二气门汽油机缸内冷态流场的大涡模拟

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1、中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文编号：094006二气门汽油机缸内冷态流场的大涡模拟曾文⑴基金项目：中国博士后基金(20080430733)，辽宁省教育厅项目(2008545)作者简介：曾文（1977-），男，湖南，博士后，副教授，研究方向：HCCI发动机工作过程数值计算解茂昭⑵1沈阳航空工业学院动力与能源工程学院，辽宁沈阳1101362大连理工大学能源与动力工程学院，辽宁大连11602413889110132,zengwen928@sohu.com摘要：通过修改发动机多维CFD计算程序KIVA-3V，建立了内燃机缸

2、内冷态流场的大涡模拟（LES）计算模型。利用此模型对二气门汽油机进气与压缩过程中缸内流场进行了详细分析，并与k-ε、RNGk-ε模型进行了比较。结果表明与采用k-ε、RNGk-ε模型计算时相比，采用LES计算时显示了更为复杂的湍流结构。同时，采用LES计算时除能得到有序的大尺度涡团结构外，还能捕捉到大量不规则的小涡团结构，而采用k-ε、RNGk-ε模型进行计算时，基本上捕捉不到不规则的小涡团结构。关键词：湍流；大涡模拟；涡团结构；k-ε模型；RNGk-ε模型0前言内燃机缸内空气运动对混合气的形成和燃烧过程有决定性影响，因

3、而也影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气的排放。在实际发动机的进气和压缩过程中，气缸内往往存在着旋流、挤流和滚流等大尺度运动，使流场结构和湍流特性非常复杂[1]。在以往的研究中，对内燃机缸内流场的数值模拟一般采用k-ε模型或RNGk-ε模型。近年来随着计算机技术的发展，对内燃机缸内流场的大涡模拟（LES）在国外得到了广泛的开展[2][3]。Celik等人[4]对内燃机的进气和压缩过程进行了大涡模拟计算，他们发现运用LES进行计算时进气与压缩过程中湍流的产生及耗散过程与实验结果非常吻合。近年来，国内大量学者也相

4、继开展了湍流流动与燃烧过程的大涡模拟研究[5][6]，但至今为止，国内关于内燃机缸内流动与燃烧过程大涡模拟的相关报道却很少。本文在KIVA3V源程序基础上[7]，通过修改其中部分子程序块，建立了内燃机缸内冷态流场的大涡模拟计算模型。利用此模型对二气门汽油机进气与压缩过程缸内流场进行了详细分析，并与k-ε、RNGk-ε模型进行了比较。为大涡模拟在内燃机流动与燃烧过程的进一步发展和应用提供了理论依据。1数学模型采用盒式滤波器对描述内燃机工作过程的控制方程进行滤波[8]：(1)(2)(3)(4)亚网格应力张量可由模型进行模化：

5、(5)采用模型时：(6)(7)2物理模型发动机基本计算参数为：缸径为82.55mm，冲程为92.075mm，连杆长度为152.4mm，转速为1600r/min。进气门开启时刻为上止点后(ATDC)5°CA，进气门开启持续期为180°CA。上止点后180°CA时发动机计算网格模型如图1所示。图1二气门汽油机的计算网格（上止点后180°CA）3计算结果与分析图2至图5分别显示了采用LES进行计算时进气过程中上止点后（ATDC）165、180°CA，压缩过程中上止点前（BTDC）150、120°CA时缸内流场（速度场）分布与演

6、变情况，亚网格应力张量由模型进行模化，并与采用k-ε、RNGk-ε模型计算时所得到的计算结果进行了比较分析。图中速度矢量前正号为顺时针方向，负号为逆时针方向。图2165°CA(ATDC)时缸内轴向速度场(cm/s)分布(a：k-ε模型,b：RNGk-ε模型,c：LES模型)图3180°CA(ATDC)时缸内轴向速度场(cm/s)分布(a：k-ε模型,b：RNGk-ε模型,c：LES模型)图4150°CA(BTDC)时缸内轴向速度场(cm/s)分布(a：k-ε模型,b：RNGk-ε模型,c：LES模型)图5120°CA(B

7、TDC)时缸内轴向速度场(cm/s)分布(a：k-ε模型,b：RNGk-ε模型,c：LES模型)湍流运动中同时存在着有序的大尺度涡团结构和无序的小尺度结构。大尺度涡团的运动并非是完全随机的，而是空间上表现出一定程度的有序（拟序）性，小涡团的运动具有很强的不规则性或随机性。LES与雷诺平均（RANS）之间的主要差别在于可求解的尺度水平，LES所能求解的尺度远远小于RANS。RANS的速度场是对时间取平均得出的，即抹去了所有涡团所产生的时间上的脉动值，其所能求解的尺度取决于所采用的湍流模型，而LES的速度场是对湍流进行空间上

8、的过滤，它滤去了小涡的脉动，却保留了大涡的脉动，其所能求解的尺度通常取决于网格分辨率。从图2到图5可以看出，采用RNGk-ε计算时缸内湍流速度场与采用k-ε模型计算时相比差别非常小；但是，与采用k-ε、RNGk-ε模型计算时相比，采用LES计算时显示了更为复杂的湍流结构。而且，在进气和压缩过程中的任意曲轴转角，采用L