基于三维粒子图像测速技术的滚流运动研究

借助自主搭建的三维粒子图像测速系统对4气门汽油机缸盖进行了稳流条件下缸内流场测量,得到缸内不同测量截面处流场的三维速度分布,对不同气门升程下缸内流场结构进行了分析,并基于离面速度分布对滚流比进行了计算.研究发现:缸内滚流流场在垂直于气缸轴线的测量平面内主要体现为位于进/排气门侧的进气射流;较高的气道压差可以保证流场结构...     

4气门汽油机气道滚流比测试方法的试验研究

对汽油机缸内滚流直接测量方法的测试装置进行了可视化处理,在自主开发的气道稳流试验台上,通过PIV技术研究稳态滚流测试过程中流场的微观结构及其演化规律,阐明不同模拟缸套结构参数对气道滚流比影响规律.结果表明,不同结构参数的模拟缸套内流场结构在气门升程达到一定范围时都会发生变化,形成大尺度逆时针滚流,并且会导致缸内各测量截面滚流比曲线斜率增大.而缸内流场不同区域受缸套形状影响程度不同,出气口附近截面内滚流比受其影响最大,对于出气口直径为0.35倍缸径的模拟缸套,出口附近截面内滚流比出现非常高增幅的跃升,跃升后滚流比达到3.08.气道稳流试验模拟缸套内滚流比的变化规律从根本上受角动量守恒支配,缸套形状与滚流比产生增幅过高的跃升存在本质的联系.     

采用3D-PIV技术测量汽油机的滚流强度

自主搭建了三维粒子图像测速(3D-PIV)系统,在内燃机气道稳流试验台上测试气道流动特性.首先通过直管道流动试验以及2D-PIV试验验证了该3D-PIV系统测试结果的可靠性,随后测量了稳态试验条件下缸内流场形态,进而分析了气道的滚流强度,并与在气道稳流试验台上测得的滚流强度进行了对比.此外,研究了不同翻板位置对气道滚流强度的影响,结果表明:在气道稳流试验台上测得的滚流强度随气门升程增加呈逐渐上升趋势,而由3DPIV测得的滚流强度呈现非单调变化的特点,且在数值上高于气道试验台测量结果.使用3D-PIV可以更准确地测量滚流强度,有效地避免模拟缸套带来的摩擦损失.关闭翻板可以显著增大滚流强度,尤其在气门升程超过5,mm之后.     

可变滚流对缸内流动循环变动影响的试验研究

利用PIV技术在一台基于直喷汽油机(gasoline direct injection,GDI)改造的光学发动机上测量了缸内滚流运动,通过进气道入口处翻板和进气道内挡板改变缸内滚流比,并利用本征正交分解(POD)方法将流场分解为平均流场、拟序流场、过渡流场和湍流流场,分析滚流运动对气流循环变动的影响。试验结果表明:翻板和挡板的组合能有效改变流场结构,使GDI汽油机缸内形成大尺度的单一滚流,滚流比提高近三倍。通过本征正交分解分析发现,拟序流场中拟序结构涡团的变动是缸内气流循环变动的主要来源。大尺度强滚流使平均流场占能比例大幅提升达30%,减少了能量向拟序流场的传递,使拟序流场循环变动降低近50%,从而抑制了缸内气流运动整体的循环变动。     

汽油机缸内滚流测量方式研究

针对汽油机滚流测量方式,通过气道稳流试验结合数值模拟方法对不同滚流测量方式下缸内滚流的演化规律进行了研究。研究结果表明:采用直接测量方式对滚流进行测量时,缸内滚流强度会产生大幅度跃升,而间接测量方式则变化平缓,其根本原因是在一定的气门升程范围缸内滚流流场由相互平衡的两股气流,演变为统一的大尺度滚流。同时发现直接测量装置的出气口直径对跃升幅度有直接影响,小的出口直径加剧了缸内滚流强度的跃升;间接测量方式在气缸中心平面具有和直接测量方式相一致的流场结构,基于间接测量模拟缸套的整流作用,其测量得到的滚流强度变化平缓。     

基于AVL-FIRE的汽油机缸内滚流的模拟计算

利用三维流体力学软件AVL-FIRE,对495汽油机在不同初始缸内流场条件下的压缩和燃烧过程进行CFD模拟计算。给出了汽油发动机压缩过程中不同初始滚流比下缸内速度场的变化趋势,分析了初始流场中滚流空间位置变化对湍动能场的影响,以及初始流场滚流比对燃烧的影响。     

涡轮增压直喷汽油机缸内流场、混合气形成和燃烧数值模拟及试验

建立了发动机3D模型,在发动机进气道上采用了一个滚流控制阀片,以控制发动机气流运动。通过计算流体力学(CFD)软件计算缸内流场随曲轴转角的演变和发展过程,评估了缸内的滚流运动和湍动能。模拟了在当量空燃比条件下缸内混合气的浓度场分布,分析了缸内燃烧过程。研究结果表明:采用滚流控制阀在2 000r/min、0.2MPa和1 750r/min全负荷工况下能够有效提升缸内滚流比,并且在压缩行程末期增强了湍动能,有助于提升燃烧速率,改善燃烧。通过设计特殊形式的活塞顶面,对喷雾进行引导,避免了燃油喷雾直接碰撞在缸壁。燃烧模拟的缸内压力曲线与实际发动机台架测试的结果吻合性较好。     

可变滚流GDI发动机气流循环变动的大涡模拟

对一台可变滚流比直喷汽油机(GDI)缸内冷态湍流流场采用大涡模拟方法进行了多周期数值模拟,并通过PIV结果进行试验验证.在此基础上,引入了本征正交分解(POD)方法,基于相关系数(RI)将瞬时流场分解为平均流场、拟序流场及湍流流场,并对不同滚流强度下各分流场的循环变动特性进行了研究.结果表明:滚流翻板关闭将显著提高缸内滚流强度;提升转速及滚流比会使缸内气体质量明显增加,同时使缸内充量循环变动显著降低;流场分解所获得的分流场可分别反映流场不同尺度流动的特性.各分流场所占能比例不同,且随曲轴转角变化,反映出各流场之间能量的相互传递,其中平均流场占能比最高,在70%以上.POD分解所得到的各分流场的时间系数均方差能够量化其循环变动,拟序流场的循环变动要远远大于其他分流场的循环变动,提升发动机转速使循环变动略有降低,但增大滚流比能够明显降低循环变动.     

四气门火花点火发动机气缸内的滚流运动

讨论了火花点火发动机气缸内滚流比的预测模型，根据滚流进气系统的稳流试验和拖动工况下缸内流场的LDA测量结果，提出了一个滚流形成的物理过程模型，即在进气冲程早期和活塞到达临界曲轴转角之前，不能有效形成滚流，活塞临界位置与在压缩冲程后期活塞上行、缸内滚流开始畸变、破碎的活塞位置相当，据此建立了缸内滚流比预测模型，并在稳流试验和拖动工况下缸内流动的LDA测量试验中得到验证。     

稀疏化动态模态分解算法在发动机缸内流场研究中的应用

采用大涡数值模拟方法模拟了发动机缸内冷态流场,连续计算100个周期,获得了缸内多循环流场数据库,模拟结果通过粒子图像速度场测量技术(PIV)测量试验进行了验证.然后,采用动态模式分解(DMD)算法分析动态非线性系统流场数据库,以识别其流动特性.结果表明:DMD算法能够有效识别缸内涡团脉动频率,提取对应的流场结构,有利于发现在发动机整个工作过程中具有大衰变率的不稳定流场结构.此外,改进的"稀疏化"DMD算法可有效地对最重要的流场结构进行低维近似,这将有利于寻找影响和控制发动机缸内流场动态演化的方法.     

可变滚流GDI发动机缸内气体流动特性模拟研究

在一台可变滚流比直喷汽油机(GDI)上对不同滚流强度下缸内冷态湍流流场进行了数值模拟研究,并通过PIV结果进行了实验验证。研究结果表明:进气翻板关闭将显著提高缸内滚流强度并产生较强的湍流,尤其在气门升程最大时刻,其滚流比约为翻板开启时的5倍,湍动能为后者的4倍左右;缸内流场在高滚流比工况时较早地形成单一大尺度涡,同时涡心更明显,流场更加规则,流速相对较高,在进气下止点时平均流速为20m/s;在压缩过程中,高滚流比工况湍流的黏性耗散较大,湍动能衰减较快;但在压缩末期缸内湍动能较低滚流比工况高,同时分布更加均匀。     

二气门汽油机缸内滚流运动湍流特性的LDA试验研究

在一台具有较强滚流比的二气门汽油机上用二维 Ｌ Ｄ Ａ测量了燃烧室内沿气缸直径方向各测点处气流运动的规律。在考虑压缩过程中缸内滚流运动会受到影响的情况下对流场进行的分析表明，压缩过程初期和中期缸内滚流仍存在，只是到了压缩末期滚流才畸变破碎。通过相关分析和谱分析，说明了这一过程的发展变化复杂。作者建议使用有效平均速度的概念来计算湍流的积分长度尺度。     

汽油机气缸中滚动气流运动对发动机性能的影响

本文通过调整导气屏气阀位置产生大范围变化的缸内气流运动形式，用传统的稳流试验台和作者最近研制的测缸内滚流运动的稳流试验台对各种气流运动形式进行稳流试验，用二维激光多普勒测速仪在反拖的发动机缸内紊流运动的发展变化并用着火发动机的性能实验结果来分析各种气流形式的涡流、滚流和紊流特性。试验结果表明，在气缸中产生较强的横轴涡流即滚动或接近滚动气流运动时，燃烧室内的紊流强度可获得较大的提高，性能也有明显的改     

汽油机可变滚流进气系统瞬态模拟研究

运用动态网格技术对直喷汽油机在不同转速下缸内气体运动进行瞬态模拟研究,分析可变滚流进气系统中滚流调节阀工作状态对进气流动、喷雾及油气混合特性以及缸内燃烧特性的影响。模拟结果显示,滚流阀开启和关闭对缸内燃油分布有着显著的影响。通过关闭滚流阀提高滚流强度,可加快缸内燃油雾化速度,有助于点火时刻在缸内形成浓度均匀的混合气并提高燃烧效率;在低转速下关闭滚流阀,增加缸内滚流比,可以显著提高缸内燃烧压力,增加点火时刻的湍动能,配合较晚的点火时刻形成稳定而快速的燃烧。模拟结果有利于分析和评价不同参数对可变滚流直喷汽油机混合气形成及燃烧特性的影响规律,为可变滚流进气系统的整机开发提供理论依据。     

四气门汽油机进气道流动特性的稳流试验研究

通过自行研制的稳流气道试验台研究了一台单缸四气门汽油机进气道流动特性及其产生涡流和滚流的能力，分别试验了双气门全开、单气门开和单切向气道三种方案。研究结果发现，该汽油机缸内几乎不存在大尺度涡流，而只存在滚流，当关闭其中一个气门后，会得到较强的涡流，加导气片后，其涡流更强，但流通能力比双进气门全开差。对于滚流比，单进气门比双进气门略有提高，但差别不大。     

超高滚流对高热效率汽油机燃烧过程影响研究

以某自然吸气高压缩比直喷汽油机为研究对象,利用一维软件和三维软件对汽油机的工作过程进行了数值模拟,探究了超高滚流进气系统在高热效率燃烧系统中对燃烧性能的趋势性影响。研究中设计了三款不同滚流比气道和四种计算方案,对不同计算方案的瞬态滚流比、瞬态湍动能、缸内速度场、当量比分布、放热率和缸内平均压力等进行了对比分析。研究结果表明:滚流比的大小影响缸内混合气的分布和湍动能的强度,较强的滚流比可以将更多能量保留到上止点附近,提高点火时刻缸内平均湍动能,从而影响缸内燃烧,进而影响发动机的性能;带凹坑的活塞形状设计可以使湍动能在不同滚流比下都保持在相对中心位置,使火花塞处在湍动能较高区域,有利于点火之后火焰的迅速传播;在此燃烧系统中,滚流比增大到一定程度后,缸内的平均压力峰值难再提高,对性能的增益已接近极限,过高的滚流比对发动机性能的提升已无明显作用。     

四气门发动机缸内空气运动的试验和多维数值模拟计算

在倒拖工况下对一台四气门火花点火式发动机缸内流场进行了试验研究。试验采用加长活塞结构及透明活塞顶,利用激光多普勒测速仪（ＬＤＡ）,对气缸轴线的速度分布进行了测量。结果表明：在进气过程中,气缸内产生了双涡结构;在压缩过程初期,由于从进气门经过排气门流入气缸的气流产生的涡旋逐渐增强,而从进气门侧缸壁直接流入气缸的气流形成的反向涡旋逐渐减弱,最后演变成了单一大尺度的滚动涡流;在压缩过程中后期,滚流经历了发展、衰减、畸变和破碎的过程。为了进一步理解滚流形成、发展及演变过程,对缸内流动过程进行了多维数值模拟计算,计算结果与实测分析结果基本一致     

提高四气门汽油机缸内滚流强度的研究

在四气门汽油机中,运用滚流运动组织快速燃烧过程或混合气分层稀燃过程,都需要提高滚流强度。作者在一台单缸四气门汽油机上,通过 Ｌ Ｄ Ａ 测量,研究了滚流的形成过程,提出了提高滚流强度的机理,并对进气道结构、燃烧室内进气门出口侧壁屏蔽对滚流运动强度的影响进行了初步研究。研究结果表明,在滚流形成过程中,缸内首先出现双涡旋结构,以后演变成为单涡旋结构的滚流运动。增加流经排气门侧的进气气流或抑制直接沿进气门侧缸壁流入气缸的气流,都能提高滚流强度。     

内燃机气缸内稳态滚流运动沿气缸圆周分布特性研究

采用内置式滚流测量装置对CA1102发动机的四种气缸盖进行了滚流测量试验,主要测量不同气门升程敢缸内无因次滚流比沿气缸圆周的分布情况,同时采用Ricardo方法计算了进气终了滚流比沿气缸圆周的分布情况。结果表明：要在全升程范围内形成方向稳定的滚流运动,必须对进气流采取适当的导流措施;气缸内气体的滚流运动强度沿气缸圆周基本按余弦或正弦方式分布,并且,不同进气系统结构的气缸盖所产生的气缸内滚流运动矢量方向不同。