林 煜

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院 汽車運(yùn)用工程系，福建 福州 350007）

前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，制造工業(yè)已經(jīng)開始從原始的純機(jī)械技術(shù)走向數(shù)字控制、精確計(jì)算的智能時(shí)代，發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)也邁入了計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助設(shè)計(jì)、制造的時(shí)代。目前，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體動(dòng)力學(xué)的各類問題進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，逐步成為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒領(lǐng)域一個(gè)不可替代的工具。目前我們所熟知的市場上比較流行的商業(yè)CFD 軟件有比較多，常見的比如Fluent、ABAQUS、KIVA、AVL FIRE、Converge 等。

本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程的計(jì)算機(jī)分析運(yùn)用了由美國Convergent Science Inc.開發(fā)的通用三維CFD 軟件Converge 2.2 版本[1]。

本軟件成功地解決了CFD 領(lǐng)域中非常棘手的動(dòng)網(wǎng)格問題，完全自動(dòng)化的網(wǎng)格生成能適合于從簡單到非常復(fù)雜的所有幾何模型，這不僅消除了網(wǎng)格劃分的時(shí)間，而且極大地提高了軟件的使用效率。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸燃燒室模型構(gòu)建

在使用Converge 軟件進(jìn)行仿真的第一步就是先構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的燃燒模型。

首先，根據(jù)試驗(yàn)的SL4108ZLQ 柴油機(jī)說明書上氣缸的尺寸在三維制圖軟件上畫出氣缸的三維圖，之后將三維圖導(dǎo)入Converge 軟件。以下為發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)：

表1 SL4108ZLQ 柴油機(jī)參數(shù)

在將三維圖導(dǎo)入Converge 軟件之后，通過三維制圖軟件自帶的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化成STL 格式輸出，并導(dǎo)入到Converge 中。

圖1 燃燒室模型

圖2 燃燒室網(wǎng)格模型

計(jì)算模型基礎(chǔ)網(wǎng)格采用4mm，計(jì)算區(qū)域由活塞上表面、氣缸壁和缸蓋底面所圍成區(qū)域組成，計(jì)算時(shí)刻并不是整個(gè)四沖程的循環(huán)，而是進(jìn)氣門關(guān)閉到排氣門開啟之間（-132°CA至126°CA）。至于網(wǎng)格劃分，Converge 這款軟件的優(yōu)點(diǎn)之一就是可以自動(dòng)劃分網(wǎng)格。Converge 中的網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)、處理復(fù)雜幾何模型和移動(dòng)邊界的能力以及豐富的噴射和燃燒模型，也使其成為模擬天然氣─柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程最理想的工具。

2 燃燒室各模型選擇

在Converge 燃燒仿真中，需要選擇湍流、液滴和燃燒模型，選擇合適的模型會(huì)使得仿真結(jié)果更加接近真實(shí)值。

2.1 燃燒室中湍流模型

湍流模型本文選用得是雷諾平均法RANS（Reynolds Averaged Navier-Stokes）。RNG（RNGκ-ε）方法的基本思想是通過在空間尺度上一系列連續(xù)的變換，對(duì)本來非常復(fù)雜的系統(tǒng)或者過程實(shí)現(xiàn)粗辨別率或“粗?；钡年U述，簡化問題，使其更容易得到解決。

在雷諾平均法中，RNGκ-ε 模型在內(nèi)燃機(jī)流暢結(jié)構(gòu)、傳熱及燃燒排放物預(yù)測方面比標(biāo)準(zhǔn)κ-ε 模型更接近實(shí)測值，所以本文中湍流模型選擇為RNGκ-ε 模型。

圖3 湍流模型的分類

2.2 燃燒室中液滴模型

Converge 中液滴模型包含液滴破碎模型、液滴碰撞模型和液滴蒸發(fā)模型。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中，引燃柴油的作用是作為點(diǎn)火源，點(diǎn)燃作為主要燃料的混合氣，為天然氣與空氣的混合氣燃燒提供點(diǎn)火能量。雖然引燃柴油的質(zhì)量并不是很多，但是，引燃柴油的霧化程度將會(huì)影響缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵|(zhì)量，因此噴霧模型的選擇對(duì)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒顯得非常重要。

Converge 中自帶的液滴破碎模型有KH（Kelvin-Helm-holtz）模型、RT（Rayleigh-Taylor）模型、KH-RT 混合模型、KH-ACT 模型和TAB（Taylor Analogy Breakup）模型。

本文選用的液滴破碎模型為修正KH-RT 模型，由KH 模型控制初次破碎，并在此過程中產(chǎn)生自液滴；后續(xù)液滴破碎則由KH 與RT 模型競爭機(jī)制決定。因?yàn)镵H─RT 混合模型同時(shí)考慮KH 與RT 兩種模型的機(jī)制，既考慮氣液流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及粘性力作用，又考慮基于離散液滴的分裂霧化，在氣液界面的法向存在由于兩相之間密度的巨大差別而產(chǎn)生慣性力，引起的擾動(dòng)波的影響。KH-RT 噴霧破碎模型的后續(xù)霧化于其他幾種模型。這是由于KH-RT 噴霧破碎模型噴霧貫穿距高，霧化效果更好[2]。

圖4 KH─RT 噴霧破碎模型示意圖

據(jù)KH-RT 噴霧破碎模型示意圖，KH-RT 模型假定液滴氣泡初始直徑與噴射器噴嘴相同，在這模型中，KH 模型在特征破碎距離內(nèi)發(fā)生作用，而在特征破碎距離以外，KH 和RT 才開始共同作用。

本文選擇的修正KH-RT 模型就是將液滴破碎細(xì)分為初次破碎和二次破碎，由KH 模型控制液滴的初次破碎，并在此過程中產(chǎn)生子液滴，子液滴的再次破碎被形容為二次破碎，二次破碎則由KH 與RT 模型競爭機(jī)制決定。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)引燃柴油的噴射是在密閉的、狹小的缸內(nèi)完成的，而由于空間的限制，柴油液滴之間不可避免的會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生相互之間的摩擦和碰撞，我們稱此現(xiàn)象為液滴碰撞現(xiàn)象。

關(guān)于液滴的碰撞仿真，目前普遍采用的是O’Rourke 創(chuàng)立的統(tǒng)計(jì)模型，本文也選擇這個(gè)被廣泛應(yīng)用的液滴碰撞模型。該模型對(duì)液滴碰撞的仿真結(jié)果是根據(jù)Brazier-Smith 的水滴碰撞結(jié)果，并且簡化了碰撞結(jié)果，只考慮了聚合與摩擦分離兩種可能。

當(dāng)燃油噴入到模擬的計(jì)算域中時(shí)，需要通過構(gòu)建計(jì)算模型將液體轉(zhuǎn)換為氣體蒸汽。蒸發(fā)模型則同樣選擇被多篇論文中采用的Frossling 算法模型。

2.3 燃燒室中燃燒模型

天然氣混合氣在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程屬于預(yù)混合燃燒，本設(shè)計(jì)方案中，天然氣和空氣在進(jìn)入氣缸前就已經(jīng)在進(jìn)氣道混合完成，在Converge 自帶的燃燒模型中，SAGE 化學(xué)求解模型和G-Equation 燃燒模型能夠模擬預(yù)混合燃燒模型。

本文的燃燒模型選用的是SAGE 化學(xué)求解模型，該模型允許用戶將CHEMKIN 輸入文件與詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理相結(jié)合運(yùn)用到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒模擬中，形成一套標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)機(jī)理文件。Converge 中已經(jīng)導(dǎo)入了求解的必要程序，因此可以免除安裝求解器的過程。SAGE 與AMR（自適應(yīng)網(wǎng)格）相結(jié)合，可以很好的預(yù)測許多燃燒現(xiàn)象，如點(diǎn)火、預(yù)混合、混合氣的控制等。

有研究表明[3-4]，基于Converge 的SAGE 燃燒模型，通過軟件數(shù)值模擬得到的火焰形狀以及溫度場的分布情況相比于實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較準(zhǔn)確，火焰中心溫度要比火焰邊緣的溫度略低，因此本文認(rèn)為SAGE 燃燒模型可以準(zhǔn)確預(yù)測天然氣─柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒過程。

2.4 排放模型

Converge 在排放方面提供了碳煙（soot）和氮氧化物（氮氧化物）的子模型，其他排放物，如一氧化碳、一氧化碳、未燃碳?xì)浠衔锏龋部梢酝ㄟ^調(diào)用Converge 中的“mech.dat”文件，再結(jié)合部分被激活的燃燒模型計(jì)算得出。

碳煙是柴油機(jī)的一個(gè)很重要的污染排放，碳煙的生成量可以分析雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的引燃柴油的噴射量。

氮氧化物是近年來十分被重視的污染物，氮氧化物的生成量可以分析氣缸內(nèi)燃燒的溫度和氧氣濃度。

本文分析排放是直接從Converge 輸出的文件里調(diào)出“emissions.out”文件來獲得各個(gè)排放物隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化所生成的質(zhì)量。

3 初始和邊界條件

在Converge 的仿真開始之前，要對(duì)已經(jīng)構(gòu)建的計(jì)算模型進(jìn)行初始條件和邊界條件的設(shè)定，使得構(gòu)建的計(jì)算模型能夠比較準(zhǔn)確模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作情況。下表給出了本次計(jì)算模型的初始和邊界條件。

表2 計(jì)算模型初始和邊界條件

4 燃燒模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證所構(gòu)建的燃燒模型的可行性，在沒有燃燒分析儀支持的條件下，我們通過同工況下的相關(guān)仿真結(jié)果和實(shí)際臺(tái)架實(shí)結(jié)果的一致性來驗(yàn)證燃燒模型的有效性和可行性。

在25%油門開度1300r/min 的工況點(diǎn)進(jìn)行仿真計(jì)算，并和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5 示功圖

由圖5 可以計(jì)算出曲線圍成的單缸每循環(huán)指示功為996.3W，根據(jù)功率的計(jì)算公式：

通過公式（1）可以算出仿真計(jì)算出柴油機(jī)單缸的功率為12.45kW，四缸的指示功率就是49.8kW。而實(shí)驗(yàn)測得的同等工況下的有效功率為48.34kW。有效功率是指示功率扣除機(jī)械損耗之后的功率，由于臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測功機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器直接相連，機(jī)械損耗只有發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的一小部分摩擦等損耗。因此在論文中看作兩者近似相等。因此，可以認(rèn)為在動(dòng)力性上，Converge 軟件的仿真結(jié)果是準(zhǔn)確的。

圖6 碳?xì)浠衔锱欧?/p>

排放的比較本文選取雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)里十分典型的排放物，碳?xì)浠衔?。根?jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該工況下碳?xì)浠衔锏呐欧艦?3ppm，根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量守恒的原則，可以通過噴入氣缸的柴油量、天然氣量和進(jìn)入的空氣大致計(jì)算出試驗(yàn)所得的碳?xì)浠衔镔|(zhì)量為0.124g，仿真計(jì)算的結(jié)果為0.112g。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以得到，兩者之間的結(jié)果誤差在10%以內(nèi)?？紤]到仿真時(shí)本文選擇的計(jì)算模型并不是最精確的計(jì)算模型，而且仿真必定有誤差的存在。因此，認(rèn)為碳?xì)浠衔锏呐欧沤Y(jié)果是準(zhǔn)確的。

還有碳氧化合物以及氮氧化物等排放，通過比較，發(fā)現(xiàn)仿真計(jì)算的數(shù)值和試驗(yàn)值相差在10%以內(nèi)，因此認(rèn)為燃燒室的仿真模型是合理和有效的。

5 總結(jié)

本文構(gòu)建了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的燃燒室模型，并且在其它計(jì)算模型的子模型里通過分析以及查看其它國內(nèi)外的文獻(xiàn)資料，對(duì)比文獻(xiàn)資料里的發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，為本文選定了湍流、液滴和燃燒三個(gè)模型以及初始條件和邊界條件。

根據(jù)理論計(jì)算的天然氣噴氣量和試驗(yàn)數(shù)據(jù)中動(dòng)力性接近單燃料模式下的天然氣噴氣量進(jìn)行對(duì)比，選定仿真計(jì)算時(shí)天然氣進(jìn)氣量的計(jì)算方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，為之后需要的仿真計(jì)算和分析打下理論基礎(chǔ)。