图像,时表1　计算所用主要初始条件和物性参数喷射压力/MPa 3145,4182,6121喷孔直径/μm500喷孔处油束锥角/(°)45喷油量/mg 4410喷射持续期/ms 410,3186,314燃油密度/g ・cm -30177燃油表面张力/g ・s -218116燃油粘度/g ・(cm ・s )-1417×10-3环境背压/MPa 011环境温度/K 300环境气体密度/g ・cm -31117×10-3表2　不同喷射压力下的燃油薄膜厚度和初始速度喷射压力/MPa 314541826121薄膜厚度/μm 651063126111薄膜初速/m ・s -1571546913272180喷射压力:4182MPa ;背压:011MPa ;环境温度:300K图2　计算油束喷雾图像与实验喷雾图像的对比009西　安　交　通　大　学　学　报第37卷　间间隔为1ms.可以看到,两者吻合得较好,在油束的边缘可以清晰地观察到有一环形,这被认为是旋轮线涡流作用的结果[1],燃油的喷射运动使环境气体在油束周围产生环流,被卷吸的气体与油束相互作用,气体的涡旋运动将粒径较小的油滴从主油束中带走,结果导致在油束边缘出现环形涡线,这是高压涡旋喷油器的一个重要特点.3.3　不同喷射压力下的油束贯穿度和ZSMD图3所示为3种喷射压力下计算所得喷雾贯穿度与实验值以及原KIVA3程序的计算结果的比 (a )ΔP =3145MPa(b )ΔP =4185MPa(c )ΔP =6121MPa 背压:011MPa ;环境温度:300K图3　不同喷射压力ΔP 下计算贯穿度与实验值的对比较,喷射压力依次为3145、4182、6121MPa.从图中可以看出,在某一喷射压力下模型的计算结果与实验值吻合得很好,而原KIVA3程序由于只采用了TAB 模型,过高地估计了破碎过程,导致计算结果低于实验值.从图中还可以看出,随着喷射压力的增加,油束贯穿度随之增加,且稳定段贯穿度曲线越陡,说明传播速度越快.图4所示为3种喷射压力下ZSMD 的计算值与实验值的比较.计算位置为距离喷嘴轴线39mm (a )ΔP =3145MPa(b )ΔP =4185MPa(c )ΔP =6121MPa 背压:011MPa ;环境温度:300K图4　不同喷射压力ΔP 下计算ZSMD (d Z )与实验值的对比109　第9期高　剑,等:缸内直喷汽油机高压涡旋喷油器的油束模型处.计算和实验值都呈现出相同的规律,即喷雾刚刚到达计算位置时粒径较大,随着时间的发展粒径趋于一个常数,而曲线的微小波动则反映出了较大油滴破碎、小油滴碰撞聚合以及蒸发对油束综合作用的影响.从图4中可以看出,油束到达计算位置的时间大致为喷射开始后1ms左右,随着喷射压力的增加此时间略有缩短.计算值与实验值在喷雾后期吻合得较好,在油束到达计算位置的初期两者有一定误差,原因在于根据实验观察,高压涡旋式喷油器的喷射初期由于受喷嘴内部结构的影响,旋流运动没有完全发展起来,造成有一小部分燃油先期喷射出去,受此部分燃油的影响,实验所得到的ZSMD在开始时较大,由于计算中对这一部分燃油没有考虑,故造成两者的差距,但经过大约115ms后,两者吻合较好.原KIVA3模型没有考虑喷孔处存在燃油薄膜,认为燃油一经喷出立即破碎,且采用TAB模型过高估计了破碎过程,这些都造成计算值与实际有较大的差异.从图4中还可以看出,随着喷射压力的增加,喷射初速增大,ZSMD随之减小.3.4　背压对油束贯穿度和ASMD的影响图5是在喷射压力为4182MPa、背压分别为210MPa和310MPa时的贯穿度和ASMD的计算曲线.从图中可以看出,随背压的增加,油束贯穿度减小.这是因为随着背压的升高,环境气体密度增大,加大了对油束的阻力,使其贯穿速度衰减更快,因而贯穿距离减小.同时,背压(环境气体压力)增加,环境气体密度增大,造成油滴的蒸发困难,结果使SMD增大,高压涡旋式喷油器的这一特点完全符合G DI发动机对油束的要求[1].4　结　论(1)本文采用基于燃油薄膜模型和表面波理论提出的油束模型,对G DI发动机高压涡旋喷油器的油束喷雾进行了模拟计算.该模型可以计算出油束外形、油束贯穿度以及整体和轴向截面SMD.计算结果与实验结果基本相符,说明所建立的油束模型适合此种涡旋喷油器的喷雾计算.(2)对3种不同喷射压力的计算表明,在相同背压和定容弹温度为常温时,喷油压力增加对油束特性有两方面的影响,一方面使油束的油滴更细小, SMD更小,另一方面使得油束贯穿度增大.图5　不同背压对油束贯穿度和ASMD(d A)的影响(3)背压增大,环境气体密度增大,加大了对油束的阻力,使油束贯穿度减小而ASMD增加,这一特点完全符合G DI发动机对油束特性的要求.(4)虽然相对KIVA的计算结果,本文模型已取得较大改进,但计算SMD时仍有一定误差.这主要是由于燃油薄膜模型采用的计算公式为经验公式,将燃油薄膜本身所具有的角动量进行了简化处理,下一步的工作将从喷雾的控制方程组入手,加入此角动量源项,减少采用经验公式带来的误差.参考文献:[1]　蒋德明.内燃机燃烧与排放学[M].西安:西安交通大学出版社,2001.605～610.[2]　Lefebvre A.Atomization and sprays[M].New Y ork:Hemisphere Publishing Corporation,1989.165～189. [3]　Han Z,Parrish S,Farrell P,et al.Modeling atomizationprocess of pressure-swirl hollow-cone fuel sprays[J].Atomization and Sprays,1997,7:663～684.[4]　Amsden A,O’Rourke P,Butler T.KIVA-Ⅱ:a com2puter program for chemically reactive flows with sprays[R].Los Alamos National Laboratory Report,LA-A:Los Alamos National Laboratory, 1989.64～75.[5]　Senecal P,Schmidt D,Nouar I,et al.Modeling high-speed viscous liquid sheet atomization[J].International Journal of Multiphase Flow,1999,25:1073～1097.[6]　王锡斌,蒋德明,王贺武.二甲醚的油束模型和实验研究[J].西安交通大学学报,2001,36(9):890～894. [7]　Parrish S,Farrel P.Transient spray characteristics of adirect-injection spark-ignited fuel injector[R].SAE Paper,970629.Washington:SAE Inc,1997.(编辑　荆树蓉　王焕雪)209西　安　交　通　大　学　学　报第37卷　。

30-直喷汽油机喷雾特性的CFD及可视化研究

直喷汽油机直喷汽油机喷雾特性的喷雾特性的CFD 及可视化研究及可视化研究Research on Spray Characteristics Characteristics of of GDI Engine basedon CFD and Visualization System on CFD and Visualization System丁宁1, 2, 高卫民2，平银生2，陈明2，张小矛2，张万平2，邬文睿2（1.同济大学汽车学院, 上海201804;2.上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804）摘要要：为了深入研究喷雾引导型缸内直喷汽油机的喷射特性，满足燃烧系统研发需求，利用STAR-CD 软件数值模拟了汽油喷雾的发展过程。

根据定容弹试验结果进行了网格依赖性的研究。

最后，按照SAE 标准试验要求，对诸如喷射压力、燃油温度、喷油脉宽等参数对喷雾特性的影响作了进一步详细的研究。

关键词关键词：：缸内直喷汽油机、喷射特性、燃烧系统、定容弹试验Abstract: The fuel spray process in a GDI engine was simulated by Star-CD to research thespray characteristics and help to reach the requirements of combustion system. The results of different mesh sizes were compared with the constant volume bomb experiment. The effects on the spray of inject pressure, oil temperature and inject impulse were researched according to the SAE criterion.Key Keywor wor words: ds: GDI engine, spray characteristics, combustion system, constant volume bomb1 直喷汽油机喷射系统的组成日益严格的废气和噪声排放法规以及降低燃油消耗量的愿望对车用汽油机的喷射系统提出了新的技术要求。

基于STAR-CD的直喷汽油机喷雾模型标定

基于STAR-CD的直喷汽油机喷雾模型标定摘要：在缸内直喷汽油机的数值模拟计算中，燃油喷射过程的准确模拟对后续缸内流动及燃烧过程仿真的准确性有着重要影响。

本文使用STAR-CD软件建立定容弹中燃油喷射数值计算模型，将数值模拟结果与喷雾特性测试结果进行对比，从而调整喷雾模型相关设置。

校正后的喷雾模型模拟贯穿距发展趋势同试验结果相符，索特平均直径与试验结果误差在4%以内，模拟喷雾外形与试验图像吻合，证明本文所建立的燃油喷射数值模型能够准确模拟实际喷雾特性。

关键词：缸内直喷汽油机数值模拟多孔喷油器喷雾标定0前言随着汽车油耗和排放相关法规的日益严苛，汽油直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）发动机以其在提升热效率、燃油经济性和降低排放方面的巨大潜力成为了未来汽油机发展的主流方向[1-3]。

在GDI发动机相关研发与科研中，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一种被大量运用的有效手段，如何提高仿真结果精度和可靠性也一直是使用者非常关注的问题。

对于GDI 发动机而言，其燃油喷射过程决定了缸内混合气的形成质量与分布，从而进一步影响燃烧过程[4]，因此准确地模拟GDI发动机喷雾是缸内CFD仿真的先决条件。

本文从GDI发动机缸内CFD仿真的实际需求出发，基于STAR-CD软件对某缸内直喷汽油机的多孔喷油器进行了喷雾特性标定，保证模拟所得喷雾参数与喷雾特性测试实验结果基本吻合，可以用于发动机混合气形成与燃烧过程的仿真。

1喷雾模型标定1.1喷雾模型标定方法GDI发动机的燃油通过喷油器以高压喷射的方式直接进入燃烧室，破碎成许多细小的油滴，然后经过吸热、蒸发、扩散、碰壁等一系列物理过程，形成一个由液柱、油滴、燃油蒸气和空气组成的多相混合物场。

对燃油喷射过程的模拟，是一个涉及了两相流和统计力学理论的多相流现象数值计算问题[5]，在进行CFD仿真时需要合理地选择模型及其相关设置参数，才能保证喷雾模拟结果的准确性。

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近些年来，一方面受能源短缺的困扰，另一方面发动机电控技术发展迅速，使得国外对缸内直喷（工汽油机的Ｇ）Ｄ研究取得了突破性的进展。９６日菱汽车公司率先推出商用Ｇ工１９年，本三Ｄ发动机，其燃油经济性较常规进气道汽油机可以提高２％一３％，００动力性提高１％０左右｛缸 ’ Ｃ内直喷汽油机在中小负荷采用分层稀薄燃烧混合气，并要求在点火时刻在火花塞间隙形成可燃混合气，因此对喷雾过程在时间和空间上的精确控制提出更高的要求。喷雾能否形成合理的分层结
缸内直喷式汽油机喷雾模型的建模和数值模拟
王燕军王建听帅石金首藤登志夫＊
１清华大学汽车工程系，汽车安全与节能国家重点实脸室！
【摘要】内直喷式（：〕缸ＧＩ汽油机可以大幅度提高汽油机的燃油经济性和降低Ｎ，Ｏ本文在ＫＶ－ＶＩＡ３原代码程序
的基础上建立了Ｇ工Ｄ的汽油喷雾和混合气形成的数位模型，并对不同喷封条件下的汽油伞喷方案进行了数值模拟和试脸对比．模拟结果说明：混合气浓度对Ｋ油蒸发模型物性参数计葬有较大的影响，．混合气浓度梯度修正的蒸
ｓＡｓｒｃ：ｓｌｅｅｔｃｏＥｇｅｉｐｖｔｆｅｅｏｏｙｒｄｃＮ，ｉｉｎａｙＴｈｉｂｔａｔａｉＤｒＩｅｔｎｉｃｎｍｒｅｕｌｎｍａｄｕｅｅｓｏｇｔＧｏｎｉｃｎｉｎｎａｊｏｈｅｃｎｅＯｍｓｒｌｅ
２铭
构是影响直喷汽油机性能好坏的一个重要因素。喷雾的形成和发展涉及到较为复杂的两相流问题，影响混合气形成过程的因素也较多，如宏观的气流运动、微观的湍流扩散特性、嫩油喷射模式、喷雾特性以及热力条件等等。尽管多年来对柴油喷雾的形成和燃烧研究取得了不少成果，但由于柴油和汽油二者在燃油性质、喷油压力、喷雾质量和燃烧室中所处环境的明显差别，柴油机上的经验和理论还不能直接应用在直喷汽油机上。对汽油喷雾的形成和发展需要进行重新认识本文通过对原ＫＶ程序进行改进，ＩＡ模拟了汽油喷雾的形成和发展过程，并与试验结果进行了对
＝０
上面三式中，Ｐ为相度ｗ为向体度Ｙｉ１）别燃表蒸和境体，气密；，径气速，（，分为油面气环气＝ｇ
的质量分数；
：燃蒸对境体二扩系人气导系为油气环气的元散数为体热数
Ｋ＝
产１１．ｅｓ
考虑到烬油蒸气向环境空气单向扩散的特点，在对流条件下可得蒸发常数
ｔｅｕｔｎｎｔｅｔｐｄｔｉｉｌｅｐｅｔｈｓｒｈｓｌｏｃｎｃｒｃｙｉｔｎｉｄｖｌｍｎｏｔｐａｉａｍｉａｏｏｒｌｒｃｈｔｅｏｅｅａｆｅｙＫｙｏｄ：ｅｔｃｏ，ｏｉＳｒ，ｅｃｌｕｔｎｅｗｒｓＤｒＩｅｔｎＧｓｌｅａＮｍｒａＳｍｌｉｉｃｎｉｊａｎｐｙｕｉｉａｏ
Ｗ表考态的Ｃ．Ｐ代参状下ｏａ・或
参考状态的混合气密度用下式来计算：
Ｙｓｒ一Ｐｓ
Ｐ．＝ｇｃ
十—
Ｙ、．．＿
）
ｌ，（）
文：计，，为油发处稳蒸阶，且发液温处沸，献，算ｐＤ时认汽蒸时于态发段并蒸的体度于点，在
确Ｍ的考度即．：工＿Ｔ，中』毛另燃表和境体温；定ｔ参温，ｒ、（一）Ｔ＿分心油面环气的度＝Ｔ．，为其３一。
其物参如几・Ｕ〕采参温下经公：他性数〔Ｄ・；Ｉ均用考度的验式，
发模型能更好地模拟汽油的蒸发过程；通过引入ＲｓｒＲｍｌｒｏｉ－ａｍｅ燃油拉子质Ｉ分布和改进的液滴运动胆力模型使．
模拟计算结果与高压旋流汽油喷雾的发展的试验结果更加响合；但现有喷雾模型所采用的离散液滴方法ＩＤＩＤＭ
不能很好地预测喷雾发展的初始阶段
关键词：缸内直接喷射
汽油喷雾
数值模拟
中图分类号：６．３．叮４４１４４
ＥｔｂｉｍｅｔＳｍｕａｉｏＳｒｙｄｌｓｌｈｎａｄｌｏｆａＭｏｅａｓｎｉｔｎｐｏＧｓｌｅｅｔｅｔｎｇｅｆｏｎＤｒｃＩｊｃｏＥｉａｉｉｎｉｎｎ
ＨＵＤＴｉａｏＷＡＧｎｕＷＡＧｎｎＨＵＩＭＯｍｔＮＹｊｎＮＪａｉＳＡＭＵＳａｉｄ
（一）１Ｙ＋．ｅｃ＇６ｎＲｅ＝２０Ｒ＇Ｓ＂
（，ｇＹ一）二，Ｙ，（一）ＹＹ
Ｓｈ
ｆ７）
为密数 △ 为对度ｖ为体动度Ｐ为油度施特： “ 相速：气运枯：「燃密・
ＫＶ原程序在计算燃油蒸气的物性参数时，ＩＡ取边界层内靠近液滴表面１３侧／处的温度作为
Ｖ “ ，，十，，几Ｖ（）珠Ｖ（）ＴＴ
Ｙ二，生一．，Ｙ（Ｙ＋Ｙ１
Ｙ＝一｝ｇ１Ｙ，｝ｌ
３ ‘
式，标Ｃ参状，标ｓ・ｉ别参状下油面气燃蒸质分，中下指考态下．Ｙ分指考态燃表和的油气量率ｒ．，
比。
１计算模型及改进．
原ＫＶ程序ｍ模拟采散液滴喷雾ＩＡ用离方法（Ｄ）即续分布的滴直径用有限Ｄ．把连Ｍ油个名义滴径来代表，用具有代表性的统刘样本来模拟真实喷雾粒子在缸内的运动，每个样本都代表一定
数目大小和状态都完全相同的油滴，用拉格朗日方式跟踪这些油滴样本的运动，求解描述其运动轨迹和蒸发、传热过程的一组微分方程。液相对气相的于扰以附加源项的形式出现在描述气相的偏微分方程中，交替求解气液两相方程，求得每一时刻缸内各组分的浓度分布和其他参数１１燕发模型的改进．Ｋ程序的蒸发模型在满足一定假设条件下，认为液滴蒸发遵循如下规律：ＮＡ
则有：
（珍为Ｌｗｓｅｉ数）
（１）二
但在进气行程喷射过程中Ｍ朋温度和比刀郁牧１，Ｒ７利用（）１苦ＰＬ则会有软大的倔爱－｝｝．）
上式。，Ａ，Ａ，人分为验数Ｐ为体度三中Ａ，Ａ，Ａ，，，，，别经常，：气密・
原Ｐ，程Ｔ序中，有燃蒸浓度度对合气影响，ｓｑ计采参｀Ａ没考虑油气梯混的产，兄等的算用了
考温度下的空气的物性值。由于柴油的蒸发较慢，此用上面的因经验公式模拟柴油蒸发过程与试验结果较吻合。但在汽油喷雾的模拟和试验对比中发现，用上面公式和系数模拟得到的结果与试验有较大的差别，要原因是没有考虑燃油蒸气对混合气物性参数的其主影响、因此，本文除采用了参考温度的概念外，还考虑了燃油浓度及其浓度梯度的影响，取边界层内靠近液滴表面侧１３．１处的物性值作为参考状态下混合气的物性值来模拟汽油的蒸发本文采用文献，推荐的公式来，中计算混合气的物性参数：
ｄｚ（）一ｄ、＝
ｄｔ（）
式中，ｄ为液滴直径；Ｋ为蒸发常数，是燃料种类和环境状态的函数。在认为燃油蒸发满足稳态平衡燕条件下，Ｋ的求解可由燃油液相和环境气相条件联立求解得出：液滴液相方程：
ｍ，＝一－，，４ａ：ｒＣｎ（ｈＰｒ鲁ｚＴ，Ｈ
式。，双ｉＣ＂么Ｈ分为滴量温、径定比、发率蒸中ｍ・｀、：别液质、度半、压热蒸速和发．．
潜热：ａ为气液两相的热交换系数；Ｚ为环体温恒ａ｝
景８，（２＝ＰＷ０ｒ）
（油蒸气成分方程ｂ１
ｄＺ｀，）ｒｐ、ｇ］｝ｓ一｝＝ｒＷＤ（０
ｉ）能量守恒ｓ
景＇，Ｔ－｛Ｂ，：Ａ，ｒＷ（ｓ｝［Ｃ一器Ｐ
ｐｐｒｂｓｅｔｇｓｌｅａａｄｘｒｆｍｔｎｄｌｏｔｂｓｏｔｏｉｎｌＡ３ｃｄ一ｈａｅｅａｌｈｄａｉｓｒｎｍｔｅｏａｏｍｅｎａｓｈｒｉＫＶ－ＶｅｆＣｓｉｔｈｅｏｎｐｙｉｕｒｉｏｓｈｅｉｆｅｇａＩｏ＂ｍｒｌｓｒｗｓｕｔａｄｐｒｕｄｒｄｅｎｉｅｔｎｄｏｓＴｅｕｔｎｕｓｗｔｕｂｌ＂ａａｓｌｅｎｃｍａｄｅｔｉｒｔｃｏｃｎｉｎ．ｓｌｉｒｌｓｔｅａｐｙｉａｄｏｅｎｈｆｅｎｉｏｔｍｅｊｉｈｉａｏｅｔｈｈｍｓｏａ
（ｅａｍｎｏＡｔｏｖＥｇｅｒｇＳｔＫｙｏｔＡｔｏｖＳｆａｄｒ，ｇｕＵｉｒｔＤｐｒｅｔｕｍｔｅｉｅｎ，ｅＬｂｒｏｏｕｍｔｅａｔＥｅｙＴｉｈａｖｓ）ｔｆｏｉｎｎｉｔｅａａｒｆｏｉａｙｅｎｎｇｓｙｎｎｅｉｙ