四气门汽油机进气与压缩过程缸内流场的大涡模拟

通过修改发动机多维CFD计算程序KIVA-3V,建立了内燃机缸内冷态流场的大涡模拟(LES)计算模型.利用此模型对4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模型进行了比较.研究结果表明:与采用k-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;采用LES计算时除了能够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模型计算时基本上捕捉不到不规则的小涡团结构.     

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。     

四气门天然气发动机缸内瞬态流场数值模拟

采用K-ε双方程模型对四气门天然气发动机进气道及缸内的瞬态流场进行数值模拟，模拟了发动机进气、压缩及燃烧过程。结果表明：四气门发动机缸内涡流由外向内形成；缸内平均湍动能强度在进气冲程中总体呈先增大后减小的趋势，压缩冲程中耗散作用使湍动能降低，但挤流作用使气缸中部的湍动能升高；进气过程中存在流动分层，为改善小负荷时发动机性能，天然气应尽可能在进气冲程中、后期进入气缸；缸内涡流中心的位置和气流速度梯度对火焰径向传播的均匀性有很大影响。     

LNG发动机缸内气体流动及其对燃烧过程影响的数值分析

应用STAR-CD软件对缸内直喷LNG发动机建立工作过程的计算模型,分析了缸内流场的运动及对发动机燃烧过程的影响.模拟结果表明:进气过程所产生的涡流运动能够维持到压缩上止点附近,压缩行程后期缸内的滚流破裂成众多小尺度的涡,湍流强度增大,可以提高火焰传播速率;压缩冲程接近终了时,缸内混合气呈明显分层现象,在火花塞及LNG喷嘴附近聚集较浓的可燃混合气,利于实现天然气发动机的稀薄燃烧.     

基于大涡模拟的发动机缸内湍流流动及拟序结构

应用大涡模拟方法对发动机缸内湍流流场进行了三维瞬态数值分析.主要从湍流脉动、湍动能和缸内拟序结构演变等方面考察了发动机缸内流场特性.计算结果表明:相比雷诺平均模型,大涡模拟方法可以更真实地反映发动机循环过程中缸内气体流动的细节和规律.利用大涡模拟结合Q准则判别法可以较好地识别缸内大尺度湍流拟序结构;拟序结构对于缸内大尺度动能的产生及湍流的维持具有关键的作用.RANS类模型则不具备充分捕获大尺度拟序结构的能力.湍流脉动与活塞平均运行速度接近于成正比.     

4气门DISI汽油机缸内湍流场POD分析

应用本征正交分解(POD)方法对一台4气门直喷式汽油机(DISI)缸内冷态湍流流场试验测量数据以及大涡模拟计算数据进行了分析,以深入考察该汽油机缸内湍流场拟序结构特性以及湍流场循环变动特性.结果表明,POD方法可以将流场湍流涡团结构按照含能数量进行分解,大尺度拟序结构和小尺度随机脉动涡团可以被有效分离,为研究其各自的形成与演化特征创造了条件.考察各模态的时间系数在不同周期间的统计变化规律,可以了解流场湍流结构的循环变动特性.相比较使用传统相平均方法来研究汽油机循环变动,POD方法可以单独研究不同能量涡团结构的循环变动特点,为进一步深入理解循环变动特性奠定基础.     

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.     

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。     

改善495汽油机燃烧性能的分析研究

基于三维CFD软件FIRE,计算分析了495汽油机的进气燃烧过程特性.研究结果表明:4气门汽油机进气过程中存在着双涡运动特性,其中,排气门侧的涡团因不断地吸取能量而增强;而进气门侧的涡团由于能量耗散而衰减.调整气道倾斜角参数α、β、θ,使得高湍动能区向火花塞靠近,从而显著提高燃烧速率;调节α、β倾斜角比调节θ倾斜角对缸内滚流强度的影响更加明显.     

直喷式汽油机缸内涡量场的本征正交分解

直喷式汽油机的混合气形成质量依赖于缸内复杂湍流场.对缸内湍流场特性的全面认识和合理的控制有利于实现发动机的高效清洁燃烧.首先采用大涡模拟数值计算和粒子图像测速相结合的方式对缸内流场展开研究,获取了缸内瞬态涡量场信息,发现缸内大尺度涡团主要由进气射流和缸内原有流场的相互剪切作用产生,同时在不同周期之间,涡量场存在着明显的循环变动.然后应用本征正交分解方法对所获得的流场数据库进行深加工,更加科学和全面研究了缸内流场单一周期内的演变和多周期间的循环变动.同时还可以证明本征正交分解方法可以用来作为验证发动机缸内湍流场数值模拟结果准确性的有效工具.     

柴油机进气-压缩过程的三维瞬态数值模拟研究

应用动网格技术,对某柴油机在进气和压缩过程中气道-气门-气缸内的瞬态流场进行了数值模拟。模拟结果表明：在进气过程初期,缸内气流运动是紊乱的;随后,逐渐形成多个小涡流;到进气过程中后期,单一大尺度进气涡流形成并逐步得到发展、稳定和加强。而压缩过程初期,在进气涡流继续保持的同时,压缩涡流形成;到压缩过程后期,挤压涡流出现,气流以螺旋方式从气缸进入燃烧室,同时缸内的滚流逐渐加强。压缩过程中缸内气体的平均湍动能随曲轴转角的增大呈先减小后增大再减小的趋势。压缩上止点附近气缸边缘的湍动能很弱,而气缸中部挤流区域的湍动能则相对很强。水平方向的涡流、轴线方向的滚流以及湍动能的这种分布特性都有利于燃油的雾化以及与空气的混合。     

不同转速下汽油机缸内湍流特性仿真研究

应用计算流体动力学理论,针对一款双气门单缸四冲程汽油机,对其在3500r·min~(-1)和5500r·min~(-1)两种工况下的进气、压缩及燃烧过程进行了数值仿真研究.研究结果表明:高转速时的滚流存在曲轴角度比低转速时长,但到达压缩后期滚流都已破碎,挤流成为湍流的主要表现形式;从进气中期到压缩冲程结束,低转速工况缸内湍流平均时间尺度大于高转速工况,在进气末期至压缩初期尤为突出;压缩中期缸内平均时间尺度变化较为剧烈;压缩上止点前20℃A左右缸内平均时间尺度达到谷值;点火时刻两种工况缸内长度尺度最大值均不超过0.46mm, 小于火花塞击穿放电后瞬间的火核尺寸,且最大尺度均存在于气缸进气门侧.     

内燃机压缩过程冷态流场的大涡模拟

通过修改发动机多维CFD计算程序KIVA-3V,建立了内燃机压缩过程冷态流场的大涡模拟（LES）计算模型。利用此模型对内燃机压缩过程中缸内流场的水平速度及湍流动能进行了详细分析,并与k-ε模型进行了比较。结果表明与采用k-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LES所能捕捉到的涡团结构范围要大于k-ε模型。同时,采用LES计算时得到的湍流动能要远远低于k-ε模型。     

四气门发动机气缸内气流运动的LDA试验研究

在倒托工况下对四气门发动机气缸内流场进行了实验研究和分析。试验工作是在一台经过改造后的四气门发动机上进行的。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），分别对气缸轴线以及燃烧 内和气缸上部两条水平直线上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，由于从进气门流向排气门侧的滚动涡旋逐渐增强，而另一侧的反向涡旋逐渐减弱，形成了单一大尺度的滚动涡流；在压缩过程中后期，滚流经历了加强、衰减、变形和破碎的过程。     

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     

网格密度对内燃机冷态流场大涡模拟的影响

通过修改发动机多维CFD计算程序KIVA-3V,建立了内燃机压缩过程冷态流场的大涡模拟(LES)计算模型.利用此模型对内燃机压缩过程中缸内流场的水平速度及湍流动能进行分析,同时,分析了网格密度对内燃机缸内流场大涡模拟的影响.结果表明,当采用k-ε模型计算时,网格的精细程度对流场结构影响不大;在相同的计算网格下,与采用k-ε模型计算相比,采用LES计算显示了更为复杂的湍流结构,而且LES所能捕捉到的涡团结构范围要大于k-ε模型,计算得到的湍流动能也要低于k-ε模型;同时,网格越精细,这种效应越明显.     

气道和燃烧室形状对汽油机缸内流场影响的计算研究

为探究气道及燃烧室形状对汽油机缸内流场的影响,以某1.4L多点进气道喷射(MPI)汽油机为研究对象,利用AVL-FIRE软件对原机进气道形状进行稳态数值模拟计算,并对原汽油机在2 800r/min最低比油耗工况点进气及燃烧过程进行瞬态数值模拟计算。基于计算结果对进气道及燃烧室形状进行优化设计,提出4种计算方案,对优化前后各计算方案的缸内速度场、湍动能场、火焰前锋面密度和瞬时放热率进行对比分析。结果显示:改进气道的滚流比明显高于原机气道;结合改进气道,进气侧凸起活塞能够更好地维持滚流;在点火时刻,改进气道结合进气侧凸起活塞这一计算方案的缸内湍流分布及湍动能优于改进气道结合大曲率凹坑活塞、原机气道结合原机活塞(压缩比12)与原机计算方案,点火后火焰传播速度最大,燃烧速度最快。优化进气道及燃烧室形状能够加强缸内气流运动,提高点火时刻缸内湍流强度,加速火焰传播,改善燃烧过程。     

四气门汽油机缸内滚流运动的LDA实验研究

为了研究丰田 8A汽油机缸内气流运动状况 ,将一台Cagiva3 5 0单缸四气门汽油机重新设计改造成为与之相近的且可以进行激光诊断测试的试验样机 ,选取二氧化钛为示踪粒子 ,采用激光多普勒测速法 (LDA)研究了该样机在进气和压缩冲程缸内流场的变化情况 .研究结果发现 ,滚流在进气过程中就开始形成 ,并在实验所能实测的曲轴转角范围内一直保持 ,接近上止点时旋涡虽严重畸变 ,但仍未破碎为小尺度的湍流 .     

燃烧室形状对天然气发动机燃烧过程影响的研究

在对天然气发动机燃烧室进行优化的过程中,在一定压缩比下,开发设计了3种不同形状的燃烧室.应用CFD对不同形状燃烧室的缸内气体流动及燃烧过程进行了数值模拟,并在台架上进行了试验验证.模拟得出了缸内气体湍动能分布、温度场分布及燃烧持续期.针对不同形状燃烧室的缸内气体湍动能与温度场进行了详细分析后得出:增大挤气面积,则挤流强度增大,提高了缸内气体的流动速率,有利于提高火焰传播速度,改善天然气燃烧速度慢的特点;但挤气面积过大时,缸内燃烧速度过快,温度峰值增大,使NOx排放增加.最终将模拟结果与试验结果进行对比,综合考虑动力性经济性与排放性能,选取了最优形状燃烧室.