直喷增压汽油机火焰传播及爆震燃烧过程的多维数值模拟

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1、直喷增压汽油机火焰传播及爆震燃烧过程的多维数值模拟(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：汽车工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：王方指导教师：王建昕教授二○一五年六月MultidimensionalNumericalSimulationofFlamePropogationandKnockingCombustioninBoostedGDIEngineDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosop

2、hyinPowerEngineering&EngineeringThermophysicsbyWangFangDissertationSupervisor:ProfessorWangJianxinApril,2015摘要摘要采用高压缩比和增压技术是提高缸内直喷汽油机的燃油经济性的重要途径，但是在中高负荷工况下会产生爆震燃烧现象。本文采用大涡模拟耦合湍流燃烧模型以及化学反应动力学对直喷汽油机燃烧室内的湍流流动、喷雾混合和湍流燃烧过程进行数值模拟，并对爆震这种非正常燃烧现象及其产生的机理进行了详细解析，以期能更精准更合理地模拟直喷汽油机的流动燃烧过程。在雷诺平均模拟方法

3、框架下，将一种基于重整化群概念的湍流模型应用于可视化单缸机燃烧室内湍流流动的模拟计算。在KIVA-3V源代码平台下分别采用传统k模型和G-RNGk模型对该四气门发动机在倒拖工况下的进气、压缩和膨胀过程进行了模拟。采用试验数据作为发动机模拟计算的初始和边界条件，并将模拟结果与可视化发动机中的可视化粒子成像测速结果进行了对比分析，综合评价了G-RNGk湍流模型在发动机湍流仿真预测中的适用性。在源代码KIVA-CHEMKIN平台下引入大涡模拟动能输运单方程亚网格模型，并修改亚网格湍动能输运方程中喷雾源项的封闭方式，通过标准台阶流动算例对流动和喷雾模型分别进行了

4、验证。基于验证的模型，对直喷汽油机进气和燃油喷射过程的缸内湍流流动和喷雾混合进行了模拟，分析了湍流脉动对缸内速度场、湍流粘度和湍动能分布的影响，并分析比较了采用雷诺平均方法和大涡模拟方法对模拟结果的影响。相比雷诺平均方法，采用大涡模拟方法能够更合理地反映出缸内湍流流动的瞬态细节以及直喷汽油机喷雾混合气形成过程中的浓度分布特性。在大涡模拟方法框架下对离散粒子点火火核模型和G方程湍流燃烧模型进行了修正，包括对G方程燃烧模型中湍流火焰与层流火焰传播速度的关系式的修正，并在发动机上进行了模型验证。随后采用大涡模拟方法动能输运单方程亚网格模型描述缸内的湍流流动，采用离散粒子点

5、火模型模拟燃烧室内的火花点火过程，采用G方程湍流燃烧模型描述缸内的湍流火焰传播过程，并采用一种47组分，142步反应的化学反应机理描述燃烧室内已燃区的后氧化过程和未燃区的末端混合气自燃过程，详细解析了直喷增压汽油机湍流燃烧过程以及爆震燃烧现象，研究了缸内亚网格尺度之上的湍流脉动对于缸内湍流火焰传播和未燃区末端混合气自燃过程的影响，并基于模拟计算结果对点火时刻和混合气浓度对发动机爆震强度的影响进行了分析。关键词：直喷增压汽油机；大涡模拟；燃烧模型；火焰传播；爆震IAbstractAbstractThefueleconomyofgasolinedirectinjecti

6、on(GDI)engineisusuallyimprovedduetohighcompressionratio(CR)andturbo-chargingtechniques.However,inhighloadoperationconditions,highCRandintakepressurewouldleadtoknockingphenomenoninboostedGDIengines.ThisthesisisfocusedonboostedGDIengine,applyinglargeeddysimulation(LES)couplingwithflamele

7、tcombustionmodelandchemicalmechanicstothenumericalanalysisofknockingcombustionanditsmechanism.InRANSframework,ageneralizedrenormalizationgroup(G-RNG)turbulencemodelwasappliedtosimulatenon-reactingflowsinanopticalsingle-cylinderengine.Turbulentflowinthis4-valveenginewassimulatedwithth