内燃机工作过程数值仿真

内燃机工作过程数值仿真

摘要：本文分析了内燃机燃烧理论,为进行内燃机工作过程的数值分析提供了基础"利用FIRE软件建立了某型内燃机的几何模型以及计算网格模型针对内燃机的具体运行过程,编制了5种常见的运行工况,并且利用该软件对该内燃机在上述工况下的工作过程进行模拟分析具体求解了该内燃机在不同的工况下缸内流场和燃烧过程随曲轴转角的变化。

关键词：内燃机；工作过程；数值仿真

Abstract:this paper analyzed the combustion theory, the working process of the numerical analysis for the internal combustion engine provides the basis "of a certain type of internal combustion engine was established based on software FIRE of geometric model and computing grid model according to the specific operation process of internal combustion engine, compiled the five kinds of common operation condition, and using the software of the internal combustion engine under the above conditions to simulate the working process of the analysis of" concrete under different conditions to solve the internal combustion engine in cylinder flow field and combustion process along with the change of the crankshaft rotation.

Keywords: internal combustion engine ;working process; the numerical simulation

1引言

自内燃机问世以来,就以其便利、高效和经济性好得到了人们的喜爱,为人来的生产和生活带来了巨大的方便。内燃机给人们来了便利,随之而来的问题就是能源危机和环境污染当然包括噪声污染时至今日,节能和环保已经成为内燃机行业最迫切要解决的两大主题。为了在保证内燃机的动力性和经济性的同时,又达到节约能源和环保的目的,就不得不对内燃机的燃烧系统不断加以改进,重视缸内工作过程的研究"对内燃机燃烧学的研究主要有实验和数值模拟两种方法。实验法成本高、时间长、且受设备的限制。数值方法模拟可以更好的全面预测内燃机的性能,代替部分发动机试验,在不受时空限制的条件下进行各种变参数研

究,指导设计开发新型燃烧系统内燃机对旧内燃机的性能进行优化,还可以降低实验费用,缩短实验时间,节省大量的人力、物力,具有很强的生命力和优越性。

2内燃机燃烧过程数学模型的建立

内燃机缸内气相流动模型是以经典流体力学可压缩性粘性流体的N 一S 方 程为基础的,即根据质量、组分、动量、动能的守恒定律及理想气体状态方程, 以一组偏微分的方程组来描述缸内流动过程[]21-。

2.1质量守恒方程

组分m 的密度表示为m ρ,流体的总密度ρ可以由下式得到:

∑=m

m

ρρ (2-1)

组分m 的连续方程为

()1m s

c m m m m D U t δρρρρρρρ++⎥⎦⎤⎢⎣

⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∇•∇=•∇+∂∂ (2-2) 式中:D 是组分的质量扩散系数;U 为速度矢量;c

m ρ，s ρ分别是化学反应和喷

雾产生的源项;1m δ是克罗内可符号(作1,凡1二1;m 界1,氏1二0).根据定义,组分m 质量分数为:ρ

ρm

m Y =，考虑到所有组分相加得到总流体密度ρ守恒方程为

()s m

U t

m ρρρ=•∇+∂∂ (2-3) 2.2动量守恒方程

流体混合物的动量方程为:

()()g k A p a u u t u ρρσρρ+⎥⎦

⎤

⎢⎣⎡∇-•∇+∇=••∇+∂•∂32102 （2-4） 式中：

p 一为气体的压力,Mpa;

0A 一在层流计算中,0A 的数值为O;采用紊流模型时,0A 的数值为1;

α为无量纲数,使用"PGS 方法可以提高低马赫数时流动的计算效率,这时,流体压力近似相等"如果使用PGS 方法,则a 随时间变化 K,为湍流脉动动能,3/m KJ

g 一.比体积力,假定为常数

σ一为表面张力,N/m

σ粘性应力张量使用牛顿力学的形式

()[]

I u u u T ••∇+∇+∇=λμσ （2-5）

μ、λ一粘性应力中第一、第二系数,

2.3能量守恒方程

能量守恒方程采用比内能形式

()()()ρεσρρ00A J A I u P uI t I +•∇--+•∇-=•∇+∂∂ （2-6） 式中：

I —为除去化学能的比内能

J 一热通量矢量为热传导和恰扩散的作用的总和

()∑∇-∇-=m

m m h D T k J ρρρ/

T 一为流体温度

m h —为组分m 的比焙

K 一为热传导系数

ε一为湍流动能的耗散速率

2.4状态关系方程

假设流体为理想混合气体,各状态关系式为

()∑=m

m m W T R P /0ρ （2-7）

()()()T I T I m m

m ∑=ρρ/ （2-8）

()()()T c T c pm m

m p ∑=ρρ/ （2-9）

()()m m m W T R T I T h /0+= （2-10）

式中：0R 为通用气体常数；m W 为组分m 的分子量；()T I m 为组分m 的 比内能；pm c 为组分m 的定压比热。