【正文】 10。同時 網(wǎng)格 數(shù)量較少在運算過程中可以有效節(jié)約電腦資源 ， 幫助加快運算速度并提高運算結(jié)果的精度。 為了 簡化運算模型，本文中的仿真忽略進氣沖程和排氣沖程，取消了氣門等結(jié)構(gòu)， 避免了 在動網(wǎng)格設(shè)置時在氣門處出現(xiàn) 負(fù)體積。 CA， 在 設(shè)置邊界條件和運算初始化時可以設(shè)置成進氣完成時發(fā)動機 燃燒室 環(huán)境 。它具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法和強大的前后處理功能 ， 在航空航天、汽車設(shè)計、石油天然氣和渦輪機設(shè)計等方面都有著廣泛的應(yīng)用。 高效 省時。其中 NOX 模型能夠模擬熱力型、快速型、燃料型及由于燃燒系統(tǒng)里回燃導(dǎo)致的 NOX 的消耗。 同時 Fluent是 ANSYS旗下軟件 ， 在進行數(shù)據(jù)后處理是可以運用同 是 ANSYS組件的 Workbench 和 CFX。當(dāng) 一個 網(wǎng)格邊界節(jié)點發(fā)生變化或者發(fā)生位移是，與它連接的節(jié)點就會 受到 這個變化節(jié)點作用產(chǎn)生的 力 ，這個力類似于彈簧產(chǎn)生的力 ， 它與位移的距離成正比。動態(tài)鋪層 模型 常用語含有楔形或者六面體網(wǎng)格的流域中。 活塞頂 部分 網(wǎng)格設(shè)置為 非結(jié)構(gòu) 網(wǎng)格，氣缸部分設(shè)置成 結(jié)構(gòu) 網(wǎng)格。 本章以1012r/min， 10%負(fù)荷 的工況 作為 例子 ， 詳細(xì)參數(shù)設(shè)置如圖 12所示 。 可以 觀察到燃燒室動網(wǎng)格的運動過程 符合 發(fā)動機 運動規(guī)律 ，并且沒有出現(xiàn)負(fù)體積等錯誤，可以進行下一步的參數(shù)設(shè)定。 能量守恒 模型 在 仿真過程中，燃燒室內(nèi)的流體 必須 最基本的三個物理學(xué)定律： 能量 守恒定律、動量守恒定律 以及質(zhì)量 守恒定律 。 圖 14 能量 守恒模型 吉林 大學(xué)本科畢業(yè)論文 24 湍流 模型 根據(jù) 雷諾數(shù)計算方程 可以 簡單得到在發(fā)動機燃燒室內(nèi)的流動是湍流流動而非層流。模型 設(shè)置 如圖 15 所示 。 盡管 非預(yù)混合燃燒模型是 針對柴油和甲烷等氣體的燃燒設(shè)計的模型，但其仿真較為粗糙 ， 忽略湍流對燃燒產(chǎn)生的影響，無法 精確 計算燃燒過程中燃燒室內(nèi)物理性質(zhì)發(fā)生的變化，所以本文中的仿真采用更為精確的組分運輸模型（ Species Transport） 。 圖 16 燃燒 模型設(shè)置 吉林 大學(xué)本科畢業(yè)論文 26 在 完成燃燒模型建 立 后 ，在模型菜單中出現(xiàn)了一些具體 的 燃燒及污染物模型 。 同時 油滴破碎模型采用 wave 模型 。時開始運算，所以仿真邊界條件設(shè)定為進氣完成時的燃燒室條件。 較為 復(fù)雜的是 噴油器 的邊界條件。CA），繼續(xù)進行運算， 并在 噴油結(jié)束時刻再次暫停運算，將噴油器設(shè)定為 wall（在 該工況下為 176。在 這個 過 程中需要 對氣缸中的氣體進行參數(shù)設(shè)定。運算 初始化 設(shè)定如圖 18 所示 。 設(shè)置 的方法是 在 Monitor第三章燃燒 過程 的 Fluent 仿真 29 中 對 Volume Monitors 進行設(shè)置， 在 Report Part 中選擇 Volume Average 即網(wǎng)格平均值， Cell Zones 選擇 Body， 將 監(jiān)視器 數(shù)值選定為隨 時間進行變化 （圖 19） 。 設(shè)置 方法是 在 Calculate Activities 中創(chuàng)建 Solution Animations（圖 20） 。 CA 時 結(jié)束運算，即運算 持續(xù)時間 為 180176。在運算過程中，軟吉林 大學(xué)本科畢業(yè)論文 30 件會自動記錄各項主要參數(shù) （ 如 k 值 、ε 值 、氧氣 濃度、 NOx 濃度和持續(xù)性 等 ）的收斂殘差（ 圖 21） 。 試 驗設(shè)備 臺架 試驗使用的樣機是某型號國產(chǎn) 直列 四缸柴油機 ， 發(fā)動機采用高壓共軌 增壓技術(shù) ，并配有 EGR 中冷系統(tǒng)， EGR 形式采用 外部 EGR 高壓回路方式。為了 簡化試驗和仿真難度，在 試驗 和仿真過程中只選取 3 個 具有代表性的轉(zhuǎn)速， 每個 轉(zhuǎn)速下選取 23個負(fù)荷 ，每種工況選取 23 種 EGR 率進行試驗和仿真。 首先 在確定不同工況下 EGR 率之前，需要對仿真數(shù)據(jù)進行驗證。 CA。 這 說明 在上文中提及的仿真 物理 模型選擇 正確 ， 邊界 條件設(shè)定 準(zhǔn)確 ，仿真結(jié)果 精確 度較高 ，可以 認(rèn)為 Fluent 燃燒室燃燒過程仿真 是 準(zhǔn)確的。 以 1012r/min， 10%負(fù)荷的工況為例， 從 仿真結(jié)果可以看出，在噴油結(jié)束時 ， 發(fā)動機氣缸內(nèi)燃油分布如 圖 24 所示 。CA 時 ， 溫度 分布云圖 圖 24 1012r/min， 10%負(fù)荷， 0%EGR 率 ， 10176。 所以 在燃燒過程中， NOx 大量集中于高溫區(qū)，此區(qū)域也是燃油集中分布的區(qū)域 對 NOx 生成產(chǎn)生重大影響的另一個 決定性 因素就是氧氣濃度分布。從 臺架 試驗數(shù)據(jù)可以得知在 1012r/min， 10%負(fù)荷工況下， 0%EGR 率生成的 NOx 的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 ，而在 30%EGR 率時，該數(shù)據(jù)為 ， NOx 排放下降 80%。 在 不圖 301012r/min， 10%負(fù)荷， 30%EGR 率 ， 10176。 在 這個工況下，發(fā)動機 不需要 對汽車輸出動力，只需要 發(fā)動機 維持 汽車 必要的部件 （如發(fā)電機、空調(diào)等）工作 即可 。 根據(jù) 以上數(shù)據(jù)可知， 在 怠速工況下， 隨著 EGR 率的上升， NOx 排放 水平顯著下降，但是動力損失過大，無法維持 汽車各 部件的正常運轉(zhuǎn) 。在圖 32 中 標(biāo)記處發(fā)動機在該工況下，主要污染物 NOx 和 HC 隨 EGR 率 變化 而發(fā)生變化的規(guī)律，圖 33 標(biāo)記出 發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力隨 EGR 率變化的過程。在圖 34 中 標(biāo)記處發(fā)動機在該工況下，主要污染物 NOx 和 HC 隨 EGR 率 變化 而發(fā)生變化的規(guī)律，圖 35標(biāo)記出 發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力隨 EGR 率變化的過程。 1597r/min， 45%負(fù)荷 1597r/min， 45%負(fù)荷是一個中速 中高負(fù)荷 工況 。所以 在此 工況下， EGR率選定為 5%，對應(yīng) EGR開度 為 100%。所以在此 工況下， EGR 率選定為 35%，對應(yīng) EGR 開度 為 30%。所以 在此 工況下， EGR 率選定為 20%，對 應(yīng) EGR 開度 為 20%。所以 在此 工況下， EGR 率選定為 15%，對應(yīng) EGR 開度 為 20%。在圖 42 中 標(biāo)記處發(fā)動機在該工況下，主要污染物 NOx 和 HC 隨 EGR 率 變化 而發(fā)生變化的規(guī)律，圖 43 標(biāo)記出 發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力隨 EGR 率變化的過程。在圖 40 中 標(biāo)記處發(fā)動機在該工況下，主要污染物 NOx 和 HC 隨 EGR 率 變化 而發(fā)生變化的規(guī)律，圖 41標(biāo)記出 發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力隨 EGR 率變化的過程。在圖 38 中 標(biāo)記處發(fā)動機在該工況下，主要污染物 NOx 和 HC 隨 EGR 率 變化 而發(fā)生變化的規(guī)律，圖 39 標(biāo)記出 發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力隨 EGR 率變化的過程。 在圖 36 中 標(biāo)記處發(fā)動機在該工況下，主要污染物 NOx 和 HC 隨 EGR 率 變化 而發(fā)生變化的規(guī)律，圖37 標(biāo)記出 發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力隨 EGR 率變化的過程。由此可知 ，在一定的 EGR 范圍內(nèi)， 隨著 EGR 率上升所產(chǎn)生的動力損失并不明顯。所以 在此 工況下， EGR 率選定為 20%，對應(yīng) EGR 開度 為 30%。CA 時 ， 溫度 分布云圖 吉林 大學(xué)本科畢業(yè)論文 40 況下不能開啟 EGR，即 EGR 率應(yīng)為 0%。 但是 與此同時，隨著 EGR 率的提升，發(fā)動機缸內(nèi)最高壓力從 下降到 不足 ， 動力損失超過 20%。CA 時 ， 燃油 分布云圖 第五章仿真 及試驗數(shù)據(jù)分析 39 影響 發(fā)動機動力性和 HC 排放 前提下 ， EGR 系統(tǒng)是 降低 NOx 排放的重要手段。CA 時 ， 氧氣 分布云圖 吉林 大學(xué)本科畢業(yè)論文 38 所以， 在同一工況下，氧氣濃度是影響 NOx 生成量的 決定性因素。在 30%EGR 率的情況下， 在 氧氣濃度僅僅下降了 3%（ 圖 28） ， 而燃油濃度 （圖 29） 未 顯著下降的情況下， 由于 氧氣濃度降低，燃燒減緩，溫度與 0%EGR率 相比略有下降 ， 但下降幅度很小 （圖 30） 。CA 時 ， 氧氣 分 布云圖 圖 261012r/min， 10%負(fù)荷， 0%EGR 率 ， 10176。 而 此時，在這個區(qū)域 NOx 濃度極高 （圖 26） 。誤差 發(fā)生 的原因主要有如下幾條： 在 仿真過程中，由于理想化邊界條件，沒有考慮發(fā) 動機冷卻條件，所以仿真 過程 是絕熱的，這與 實際 條件并不相符 ； 由于 仿真是從進氣下止點開始進行，理想化 地 認(rèn)為 此時 進氣已經(jīng)完成 ，實際情況是，在進氣下止點之后進氣門并未關(guān)閉，發(fā)動機繼續(xù)完成進氣，這兩者之間存在著一定程度的誤差 ， 結(jié)果導(dǎo)致仿真 中 壓縮終了時溫度 和 壓力高于 缸內(nèi) 實際情況 ，但此誤差依然保持在 10%以內(nèi)。 CA） 吉林 大學(xué)本科畢業(yè)論文 34 線 和臺架試驗缸內(nèi)壓力變化曲線 的 對比也能觀察到相似的情況 ， 由于篇幅原因，就不在 文中 一一列舉。本文 選用這兩組數(shù)據(jù)作為 分析 仿真準(zhǔn)確性的 依據(jù) 。 具體 試驗 分組情況見表 6。 發(fā)動機 主要技術(shù)參數(shù)如表 4 所示 ，試驗中所用的 測試 設(shè)備如表 5 所示 。 圖 21 154176。 CA。 圖 20 云圖 監(jiān)控設(shè)置 仿真 運算過程 上述 設(shè)定全部完成之后， 就 可以開始進行運算 。 其次 需要對缸內(nèi)的云圖進行監(jiān)控。 首先 最重要 的是 對 燃燒室內(nèi) 單元格 平均壓力和平均 溫度變化 過程的進行監(jiān)控。 另外 EGR 率也在此時進行設(shè)定 。 本文 的仿真方法采用 第二種 方法，避免了編寫 UDF 的難度，但會使運算效率有一定程度的下降。為了 簡化 運算過程，在 燃燒室 頂部 中心點設(shè)置 6 個 直徑為 的 質(zhì)量流量 入口，噴射壓力設(shè)置為高壓油軌軌壓。 在 相關(guān)設(shè)定中，流動界面的邊界條件較為簡單，而與傳熱有關(guān)的界面邊界條件難以界定。 運算初始化 和監(jiān)視器設(shè)定 在 完成物理模型設(shè)定之后需要對仿真邊界條件和監(jiān)視器窗口進行設(shè)定 。在 NOx 污染模型中 應(yīng)選擇上述兩種污染模 型（ 圖 17） 。本文 中的仿真采用 EDC 模型。 燃燒及 污染物模型 從燃油 噴入氣缸，開始燃燒到放出熱量的過程及其復(fù)雜，所以選擇合適的燃燒 方程及其重要，它可以 幫助 簡化運算并提高仿真的精度。 由于 本文討論的是發(fā)動機燃燒仿真，可以認(rèn)為 是一種內(nèi)部流場 ， 采用 kε 湍流模型。 這三個 守恒定律 由 能量守恒模型進行控制，只有 開啟 能量守恒模型才能保證 在 仿真過程中能量不 增加 也不減 少，只會發(fā)生 形式 上的轉(zhuǎn)換。 在 內(nèi)燃機 燃燒 過程的仿真中 涉及 到的物理模型包括能量守恒模型、湍流模型和燃燒及污染物模型。CA 30176。動態(tài) 鋪層 模型的 設(shè)置 參數(shù)如圖 11所示 吉林 大學(xué)本科畢業(yè)論文 22 圖 11 動態(tài) 鋪層模型設(shè)定 Fluent 中專門提供了 用于 氣缸動態(tài)仿真的 動網(wǎng)格 模塊 ， 即 InCylinder模型，在這個模型中可以對發(fā)動機氣缸的參數(shù)進行詳細(xì)設(shè)定 ， 例如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、沖程長度、連桿長度 、 曲軸轉(zhuǎn)角 等 ， Fluent 中有內(nèi)置函數(shù)可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)對活塞的運動規(guī)律進行仿真 。此 方法 既可以應(yīng)用于面網(wǎng)格的重新劃分，又適用于體網(wǎng)格的動態(tài)劃分。 光滑 彈簧模型可應(yīng)用于含有 四面體 和六面體網(wǎng)格的流 域，它只改變流域內(nèi)節(jié)點的位置，并不改變節(jié)點或網(wǎng)格的連通性。 動網(wǎng)格設(shè)置 Fluent 中提供三種 動網(wǎng)格 變化模型， 用來 更新由于 邊界 運動而產(chǎn)生的變形 ， 這三種網(wǎng)格劃分方案為 光滑 彈簧模型（ smoothing methods） 、 動態(tài)鋪層模型（ dynamiclayering） 和局部 網(wǎng)格重新劃分模型（ remeshing methods） 。 與 Fire 等可以進行燃燒仿真的軟件相比 ， Fluent 無論 從運算速度 還是 運算準(zhǔn)確性上說 占有 明顯優(yōu)勢。 可以對污染物進行仿真。 Fluent 中 包括各種優(yōu)化物理模型 ， 如計算流體流動和熱傳導(dǎo)模型 (包括自然對流、定常和非定常流動 、 層流 、 湍流 、 紊流 ， 不可壓縮和可壓縮流動 ， 周期流 ， 旋轉(zhuǎn)流及時間相關(guān)流等 )； 輻射模型 ， 相變模型 ， 離散相變模型 ， 多相流 模型及化學(xué)組分輸運和反應(yīng)流模型等。這樣 就 可以有效簡化運算，減少對計算機資源的占用 ， 減少仿真 時間 ，是提高仿真效率的最佳方法。如果 將 壓縮上止點 對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角定 為 0176。 在 下一章中將詳細(xì)介紹如何 進行 Fluent 仿真。 通過 這種方法劃分網(wǎng)格 可以 充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)勢 ， 既不會由于幾何形狀 過于 復(fù)雜而影響結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分 ， 同時又不會因為全部采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格 而 造成動網(wǎng)格運算困難 ， 是一個 揚長避短 的方法。 在氣缸部分 ， 由于氣缸是一個標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體 ， 符合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對 規(guī)則 幾何形狀的要求 ， 所以在這一部分 可以 進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。但是 如果 對整個燃燒室?guī)缀误w均進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分 ， 由于活塞頂?shù)膸缀涡螤?較為 復(fù)雜 ， 難以 進行 Block設(shè)置。 圖 8 非結(jié)構(gòu) 網(wǎng)格 吉林 大學(xué)本科畢業(yè)論文 16 圖 9 網(wǎng)格 質(zhì)量檢查 一般來說 ， 用于導(dǎo)入 Fluent 的網(wǎng)