CFD技术应用论文
CFD技术在内燃机中的应用
汽车学院14班鲁瑛琦44120208
摘要：进入二十一世纪以来，科学技术的高速发展让内燃机实验变得更加简便。尤其是仿真模拟软件的应用大大节省了内燃机实验的成本，提高了可操作性。其中CFD技术运用广泛,在内燃机设计中发挥的作用也越来越重要。本文简要介绍了内燃机工作过程数值模拟和内燃机CFD的发展历程,并介绍了内燃机CFD 的各个组成部分和缸内紊流流场的基本算法,最后指出了内燃机CFD的发展趋势。
1.CFD技术简介
CFD(Computational Fluid Dynamics)是基于计算机技术的一种数值计算工具,用于求解流体的流动和传热问题。由于CFD可以准确的给出流体流动的细节,因而可以从对流场的定量分析中发现产品设计中存在的问题,据此优化设计方案,达到改变传统产品设计过程的目的。本文对CFD技术在内燃机设计中的应用进行了讨论。
1.1紊流运动的CFD简介
内燃机的缸内气体流动是典型的紊流运动,对紊流运动的计算属于计算流体力学(CFD)的范畴。内燃机工作过程CFD即是在紊流流动CFD的基础上,增加了对内燃机工作过程所特有的喷雾、蒸发、混合及燃烧等子模型的建立。
紊流运动的CFD是目前CFD领域困难最多但研究最活跃的领域之一。目前关于此类的计算方法大致可分为:(1).直接数值模拟(DNS)。运用非稳态的N-S方程对紊流进行直接计算,包括大尺度涡旋和小尺度涡旋,对高度复杂的紊流运动必须采用很小的时间和空间步长。(2).大涡模拟(LES)。运用非稳态N-S方程直接模拟大尺度涡旋,小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。以上两种计算方法
都要求计算机有很高的处理速度和存储容量。(3).Reynolds时均方程法。将非稳态方程对时间作平均,在所得出的关于时均物理量非控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等物理量,于是所得出的方程个数小于未知量的个数。为使方程组封闭,就建立模型把未知的更高阶的时间平均值表示成较低阶的在计算中可以确定的量的函数。这种方法是目前工程紊流计算中广泛采用的方法。巨型机的发展促进了并行算法的发展,并使紊流DNS及LES在一定程度上成为可能。近10年来,个人计算机获得迅速发展,其执行速度已远远超过昔日的小型机甚至中型机,同时图形功能也大大增强,而且价格低廉。这些都为CFD在个人计算机上的应用创造了条件。许多著名的CFD软件逐渐都有了个人计算机版本,并且也有专门针对个人计算机编写的CFD软件。
1.2 内燃机CFD的发展简介
对内燃机多维模型而言,自变量是空间的三维坐标x，y，z，有时可简化成二维坐标r和z,再加上时间坐标τ,因此控制方程是偏微分方程。从70年代开始,Gosman等人致力于求解Navier-Stokes方程,80年代初已取得三维模型的初步研究结果。湍流模型的完善、数学方法的发展、高速大容量计算机的引进等为CFD辅助发动机的研究提供了较好的条件。由于三维模拟对物理过程的描述及边界条件的确定更接近实际，因而有更大的发展潜力。
1975年美国Los Alamos国家实验室首先推出了二维RICE程序用于计算汽油机预混合燃烧。1979年推出RICE程序的新版本—CONCHAS程序,1982年发展成当时具有代表性多维模型的CONCHAS-SPRAY三维模型计算程序。1985年Los Alamos实验室的Amsden等人正式公布了KIVA程序。1987年，Gosman和Ahmed对轴对称进气道气门缸内稳态流动进行了实验和计算研究。
他们采用热线风俗以测量了不同气门升程时的流量系数、平均速度和湍流雷诺应力场，并用流动可视化研究做了补充。1988年又推出KIVAⅡ程序。KIVAⅡ程序是一个功能比较齐全的内燃机缸内过程数值计算的大型程序,代表了目前多维模型的最新进展。此外由Ricardo公司推出的VERTIS和STAR-CD公司推出的STAR-CD也是目前内燃机CDF领域内突出的实例。1994年，J. C. Dent和A. Chen进行了弯曲进气道内稳态流动的实验和计算研究，采用Star-CD程序预测了受可变气门升程和气道形状影响的流场结构，并验证了模拟结果的可行性；2001年，Augusto C. M.Moraes，Jeffrey C. Buell等人提出了基于有限元法解决缸内非稳定流的新的数值模拟策略；2002年，I.Yavuz和I.Celik用多区燃烧模型进行了敲缸预测，对发动机的爆震问题作出了贡献；2004年，Ugur Kesgin应用AVL的Boost和Fire软件对发动机进排气系统进行模拟研究，并对其进行优化设计。近年来，这些软件都得到了迅速发展，并已在世界各地得到了广泛应用，取得了与实验结果较吻合的计算结果，显示了较强的预报能力，对内燃机的研制、开发、设计及实验研究有很大的启示作用和参考价值。各国科学工作者或是利用现有的CFD软件或是自行开发程序对发动机的工作过程进行了大量的研究。
我国科学工作者应用CFD技术在发动机数值模拟方面也进行了大量的研究，如李隆键等人应用CFD对具有两个进气道的JL475发动机气道内三维可压缩湍流流动进行了数值模拟，得出了气阀在不同升程下的进气流量系数，并将计算结果与试验结果进行了比较分析，得到了很好的一致性；韩义勇等人用CFD软件对直喷柴油机螺旋进气道进行了三维数值模拟，通过气道稳流试验对模拟计算得到的两项评价参数进行验证，得出两者发展趋势吻合良好的结论；项里程等人应
用Boost软件建立电喷发动机加速工况的完整模型对发动机加速工况进行模拟，并对模拟结果进行了试验验证，模拟结果具有较高的精度；此外，我国科学工作者对发动机内部工质流动特性、发动机的燃烧产物、着火稳定性等方面也进行了研究，并根据模拟结果进行优化设计。
2.缸内紊流运动的基本算法
虽然目前有多种多样的内燃机CFD软件,但其基本算法都大同小异。下面就以KIVA为例简要介绍其算法。KIVA程序考虑了缸内过程包括喷油过程和燃烧过程。由于在喷油过程中有燃油进人缸内,燃烧过程中因燃烧而造成各成分质量的变化,因而与普通的控制方程相比,还需要考虑到喷油和化学反应的各个源项。所以各控制方程演化为如下形式:
公式中带上标s的表示喷雾源项,带上标c的为化学反应源项,带下标m为组分,并且下述公式中标注与此相同。
和
以上各式中,(1)~(3)为紊流平均运动方程组,(5)中的两个方程分别为紊动能k和紊流的能量耗散率ε的方程。
在KIVA程序中,对缸内过程的计算是以时间(曲轴转角)为计算步长,用三维有限差分网格划分燃烧室及气缸空间,以时间的推进求解有限差分方程来逼近偏微分方程。在求解过程中,以上各方程之间是相互作用的,即相互耦合。同时为了方程求解的稳定性,方程中时间差分大多采用隐式格式。KIVA中采用SIMPLE算法对耦合隐式方程组进行求解。
为了模拟缸内过程,KIVA中包含了缸内的气体流动、喷油、蒸发、碰撞、混合、燃烧、化学反应等子模型,用这些子模型描述缸内每个瞬时空间上的状况。
利用KIVA程序,可以计算出缸内的压力场、温度场、密度分布以及紊流特征参数、喷油过程中的浓度分布、燃烧过程的反应速率、以及压力示功图、放热规律等。此外用户还可以根据需要添加新功能。
3.网格划分及计算结果的后处理
由于内燃机CFD的计算对象是二维甚至三维的复杂几何形状,在内燃机的运转过程中需要对网格同时作出调整,完全靠手工划分工作量很大。同时计算得出的也是二维乃至三维的数据结果,如果没有实现可视化,对这些数量庞大的数据进行分析简直是不可能的。因而对内燃机CFD而言,网格自动划分及计算结果的可视化后处理也是必不可少的组成部分。内燃机CFD可视化后处理包括图形(二维图形及三维图形)和动画。KIVA程序包含有前处理和后处理程序,前处理是根据内燃机的各几何参数划分网格,后处理对计算结果进行可视化处理,对压力、温度、浓度及各种流场参数绘制图形,以便分析。图1和图2分别为某一计算实例的网格划分及计算结果。
4.内燃机CFD的发展趋势
经过数10年的发展,内燃机CFD已初步成形。但内燃机CFD中包含众多的子模型,尤其是有关内燃机工作过程的,如喷雾、混合、燃烧等子模型,仍很不成熟。自从KIVA程序公布以后,世界各国包括美国、日本、德国、瑞士等国在此基础上不断地进行研究,并根据最新的研究成果丰富和完善KIVA程序,通过KIVA程序的应用,对内燃机缸内过程的认识和研究也在逐步的深人。另一方面,在紊流流场的数值模拟方面,随着计算机计算能力的提高,美法等国开始采用大涡模拟(LES)及直接数值模拟(DNS)以取代传统的对缸内过程的局部进行紊流流场模拟,并取得了较好的效果。因而,各工作过程子模型的完善及逐渐采用LES甚至DNS模拟将是内燃机CFD今后的发展方向。
参考文献
1 朱访君, 吴坚编著. 内燃机工作过程数值计算及其优化. 北京: 国防工业出版社, 1997.
2 蒋德明. 内燃机燃烧与排放学. 西安: 西安交通大学出版社, 2001.
3 陶文锉. 计算传热学的近代进展. 北京: 科学出版社, 2000.
4 Amsden, et al. KIVAⅡComputer Program for Chemically Reactive Flows with Sprays. LA-11560-MS, 1989.
5 Amsden, et al. KIVA3: A KIVA Program with Block-Structured Mesh for Complex Geometries. LA-11560-MSI, 1993.-
6 S.V. Patankar. Nuemrical Heat Transfer and Fluid Flow. Hemisphere Publishing Corporation, Washington D. C. , 1980.
7 Magnussen, B. F. , Hjertager, B. H. On Mathematical Modeling with Special Emphasis on Soot Formation and Combustion 16th Symposium (International ) on Combustion. The Combustion Institute, Pittsburgh, 1976, 719 ~ 729.