基于VOF界面追蹤的氣缸流場(chǎng)分析

陳晨　蘇蓉　汪帆　于鵬　尹宗軍　彭閃閃

摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的動(dòng)力來源，研究發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣混合特性對(duì)于提高汽車的使用性能具有至關(guān)重要的作用。文章通過基于VOF界面追蹤的算法，得到了進(jìn)氣過程中可燃混合氣流動(dòng)過程的流體相圖、缸內(nèi)壓力和速度云圖，幫助理解了氣缸內(nèi)流動(dòng)、渦旋、噴霧過程以及混合氣形成過程。關(guān)鍵詞：VOF;氣缸;流動(dòng);渦旋中圖分類號(hào)：U464? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）02-31-03

Abstract： As the power source of automobile， it is of importance to study the mixing characteristics of engine for improving the performance of automobile. Based on the VOF interface tracking algorithm， the fluid phase diagram， cylinder pressure and velocity nephogram of the combustible mixture in the intake process are obtained， which will help to understand the flow， vortex， spray process and mixture formation process in the cylinder.Keywords： VOF; Cylinder; Flow; VortexCLC NO.： U464? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-31-03

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程中，進(jìn)排氣過程直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)和排放性指標(biāo)，而燃燒室形狀會(huì)影響混合氣混合、燃燒和排放性能。近年來，隨著國內(nèi)外學(xué)者的研究，伴隨著計(jì)算流體力學(xué)、傳熱學(xué)等理論的不斷完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)這一方面的研究應(yīng)用也越來越廣泛。

張國慶^[1]對(duì)進(jìn)排氣過程中的氣體流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析了氣體運(yùn)動(dòng)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)等參數(shù)的變化。孫濟(jì)美^[2]等人發(fā)展了一種可用于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門處流場(chǎng)計(jì)算的紊流模型。章煒^[3]等人展示了氣缸內(nèi)溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、湍動(dòng)能分布等流場(chǎng)變化云圖。向梁山^[4]分析了柴油機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)、噴霧發(fā)展形態(tài)、噴霧液滴的空間分布及燃油濃度分布情況。舒歌群等人^[5]研究了噴霧夾角對(duì)柴油機(jī)性能的影響，對(duì)不同噴霧夾角的燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明噴霧夾角會(huì)影響到燃油的霧化與燃燒。

本文通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣過程進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬，通過ICEM建立模型并進(jìn)行非結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分，然后在通過Fluent軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的二維流場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬，在Fluent求解器中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)和邊界條件得到相應(yīng)的模擬計(jì)算結(jié)果，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來對(duì)燃燒室進(jìn)行優(yōu)化。

1 計(jì)算模型的建立與計(jì)算

本文研究的發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸二維模型相對(duì)簡(jiǎn)單，所以通過對(duì)實(shí)物圖中數(shù)據(jù)研究的一些幾何信息，直接采用ICEM CFD軟件來建立發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的流場(chǎng)物理模型。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸空間結(jié)構(gòu)的二維模型中尺寸為長262mm，寬94mm，進(jìn)氣口尺寸為31mm，與氣缸上平面成45度角，模型建立之后我們?cè)贗CEM CFD網(wǎng)格劃分模塊中用四邊形和三角形格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。然后導(dǎo)入Fluent軟件看是否可以進(jìn)行計(jì)算和分析，如果不能再對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整，直到計(jì)算的精度和效率符合要求為止。初步網(wǎng)格形成之后當(dāng)網(wǎng)格生成以后，我們需要檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，此過程關(guān)系到網(wǎng)格是否能夠在Fluent軟件中計(jì)算，一定要注意網(wǎng)格的單元的面積不能為負(fù)值。下圖1是初步形成的網(wǎng)絡(luò)圖：

為了簡(jiǎn)化模擬計(jì)算過程，將氣缸的排氣口和出口設(shè)置為固定壁面，同時(shí)氣缸的燃燒室的上壁面、活塞的上表面、氣缸的兩邊的邊界都設(shè)為固定壁面，這樣也方便導(dǎo)入Fluent中計(jì)算。并且將活塞位于下止點(diǎn)時(shí)的活塞上表面也簡(jiǎn)化為固定壁面去研究缸內(nèi)氣體的流動(dòng)情況。這樣不僅可以大大的簡(jiǎn)化計(jì)算量，也可以得出相接近的計(jì)算結(jié)果。入口邊界設(shè)為速度進(jìn)口，進(jìn)氣氣流參數(shù)為：馬赫數(shù)為2.2（即聲速的2.2倍），總壓力0.785MPa，總溫度為300K。柴油由噴油器通過進(jìn)氣口噴入氣缸，在氣缸中與空氣混合形成可燃混合氣?；旌蠚獾纳淙胨俣葹?0m/s，柴油的物理參數(shù)：密度0.83g/cm³，其粘度為40mPa^.S。

以下為設(shè)置的參數(shù)及邊界條件：檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，注意網(wǎng)格不能有負(fù)值，檢查模型的參數(shù)及單位;設(shè)置計(jì)算模式為瞬態(tài);設(shè)置多相流為VOF（流體體積）模型，歐拉相的數(shù)目設(shè)為2相;設(shè)置兩個(gè)不同的流體相，第一相為柴油與空氣的混合氣，第二相為氣缸內(nèi)的廢氣（接近真空），將柴油與空氣按理論空燃比14.3混合，計(jì)算出混合氣的密度和粘度;設(shè)置邊界條件的進(jìn)氣口為速度入口，由于進(jìn)氣過程中，排氣口是關(guān)閉的，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，將其它的邊界都設(shè)置為固定壁面，同時(shí)設(shè)置好速度入口的參數(shù)（速度和壓力），入口的速度方向設(shè)置為垂直于進(jìn)氣口，其他參數(shù)保持默認(rèn)即可;通過計(jì)算可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2000r/min時(shí)，進(jìn)氣的時(shí)間大約是0.015s。所以設(shè)置時(shí)間步長為10^-7s，設(shè)置時(shí)間步數(shù)為2*10⁶，當(dāng)計(jì)算至0.015s左右時(shí)，停止計(jì)算即可得到計(jì)算結(jié)果。確認(rèn)所有參數(shù)設(shè)置正確之后，進(jìn)行最后的模擬計(jì)算。最終在Fluent中得出計(jì)算的流體相圖、速度云圖以及壓力云圖，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入CFD-POST中進(jìn)行后處理，得出相關(guān)的圖并制作計(jì)算過程的相關(guān)動(dòng)畫。以下是在CFD-POST中進(jìn)行后處理得出的結(jié)果：

（1）圖2紅色代表混合氣的體積分?jǐn)?shù)為100%，也就是全部為混合氣，藍(lán)色則代表混合氣的體積分?jǐn)?shù)為0%，其他的顏色則代表的是混合氣的體積分?jǐn)?shù)位于0-100%之間，即為混合氣與缸內(nèi)空氣混合后的體積分?jǐn)?shù)，由計(jì)算的結(jié)果圖可以看出最后的混合氣的體積分?jǐn)?shù)較高的紅色基本位于燃燒室附近，這是一種比較理想的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸燃燒室。

（2）圖3在進(jìn)氣過程中隨著氣缸內(nèi)部平均壓強(qiáng)的不斷增大，在進(jìn)氣過程的末期缸內(nèi)大部分區(qū)域的壓力也趨于穩(wěn)定，這說明缸內(nèi)壓強(qiáng)分布均勻化，有利于混合氣的燃燒。

（3）圖4氣流在氣缸壁的作用下，在進(jìn)氣門的兩側(cè)產(chǎn)生了兩個(gè)滾流。一個(gè)是進(jìn)氣門右側(cè)的氣流在氣缸側(cè)壁的導(dǎo)向下產(chǎn)生的滾流，另一個(gè)是在排氣門左側(cè)壓強(qiáng)和氣缸頂部的測(cè)壓產(chǎn)生的滾流。隨著氣體的不斷噴入，缸內(nèi)氣壓也逐漸增大，進(jìn)氣門右側(cè)的滾流也逐漸增大，當(dāng)滾流的強(qiáng)度達(dá)到了最大值，在氣缸的下部有又形成了一個(gè)滾流，這三個(gè)滾流在氣缸內(nèi)逐漸平穩(wěn)，使得混合氣開始慢慢充斥了整個(gè)氣缸，使得氣缸內(nèi)部氣流速度的均勻化，滾流的形成有利于燃料與空氣的混合和擴(kuò)散。

（4）由圖5可以看出，在進(jìn)氣過程末期，氣體在氣缸內(nèi)部形成了三個(gè)滾流。一個(gè)是在排氣門下方形成的較小的滾流，一個(gè)是在氣缸中間位置形成的較大的滾流，還有一個(gè)是在活塞上方的最大的滾流以及其它的空間夾雜著很多的亂流，這樣的流動(dòng)方式對(duì)缸內(nèi)氣體的混合非常有利。

2 結(jié)論

通過這次模擬計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的進(jìn)氣過程，得出了進(jìn)氣

過程中可燃混合氣的流動(dòng)過程的流體相圖、缸內(nèi)壓力和速度云圖，通過這些圖的分析，我們可以清晰的理解氣缸在進(jìn)氣過程中混合氣的流動(dòng)情況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸燃燒室的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供幫助。

參考文獻(xiàn)

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