柴油机缸内瞬态流场数值模拟

牛彩伟，朱翰怡，高沙沙（.中北大学机械与动力工程学院，太原03005；.长城汽车股份有限公司，保定07000）

柴油机缸内瞬态流场数值模拟

牛彩伟1，朱翰怡1，高沙沙2
（1.中北大学机械与动力工程学院，太原030051；2.长城汽车股份有限公司，保定071000）

针对柴油机缸内气体流动的问题，在不影响仿真结果的情况下，简化气缸模型，并且进行网格划分，然后把划分好的网格模型导入到FLUENT中，通过FLUENT软件对缸内瞬态流场进行了模拟与仿真。采用软件的处理功能以及对动网格技术的应用，对发动机缸内流场进行瞬态模拟，得到了随着活塞的上下往复运动，缸内速度分布受燃烧室形状影响较大，以及缸内压力呈现周期性变动，且上止点最大、下止点最小。

缸内流动FLUENT软件速度分布压力流场

1　　前言

随着排放法规的日趋严格和能源的日益紧张，对内燃机燃烧过程的合理组织也显得尤为重要［1］。燃烧系统内气体的流动参数对燃烧品质有重要的影响，缸内气流运动直接影响到内燃机的燃烧效率与排放指标，合理组织进气、压缩和燃烧阶段的气流运动是改善燃烧过程、提高热效率和降低排放的有效途径。发动机的工作过程是多维多相的复杂瞬变过程，因此很难对气缸内的流动情况进行全面测量［2］。

本文采用CFD数值模拟技术对内燃机缸内流动过程进行仿真计算和分析。CFD技术与传统的实验方法相比在具体操作中更加方便、快捷，同时也可以得到大量的流场内部信息。自从数值模拟技术出现以来，从事相关研究的机构就开始将数值模拟技术和缸内可视化技术作为发动机研究的主要技术，并取得了非常好的效果。随着计算机的发展越来越成熟，缸内流场的数值模拟技术已成为研究发动机性能的重要手段，也是发动机领域最流行的研究方法之一［3-6］。因此，气缸内瞬态流场的分析对于提高发动机的性能具有重要意义［7］。

从20世纪70年代起，大量对内燃机缸内气体流动的数值模拟的研究工作开始在国外开展，取得了不小的进步，多维数值模拟的研究经过了多年的努力已经从以前单纯的缸内流动模型发展到气道-气门-气缸系统流动模拟，由简单的几何模型发展到实际的复杂模型。流动分析计算精度逐步提高，更加符合实际效果［8］。

2　　柴油机缸内流场的计算方法

Hirt等提出的ALE法是一种求解控制流体运动N-S方程的通用算法，这种网格可按规定速度任意运动，而且所采用的网格单元可以是任意四边形。以上这两个特点特别适用于求解内燃机气缸这类几何形状不规则、而容积又不断变化的流动问题［3］。

在对气缸工作过程进行数值模拟之前，必须要对该内燃机的气缸建立模型。在建模过程中，模型中包含有气缸和燃烧室两部分。因此，在建模之前需要对实体的模型进行分析后加以简化，这样做不仅节约时间，而且还方便后面的分析工作。对模型网格进行划分是进行模拟计算的关键步骤，网格质量的好坏直接影响到计算结果。通过数值计算中的各种离散方法，把描述连续流体运动的控制偏微分方程离散成代数方程组，利用线性代数的方法对该代数方程组进行迭代求解。

3　　气缸模型的建立和网格的生成

3.1几何模型的建立

本文利用Gambit软件简化模型并进行网格划分的操作。在建模过程中，模型中包含有气缸和燃烧室两部分。在建模过程中是越接近实际模型模拟结果越准确，但如果完全按照实际模型进行建模是比较困难的。因此，在建模之前需要对实体的模型进行分析后加以简化，这样做不仅节约时间，而且还方便后面的分析工作。

本文所模拟的发动机为G4135型柴油机，其主要性能参数参照文献［9］，见表1，燃烧室结构图参照文献［10］。利用软件建立气缸及燃烧室的集合体，建立的燃烧室模型如图1所示。

3.2动网格的划分

本文所要模拟的是活塞从上止点运动到下止点再运动回上止点的过程，由于发动机在这一过程中是一个瞬态过程，所以要应用动网格模型。边界的运动形式可以是预先定义的运动，也可以是预先未作定义的运动。

网格的更新过程由FLUENT根据每个迭代步中边界的变化情况自动完成。在使用移动网格模型时，必须首先定义初始网格、边界运动的方式，并指定参与运动的区域。可以用边界型函数或者UDF定义边界的运动方式。FLUENT要求将运动的描述定义在网格面或网格区域上。如果流场中包含运动与不运动两种区域，则需要将它们组合在初始网格中以对它们进行识别。那些由于周围区域运动而发生变形的区域必须被组合到各自的初始网格区域中。不同区域之间的网格不必是正则的，可以在模型设置中用FLUENT软件提供的非正则或者滑动界面功能将各区域连接起来。动网格的计算方法有三种，即弹簧光滑法（Spring-base Smoothing）、动态层技术（Dynamic layering）和局部网格重划法（Local remeshing）。

表1　G4135型柴油机主要性能参数

图1　G4135柴油机气缸及燃烧室的集合体

在不影响仿真结果的前提下进行了简化模型的操作，同时利用了FLUENT中自带的前处理网格软件Gambit对画出的模型进行了网格划分，是四面体网格，划分好的网格模型如图2所示。

图2　　网格模型图

本文采用了一个经过简化的三维缸内几何机构，由一个圆柱代表缸壁，ω形的运动壁面代表活塞组成。活塞从上止点（初始曲轴转角为0℃A）不断向下运动，开始慢慢进气。当抵达下止点时（相应的曲轴转角为180℃A），活塞往回运动到起始位置，在曲柄角度为720℃A时完成一个做功冲程。下面重点分析进气和压缩过程，曲柄角范围为0℃A到360℃A。将得到的模型网格导入到FLUENT中进行动网格划分，这时先要对网格的Models进行非定常的设置，确定能量选项，设定k-ε的湍流模式，湍流设置为理想气体。在Dynamic Mesh中的Zones中进行动网格设置。

在对模型的网格进行划分时需对网格的大小进行设置。网格的尺寸越小，划分的网格质量就越高，但过小的网格尺寸对计算机的软硬件要求较高。所以，在具体划分网格时，要根据网格质量、自己所用的计算机的软硬件能力来决定网格尺寸的大小。划分网格后，需要对缸体的边界进行划分。

3.3边界条件

边界条件的部分参数设定按表1所示。在本模型中不是严格绝热，由于柴油机的四个冲程过程非常快，时间非常短，故对所有的壁面采用默认的绝热边界条件。这简化了模型，忽略了柴油机实际工作中排气门以及活塞表面的温度比进气温度高的这种实际情况。

4　　缸内瞬态流场的分析

本文通过研究内燃机缸内流体的速度流场、压力流场，来对气缸及燃烧室优化改进和发动机结构的优化进行分析，并对其今后的研究和发展提供了一定的理论依据。

4.1不同曲轴转角速度图

（1）不同曲轴转角速度流线图如图3所示。由图中可知，在曲轴转角为180℃A时，缸内涡流和湍流分布基本均匀，涡流进一步发展，但变化缓慢。当活塞向上止点运动时，燃烧室形状开始对流场发生影响，流场的均匀性遭到破坏，涡流开始加剧，形成大的旋流。从图中可以明显看出，由于旋流产生的离心力的作用、活塞运动引起压缩及活塞顶与缸头之间产生的挤流的相互作用而在燃烧室中形成的几个漩涡，较好地表现出挤流和旋流在燃烧室内形成的涡流。最后当活塞运动到下止点时，如图所示，以气缸轴线为对称线，其两侧形成了两个较为明显的滚流。

图3　　不同曲轴转角速度流线

（2）不同曲轴转角速度矢量图，如图4所示。从270℃A图可知，缸内气流运动紊乱，主涡流不存在，而是由大量随机、旋转方向各不相同的小涡流组合而成，这进一步显示了缸内湍流的瞬变性和随机性。

图4　不同曲轴转角速度矢量图

（3）360℃A时的速度矢量图和云图如图5所示。从图中可知，随着曲轴转角增大，逐渐靠近壁面，待与壁面发生撞击后，其流动方向发生改变，

图5　360℃A时的速度矢量图和云图

产生较强的剪切气流，所以壁面附近的速度要高于气缸中心区气流速度。靠近活塞区域，气流受到扰动的程度要小些，速度值相对较低。

5　　结论

在发动机研究的早期，人们对于发动机气缸内气体的流动认识比较少，也不怎么重视，但是随着各种实验测试的进步，实验人员发现良好的缸内气体流动能够改进内燃机的各种性能，直接影响着发动机的动力性能、经济性能及排放性能，所以对内燃机缸内气体流动的研究是非常有必要的。通过研究内燃机缸内流体的速度流场、压力流场、温度流场，来对气缸及燃烧室优化改进和发动机结构的优化提供一定的理论依据。本文主要是运用了FLUENT软件模拟仿真方法对发动机的缸内瞬态流场进行了模拟仿真，得到了如下结论：

（1）在压缩冲程初期，缸内涡流和湍流分布基本均匀，涡流进一步发展，但变化缓慢。当活塞向上止点运动时，燃烧室形状开始对流场发生影响，流场的均匀性遭到破坏，涡流开始加剧，形成大的旋流。

（2）壁面附近的速度要高于气缸中心区气流的速度。靠近活塞的区域，气流受到扰动的程度要小些，速度值相对较低。

［1］蒋德明.内燃机燃烧与排放学［M］.西安：西安交通大学出版社，2001：100.

［2］张强，王志明.四气门天然气发动机缸内瞬态流场数值模拟［J］.内燃机工程，2006，27（1）：29-33.

［3］胡云萍.内燃机机内气体流动数值模拟研究现状［J］.内燃机与动力装置，2009（6）：5-8.

［4］马钢.CFD在内燃机中的应用［J］.太原科技，2008 （11）：81-85.

［5］李绍安，苏万华.内燃机燃烧模型的研究现状与展望［J］.车用发动机，1998（2）：1-6.

［6］王宇琳.柴油机缸内气流运动数值模拟［D］.云南：昆明理工大学，2002：44-50.

［7］王天友，刘大明，沈捷等.内燃机气道及缸内气体流动特性研究［J］.工程热物理学报，2008，29（4）：693-697.

［8］Hirt C W，Amsden A A，Cook J L.An arbitrary Lagrangian Eulerian Computing Method for All Flow Speeds［J］.Journal of Computational Physics，1974，14（3）：227-253.

［9］吴小春.Urea-SCR系统降低NOx的实验研究.船海工程，2004，（6）：29

［10］朱丽丹，聂宏宇.G4135柴油机燃烧过程数值模拟的研究［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），2007，21（1）：72.

The Transient Flow Field Simulation in the Diesel Engine Cylinder

Niu Caiwei1，Zhu Hanyi1，Gao Shasha2
（1.School of Machinery and Power Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Great Wall Motor Co.，Ltd.，Baoding 071000，China）

This paper aiming at the problem of gas in cylinder of diesel engine，simplifies cylinder model based on without affecting the simulation results.At the same time，the good grid model is imported into the FLUENT software by which simulates the transient flow field in cylinder.Using the software processing functions and the application of dynamic grid technique，it simulates the flow field inside the engine cylinder transient.At last，as the piston reciprocating motion up and down，Cylinder velocity distribution is influenced by the shape of the combustion chamber and the pressure flow changes cyclically，with the maximal TDC as well as minimal BDC.

flow in cylinder，FLUENT software，velocity distribution，pressure flow

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.007

来稿日期：2015-07-31

牛彩伟（1990-），女，硕士研究生，主要研究方向为发动机缸内燃烧。