轿车发动机缸内流动的三维瞬态数值研究

论文题目: 轿车发动机缸内流动的三维瞬态数值研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 热能工程

作者: 张志荣

导师: 冉景煜

关键词: 发动机,进气过程,瞬态,数值计算

文献来源: 重庆大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着能源危机和环境问题的日益严重，各国相继把开发高效低污染运行的汽车发动机作为重点发展的项目之一。发动机的进气过程是发动机工作循环的关键所在。进气冲程缸内形成的流场状态直接影响发动机燃烧过程中火焰的传播速度、燃烧的稳定性以及燃烧是否彻底，进而也影响着发动机的功率。近年来国内外对此课题正在进行深入研究，特别是对如何实现发动机缸内流动的瞬态数值研究一直是各国研究者研究的热点。瞬态数值计算与发动机的实际工作过程相一致，可以更加直观地了解发动机进气过程中缸内形成的流场状态，能够检验发动机进气系统设计是否合理，也可以根据发动机性能的需要通过改变进气系统的结构合理的设计和组织气流。 文中首先在研究实现发动机进气过程瞬态数值计算的动态网格划分技术基础上，提出了基于控制容积法的组合式动态网格划分技术，并在此基础上解决了模拟对象中多个移动边界的问题。并针对大众宝来1.9TDI类型的发动机进气过程进行了三维瞬态数值研究。对具有不同进气道形状、不同位置、不同转速以及不同压缩比的单进气道发动机和双进气道发动机的进气过程做了瞬态数值研究，分析了进气过程中速度场、压力场、湍流强度等的变化特性，研究分析了流量系数和充气效率等表征进气系统特性的参数。 研究结果表明在进气的初期，进气道形状和位置分布对缸内流体的速度场分布、压力、湍流强度等影响不大；进气过程中后期，缸内流场的状态随活塞的下移，流动不再是单纯意义上的涡流和滚流，而是这两种流动的结合。并且，其进气系统的充气效率与湍流强度相互制约，发动机的转速与湍流强度、进气速度等成正比关系。较高转速运动时发动机气缸内产生涡流较强，同时也形成了一定的压力损失，低转速运转时容易造成气缸进气量不足，动力性减弱；切向进气道发动机缸内形成涡流和滚流的能力较强，有利于燃烧过程中火焰的传播和稳定燃烧；提高压缩比和采用双气道进气都有利于提高发动机的充气效率，增加动力性。 同时，研究结果还表明在设计进气系统时要缩小气门杆后部的气流停滞区，这样能减少流体流动过程的损失，有利于进气；对于双进气道发动机，必须考虑两个进气道的相互位置，使进气气流更好的耦合；设计中可根据发动机性能的要求，使充气效率与湍流强度达到最佳组合。 本文研究方法对进一步深入进行发动机缸内流动瞬态数值研究有重要参考价值，研究结果可为进一步进行发动机的优化设计提供参考。

论文目录:

中文摘要

英文摘要

主要符号表

1 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 课题的由来

1.3 发动机进气过程研究的国内外现状

1.3.1 国外研究的现状

1.3.2 国内研究的现状

1.4 基本的研究方法

1.4.1 实验法

1.4.2 模拟法

1.5 课题研究的内容

2 发动机瞬态数值计算中动态网格划分技术

2.1 实现动态网格的方法

2.1.1 弹性平滑方法

2.1.2 动态层方法

2.1.3 局部重划方法

2.1.4 ALE方法

2.2 基于控制容积法的组合式发动机动态网格划分技术的提出

2.3 基于控制容积法的组合式发动机动态网格划分技术实例

2.3.1 二维结构算例

2.3.2 三维结构算例

2.4 小结

3 发动机进气过程瞬态数值计算模型及计算方法

3.1 数值计算物理模型

3.2 模型的动态网格划分

3.3 数学模型

3.4 计算方法

3.4.1 控制方程的离散格式

3.4.2 时间项积分方案

3.4.3 动量方程中非线性项的处理

3.5 初始条件和边界条件的确定

4 瞬态数值计算结果及分析

4.1 缸内流体的速度矢量场分析

4.1.1 定向进气道(1)发动机缸内流体的速度场分析

4.1.2 定向进气道(2)发动机缸内流体的速度场分析

4.1.3 转速为2000rpm的切向进气道发动机缸内流体的速度场分析

4.1.4 转速为1000rpm的切向进气道发动机缸内流体的速度场分析

4.1.5 压缩比为12.8的切向进气道发动机缸内流体的速度场分析

4.1.6 双进气道发动机缸内流体的速度场分析

4.2 缸内流体的平均湍流强度、平均速度和压力的分析

4.2.1 压缩比为5的定向进气道与切向进气道发动机特性比较

4.2.2 不同转速的切向进气道发动机特性比较

4.2.3 不同压缩比的发动机特性比较

4.3 流量系数计算及分析

4.4 充量系数计算及分析

4.5 压力损失分析

4.6 计算结果可靠性验证

5 结论

致谢

参考文献

附录

独创性声明

学位论文版权使用授权书

发布时间: 2006-12-06

参考文献

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