4102天然气发动机燃烧室优化与cfd仿真分析

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1、成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集4102天然气发动机燃烧室优化与CFD仿真分析11112杨立平，李君，高莹，李昕，王立媛（1吉林大学汽车学院，长春130022；2长春师范学院，长春130032）摘要：本文首先通过逆向工程的方法建立了4102天然气发动机进气道和燃烧室的三维表面模型，利用CFD软件FIRE对燃烧室内气体流动和燃烧过程进行了分析，针对原燃烧室存在的不足对燃烧室形状进行了优化，通过对比两种燃烧室模拟计算结果表明，与原始燃烧室相比，优化后的弧形燃烧室初期火焰核心稳定，火焰传播速度快，燃烧持续期短，最高的缸内压力可以超过原始燃

2、烧室12.7%，提高了天然气发动机的动力性，但使NOx排放有所增加。关键词：模拟；流动；燃烧；燃烧室中图分类号：TK402天然气作为发动机的替代能源，不仅有资源丰富室的点云，图3是根据进气道和燃烧室点云铺出的表的特点，且作为发动机燃料时能够大大改善发动机排面，图4为进气门和活塞头部表面。然后将绘制好的放性能，被认为是目前最实用的车用发动机替代燃料各个表面装配在一起，并以STL格式导出表面网格，之一，因此对天然气发动机的研究已经成为一个重要为下一步网格划分做好准备。[1-4]的研究方向。但是天然气作为发动机燃料时存在着火温度高、火焰传播速度慢和功率密度低等缺点，而通过燃烧室形

3、状的设计可以合理的组织缸内的气流运动从而实现天然气发动机的快速燃烧，从而改善发动[5,6]机性能。近年来，随着计算机技术迅速发展和计算流体力学（CFD）研究的逐渐成熟，CFD已经成为流体力学研究的主要手段，通过CFD与CAD相结合的方法可以对发动机的结构参数进行优化设计和性能评[7,8]价，可以大大缩短产品开发周期、降低开发成本。因此本文利用CAD/CAM软件CATIA建立了CA4102天然气发动机的三维燃烧模型，并利用三维CFD软件FIRE对两种燃烧室形状天然气发动机性能图1进气道和燃烧室阳模进行了分析，为燃烧室形状优化提供了理论依据。1模型建立与网格划分1.1模型建立本

4、研究中由于只有气道和燃烧室阳模，而气道和燃烧室的形状比较复杂且缺少绘制图形所需的很多关键尺寸，因此不能直接在三维CAD软件绘制其表面形状，对于处理形状特别复杂且难以用测绘的方法表示其结构的零件时“逆向工程”的方法是一种快速而又精度较高的造型方法。先用三坐标扫描设备对CA4102发动机的进气道和燃烧室的阳模进行激光扫描，获得其表面的密集点云，然后利用CAD/CAM软件CATIA的功能模块（DigitizedShapeEditor）处理图2进气道和燃烧室点云由测量仪器所采得的3D表面点云数据，为了减少存储文件的大小，通过一些运算法则，在保证形状不失真的前提下将庞大的点群进行过滤

5、，仅留下部分点数据，利用处理过的点群进行铺面。图1为4102发动机进气道和燃烧室的阳模，图2为扫描的进气道和燃烧作者简介：杨立平(1979-)，男，博士研究生。研究方向：新能源与新型动力总成.E-mail:yangliping302@tom.com成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集火花塞中心图5活塞位于上止点处的网格2.边界条件与计算模型2.1边界条件图3进气道和燃烧室表面边界条件也是影响计算精度的重要的因素之一，计算中主要的边界条件如下表所示：表1边界条件边界名称边界类别温度K进气道入口进/出口283.4进气道壁面307进气门移动5

6、00汽缸盖壁面600图4进气门与活塞头部表面汽缸壁面5501.2网格生成计算网格质量的好坏是决定数值模拟精度的最重活塞顶移动650要的因素之一。即使对于采用高精度差分格式的计算2.2模型选取程序，如果不能保证网格的生成质量，也同样很难得FIRE软件不仅给出了计算流体力学的三个最基到精度较高的数值解。为了提高网格质量并降低计算本方程（质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方域网格离散难度，本文采用FIRE8.31提供的自动分网程），还提供了针对内燃机工作特点的其它模型，其工具FAME对模型的表面网格进行划分，生成了由气中包括湍流模型、着火模型、燃烧模型、排放模型等。门、汽缸的结

7、构网格与进气道和燃烧室的混合网格组本研究选择了k-ε双方程湍流模型，火花点火模型，成的体网格。要保证生成网格的精度，需要对气道和[9]CFM-2A拟序小火焰模型，ZeldovichNOx生成模型。燃烧室的特征边以及重要部分进行细化处理，而细化[10]火花点火模型中初始火核半径可由下式计算得到：会导致网格数量的增加，特别是活塞顶表面网格单元1/2⎡⎤数量是决定再分区(Rezone)体网格单元数量多少的关⎢⎥键，因为每次再分区时汽缸部分的网格是由位于上止⎢γ−1Eb⎥r=i⎢⎥点位置的活塞表面网格向下拉伸而得到的。本研