柴油机三维流体流动数值分析

论文摘要

柴油机缸内气流运动状况将影响柴油机燃烧过程并进而影响其动力性、经济性和排放性能。因此,一直以来对柴油机缸内流体流动过程的研究是柴油机工作者特别关注的课题。由于柴油机工作时内部气体流动是多维多组分的复杂瞬变过程,很难对气缸内的流体流动状况进行全面监测。随着计算机计算能力的提高和计算流体力学（CFD）的发展,各国学者都致力于用CFD的方法来研究内燃机中的流体流动和传热问题。以某缸径为280mm的机车柴油机气缸建立计算几何模型,利用数值计算方法对气缸内速度场、温度场以及压力场的分布进行了耦合计算,计算中缸内气体由连续性方程、动量方程和能量方程描述,紊流模拟采用k-ε两方程紊流模型,数值计算采用有限体积法,差分格式为迎风差分格式,速度-压力耦合计算采用SIMPLE算法。由于内燃机工作时进排气阀以及活塞都处于运动状态中,对这一部分运用了动网格守恒方程。对柴油机缸内气流在不同时刻的运动状态进行了仿真分析,并且在此基础上对不同转速、不同MPC模块、不同配气相位时气缸内部的气流运动的影响进行了分析研究。通过计算分析发现:进气过程中缸内涡流的产生是由于进气气流带动缸内空气由小涡流转变成大涡流,且大涡流是偏心的,排气涡流是由于受气门阻力产生气流回旋而生成的,最大气流速度集中在远离排气口的地方;转速对缸内流场影响较大,在高转速情况下,缸内气流的平均温度、平均压力、平均速度都要高于低转速的工况,且变化趋势也各不相同,不同的转速工况下应采取不同的配气相位,利用数值分析进行迭代可以找到该转速下的最佳配气相位;MPC结构参数中的收缩比φ和夹角θ对内燃机性能影响较大,收缩比跟动能利用率成正比;夹角θ一般取25°—45°,此时流动损失跟θ成反比。在总管上游回流和沿圆周的2次流是引起MPC能量损失的主要因素,后者的影响较大,支管进气对总管的影响一直延续到总管下游。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 柴油机工作过程模拟
• 1.4 研究方法
• 1.5 本文所做工作
• 第2章 数值计算方法
• 2.1 流体流动与传热问题的控制方程
• 2.2 湍流的数值模拟
• 2.2.1 湍流数值模拟方法
• 2.2.2 湍流模型
• 2.3 流场数值计算方法
• 2.3.1 有限体积法
• 2.3.2 差分格式
• 2.3.3 用有限体积法离散控制方程
• 2.4 代数方程组的求解
• 2.4.1 直接解法
• 2.4.2 迭代解法
• 2.4.3 压力修正和SIMPLE算法
• 2.5 动网格技术
• 第3章 柴油机缸内三维流体流动模型的建立
• 3.1 几何模型的建立
• 3.2 网格生成
• 3.2.1 基础网格划分
• 3.2.2 动网格控制
• 3.2.3 本文网格划分特点
• 3.3 初始条件
• 3.4 边界条件
• 3.4.1 压力进出口边界条件
• 3.4.2 固壁边界条件
• 第4章 柴油机缸内流场计算分析
• 4.1 三维流动特性分析
• 4.1.1 排气过程涡流形成
• 4.1.2 进气过程涡流形成
• 4.1.3 压缩过程涡流形成
• 4.2 缸内温度分析
• 4.2.1 温度变化
• 4.2.2 温度分布
• 4.3 缸内压力分析
• 4.3.1 压力变化
• 4.3.2 压力分布
• 第5章 改变参数对柴油机内流场的影响
• 5.1 不同配气相位对换气过程的影响
• 5.2 不同转速下缸内气流变换情况
• 5.2.1 不同转速下缸内平均温度的变化
• 5.2.2 不同转速下缸内平均压力变化
• 5.2.3 不同转速下缸内气流速度变化
• 5.3 不同 MPC结构参数数值计算
• 5.3.1 MPC简介
• 5.3.2 MPC主要结构参数对柴油机性能的影响
• 5.3.3 流动损失计算
• 5.3.4 MPC内流场分布
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文