柴油机缸内工作过程的数值模拟

ｍｏｒｅ ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｆｕｅｌ ｅｃｏｎｏｍｙ ｗｉｌｌ ｂｅ ｈｉｇｈｅｒ矮ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ
ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ ａｎｄ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｔ Ｘ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ａｄｊｕｓｔｅｄ．Ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｈａｎｇｅｓ ｗｉｔｈ
为０．１８ ＭＰａ。柴油机工作转速２ ２００ ｒ／ｒａｉｎ。 传热边界条件：缸套壁面定义为ｗａＵ边界，壁
面绝热无滑移；采用标准壁面函数对边界层进行处 理。
喷孔设定：由于６个喷孔不是完全轴对称结构， 而且喷孑Ｌ轴与气缸轴还有一定夹角，因此本文中喷 孔位置和方向完全按照实际情况给出。 １．５初始条件
柴油机工作过程是高度瞬变且周期循环的，其 时均运动和湍流运动的弛豫时间都非常短，这样就 降低了数值模拟中初始条件的重要性。理论上，只 要取足够多的时间步，进行足够长的循环计算，流场 的解最终将自动显示出周期性，而与初始条件无关。 在实际计算中为了使解尽快达到收敛，提高计算精 度，尽量合理地规定初始条件还是很有必要的，特别 当计算所持续的时间不足一个循环时更是如此。
ｌ｜芟羲嚣期：２００８—０４～０７骖瓣嚣赣：２００８—０７一０１ ＊国家蠡然辩学基金资助磺簿（５０７７６０４２）、滋嚣省谗士餐耨基念资鼹壤匿（２００６）、氍技舔农盈秘羲蒇蓉转位资金资翡璞鏊
（２００８Ｃ１００６０５５５）、镇江市科技计划资助项目（ＳＨ２００７００６）和镇江市科技技术资助项目（ＳＨ２００８００３） 作者简介：施爱平，副教授．擞簧从事喷射雾化的研究．Ｅ，ｍａｉｌ：ｓｈａｐ（园ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ
图７给出了喷油过程中两个不同时刻燃油雾化 粒子的分布情况。其中，颜色的深浅代表燃油颗粒 的密度，粒子的大小用其直径的相对大小来表示。 通过计算可以看到整个喷油过程中燃油粒子的雾化 过程［６Ｉ。
在数值模拟中网格的划分很困难。这是由于实 际的流动区域往往具有不规则且十分复杂的几何外 形，为了保证计算精度，划分网格时应尽量保持计算 区域与实际流动区域相一致；另外，网格的类型、质 量、结构、尺度等都对计算的精度和稳定性有着直接 的影响；对于工作过程，由于气门和活塞的运动使得 网格生成更加困难。为此，本文应用ＦＡＭＥ技术， 生成六面体网格，并对气阀喉口处网格加密。生成
ｅｎｇｉｎｅ’ｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ
１．１几何模型建立 准确数值模拟的一个重要前提是对几何形状的
精确描述，但由于柴油机工作过程几何结构十分复 杂，完全按照其真实实体建立计算模型非常困难，因 此在保证对模拟计算结果不产生很大影响的前提 下，同时为了避免在网格划分时产生网格尺度的巨 大差异，对实体结构进行了一些等效简化处理，主要 有：①略去气缸壁与活塞之间的间隙，即活塞顶平面 与气缸壁面完全密封。②略去某些过渡圆角、倒角 等次要细节。对模型的关键位置（如：气门），其形状 对流动截面和计算精度有很大的影响，故在几何建 模过程中对气门建模时应尽可能做到准确无误。利 用三维ＣＡＤ软件建立活塞运行到上止点、进排气门 都关闭状态下的几何模型，包括进气道、进气门、气 缸顶、气缸壁、活塞顶（包括燃烧室）合成的封闭几何 体，燃烧室偏心布置。燃烧室中心与气缸中心在Ｘ 方向偏３．５ ｍｍ，在ｙ方向偏１ ｍｍ，如图２所示。 １．２计算网格的生成
万方数据
第３期
施爱平等：柴油机缸内工作过程的数值模拟
Fra Baidu bibliotek
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气缸内的气体流动，供油系统以及燃烧室形状 之间的优化匹配是实现高效率低污染燃烧的关 键［３－４】。内燃机气缸内的流动十分复杂，是典型的 三维不定常流动，发动机的结构参数（进气管路、气 门机构、燃烧室结构等）以及运转参数（转速，进、排 气管内的压力等）都对气缸内的气体流动产生影响。
ｍａｘｉｍｕｍ ｉｎｔａｋｅ ｏｐｅｎｉｎｇ （ａ）１５ｍｍ（ｂ）３０ｍｍ（ｃ）４５ｒｅ．ｖｉｉ
下移，该涡流区逐渐移出相对于燃烧室的区域。 图６为有喷油时的流动矢量分布图。可以看
出，在喷雾开始阶段，在燃烧室内流场形成一个轴向 环流。但是由于燃油的喷射在其四周形成较强的局 部湍流运动，使得整个流动变得更加复杂、紊乱。此 时缸内大尺度环流由于燃油的喷射而削弱。另外还 可以看出各个孔的燃油喷射速度也不相同。 ２．２喷油雾化分析
随空闻彼疑变化，丽且还随时间变化面各不棚丽，通过这种多绻暌态计算能够提供不同时刻、不同缎麓的换热系数
致瀣瘦分孝，为霆露毒隈蠢诗算分终提供最蠢剿翡逮赛条｛季；进气篷程毙形成蓼誉骥显戆进气溪漉；雀活塞接近上
止点时，鬣然受到挤流的影响，但是燃烧室内的气体流动依然移往环形运动。
关键词：柴油机工作过程多维瞬怒数值模拟
３．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｔｔｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ
４．Ｗｕｘｉ Ｆｕｅｌ Ｉ巧即￡ｉ嗍Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｘｉ ２１４０００，Ｃｈｉｎａ）
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图２燃烧室位置尺寸
Ｆｉｇ．２ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ
图１柴油机工作过程数值模拟流程 Ｆｉｇ．１ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｅｓｅｌ
Ｍｕｈｉ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｆｏｒ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，
ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＹＤ４９０ＺＬ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｂｙ ＡＶＬ—Ｆｉｒｅ．Ｔｈｅ ｇａｓ ｆｌｏｗ．ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ ｃｙｌｉｎｄｅｒ
为了尽快使计算收敛，通过实验，给出缸内、进 气道内的初始压力和初始温度，而压力和温度均取 时均流参数。
２计算结果及分析
２．１流动分析 图４、图５为气门开度最大时径向和轴向速度
矢量分布切面图。径向速度矢量指过气缸轴线的纵 截面，轴向矢量指沿气缸轴线不同高度的横截面。 从图中可以看出，由于进气道为螺旋进气道，在进气 过程形成了明显的环形旋涡运动。图４是进气过程 的径向切面速度，从中可以看出有一大一小两个滚 流形成。通过轴向不同截面的速度矢量图可以看 出，不同位置上产生的涡流形式也各不相同。从图 中可以看到，由进气道来的气流经过气门座时形成 一个明显的涡流区。在气缸中部，相对于燃烧室的 区域内形成一个明显的小涡流区。随着高度位置的
ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｔ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ｍｕｌｔｉ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｈｅ
中豳分类号：ＴＫ４２１＋．１２
文献栎识码：Ａ
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｏｆ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ
Ｓｈｉ Ａｉｐｉｎ９１ Ｙｅ Ｌｉｈｕａ２ Ｙａｎ Ｍｉｎｇｄｅ３ Ｄｉｎｇ Ｚｈｏｎｇｙｉ４ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｊ’Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ ２。Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ａｎｄ Ｔｒａｆｆ话Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ
ｂｅｓｔ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｆｏｒ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ。Ｉｎｔａｋｅ ｓｗｉｒｌ ｗａｓ ｆｏｒｍｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ
ｉｎｔａｋｅ ｐｒｏｃｅｓｓ；ｒｉｎｇ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｉｎ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ ｗａｓ ｓｔｉｌｌ ｅｘｉｓｔｅｄ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｔｏｐ ｄｅａｄ
ｗａｌｌ，ｆｕｅｌ ｓｐｒａｙ，ｐａｒｔｉｃｌｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｉｍｅ ｏｆ ｅｎｔｉｒｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｏｒ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｃｅｒｔａｉｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ Ｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｗｉｌｌ ｂｅ
图４进气门开度最大时径向速度矢量切面图
Ｆｉｇ．４ Ｒａｄｉａｌ ｓｐｅｅｄ ｖｅｃｔｏｒ ｐｌａｎｅ ａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｉｎｔａｋｅ ｏｐｅｎｉｎｇ
图５进气门开度最大时不同高度轴向矢量切面图 Ｆｉｇ．５ Ａｘｉａｌ ｖｅｃｔｏｒ ｐｌａｎｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｌｔｉｔｕｄｅ ａｔ ｔｈｅ
２ ０ ０ ９年３莠
农业机械学报
第４０卷第３期
柴油机缸内工作过程的数值模拟＊
施爱平１ 叶丽华２ 燕明德３ 丁仲毅４
（１．江苏大学能源与幼力工程学院，镇江２１２０１３；２．没苏大学汽车与交嫩工程学院，镇江２１２０１３； ３．中国农业机械化科学研究院。北京１０００８３；４．笼锡油泵油嘴研究所，无锡２１４０００）
本文利用ＣＦＤ软件ＡＶＬ—Ｆｉｒｅ对ＹＤ４９０ＺＬ型 柴油机整个工作过程进行多维瞬态数值模拟。对整 个工作过程中不同时刻气体流动、壁面传热、燃油喷 雾雾化、颗粒形成等进行分析。
１计算模型的建立
ＹＤ４９０ＺＬ型柴油机工作过程多维数值模拟研 究流程如图１所示。
的三维网格如图３所示。图３为曲轴转角下的整体 网格。整个模拟过程采用动网格。
图３整体网格 Ｆｉｇ．３ Ｅｎｔｉｒｅ ｍｅｓｈ
１．３计算模型 采用瞬态计算模式，在数值模拟中认为气体充
量在气道及缸内的流动状态是三维可压缩的粘性湍 流流动，湍流模型选用ｋ—ｅ高Ｒｅｙｎｏｌｄｓ模型；计算 算法采用Ｓｉｍｐｌｅ算法。
计算中不但研究进排气门及气道对整体流场的 影响，还研究燃油喷射、燃烧对缸内气流运动和传热 的影响。因此在计算模型的选取上不但选用计算流 场数值模拟的数学模型，还选用气液耦合计算的两 相流模型，本文选用拉格朗Ｅｌ多相流模型计算燃油 的喷射；雾化模型用Ｄｕｋｏｗｉｃｚ模型；破碎模型用 Ｗａｖｅ模型；撞壁模型用Ｗａｌｌｊｅｔｌ模型；燃烧模型选 择涡破碎模型Ｅｄｄｙ—Ｂｒｅａｋｕｐ ＭｏｄｅｌＩｓｌ；点火模型用 Ｄｉｅｓｅｌ自燃模型；ＮＯ：模型采用Ｚｅｌｄｏｖｉｃｈ模型；Ｓｏｏｔ 模型用Ｋｅｎｎｅｄｙ—Ｈｉｒｏｙａｓｕ—Ｍａｇｎｕｓｓｅｎ模型；气体 密度根据理想气体状态方程计算。 １．４边界条件
ｃｅｎｔｅｒ ｗｈｉｌｅ ｉｔ ｗａｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｓｑｕｉｓｈ ｆｌｏｗ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ
弦
Ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ，Ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｍｕｌｔｉ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ，Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
薹萎麓震墨嚣兰羹蓁蔫凳羹嚣蓑勰
柴油机整个工作过程包括气体交换、压缩、燃油 经济性、可靠性、燃烧噪声及有害废气排放‘卜２ｌ。
ｌ摘簧ｌ利用ＣＦＤ软律ＡＶＬ—Ｆｉｒｅ辩ＹＤ４９０ＺＬ型柒涵巍避气、篷缩、燃烧过疆进行了多维瞬态数僮辏狻。逶
过对柴油机工作过程中不问时刻气体流动、蹙面传热、燃油喷雾雾化、颗粒形成等因素的分析，结聚认为适当调整
燃烧室中心相对气缸中心猩Ｘ方向的距离，可以使燃烧更加充分、提高柴油机的燃油经济性；燃烧燕换热系数不仅
准确确定边界条件是实现高精度数值模拟的一 个关键技术，在工作过程的数值模拟中，流动边界条 件的确定相对简单，而与传热相关的边界条件难以 精确确定。为此，给出气缸套内壁、活塞顶平面及燃 烧室壁面的温度场，以此作为缸内工作过程计算的
万方数据
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农业机械学报
２ ０ ０ ９芷
换热边界条件。 流动边界条件：进气门入口采用压力入口，压力