【文章內(nèi)容簡介】 同時大幅下降改進燃燒系統(tǒng)和冷卻 EGR可進一步降低 NOx排放。內(nèi)部 EGR技術在增壓柴油機上的應用 是一發(fā)展趨勢。 VGT可變截面渦輪增壓系統(tǒng)和 EGR形成了良好的匹配發(fā)動機的其它性能如燃燒放熱率、熱效率、輸出功率等都得到很好的改善。因此 VGT和 EGR聯(lián)合應用也是未來技術的一個發(fā)展趨勢。 第一章緒論 9 . 論文 的研究 意義 及研究內(nèi)容 在 EGR系統(tǒng)的 使用過程中 ， 由于氧氣濃度下降 ， 可以 幫助發(fā)動機降低 NOx的 排放 ， 但 同時燃料和氧氣接觸面積減小 ， 這會直接導致發(fā)動機燃燒過程 燃燒持續(xù)期增長 ， 燃燒溫度和最高爆發(fā)壓力下降 。 發(fā)動機 的 動力性和燃油經(jīng)濟性將會有不同程度的下降 ， 同時 HC 和顆粒的排放會上升。 隨著 EGR 率的升高 ， 這種趨勢將變得格外 明顯。 本文著重 解決發(fā)動機 在 不同工況下的 EGR率的確定。 不同 工況下的 EGR的確定必須保證在 要想最大程度地使 NOx減少又不影響柴油機經(jīng)濟性和 HC與微粒排放。 本文結合 實驗 和 仿真軟件 Fluent對 真計算 ， 研究不同 的 EGR率 ， 對 柴油機燃燒 過程和 性能的 影響。主要 研究內(nèi)容如下： 1. 了解 車用柴油機技術發(fā)展趨勢 ， 以及 EGR 系統(tǒng)的 背景 與 現(xiàn)狀； 2. 利用 仿真 軟件 Fluent 建立 柴油機 燃燒室 仿真 計算 模型 ， 進行 臺架 實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比驗證 ； 3. 針對 不同工況 下 ， 利用 實驗與仿真數(shù)據(jù) 綜合 分析 EGR 率 對發(fā)動 機燃燒過程、經(jīng)濟性 、 動力性 和排放 特性 的影響 。 第二章柴油機燃燒室網(wǎng)格 劃分 11 第二 章 柴油機 燃燒室網(wǎng)格劃分 通過 Fluent進行 發(fā)動機 燃燒室進行 CFD仿真屬于 有限元 仿真的方式之一 ，需要對仿真模型 空間 進行離散化 ， 即進行 網(wǎng)格 劃分。網(wǎng)格 劃分 質量直接影響仿真的 結果 和 精度 ， 是 燃燒 數(shù)值模擬的前提。 對 燃燒仿真來說 ， 網(wǎng)格劃分是 仿真不可或缺的一部分。 柴油機 燃燒室模型 本文 中采用的發(fā)動 機 是一臺 高壓共軌渦輪增壓柴油機 ， 發(fā)動 氣缸直徑 為 83mm， 沖程長 92mm， 連桿 長度 為 148mm。發(fā)動機 燃燒室 采用 ω 型活塞頂 ， 同時不設置預燃室。發(fā)動機 燃燒室 具 體參數(shù)參見表 3， 燃燒室 平面圖見圖4. 缸徑： 83mm 沖程： 連桿長： 燃燒室容積： 燃燒室深度： 縮口比： 凸臺高度： 凸臺半徑： 2mm 壓縮比： 余隙高度： 表 3 發(fā)動機 燃燒室參數(shù) 圖 4 燃燒室 平面圖 吉林 大學本科畢業(yè)論文 12 根據(jù)表 3 中 給出的 燃燒室 相關參數(shù) ， 利用 CATIA 軟件對燃燒室和活塞頂進行建模。由于 在網(wǎng)格 劃分 過程中采用 ANSYS自帶的 ICEM CFD軟件 ， 在劃分網(wǎng)格之前應保 存為 igs格式并且只保留燃燒室和 活塞頂 的內(nèi)壁面即與燃料直接接觸的 壁面 （ 圖 5） 。 圖 5 燃燒 室 igs 模型 CFD軟件簡介 ICEMCFD 是 ANSYS 中的一款計算前處理軟件 ， 包括從 幾何 創(chuàng)建、網(wǎng)格 劃分 、前處理條件設置等功能 。 在 CFD 網(wǎng)格生成領域 ， 優(yōu)勢更為突出。 作為專業(yè)的前處理軟件 ICEMCFD為所有世界流行的 CAE軟件提供高效可靠的分析模型。它擁有強大的 CAD 模型修復能力、自動中面抽取、獨特的 網(wǎng)格 “ 雕塑 ” 技術、網(wǎng)格編輯技術以及廣泛的求解器支持能力。同時作為 ANSYS 家族的一款專業(yè)分析環(huán)境 ， 還可以集成 于 ANSYS Workbench 平臺 , 獲得 Workbench的所有優(yōu)勢。 ICEM 作為 Fluent 和 CFX 標配的網(wǎng)格劃分軟件 ， 取代了 GAMBIT的地位。 ICEM CFD 提供了高級幾何獲取、網(wǎng)格生成、網(wǎng)格優(yōu)化以及后處理工具以滿足當今復雜分析對集成網(wǎng)格生成和后處理工具的需求。 在 本文中采用 ICEM 第二章柴油機燃燒室網(wǎng)格 劃分 13 ， 這是目前 ANSYS 公司推出的一個較 新 的版本 ， 與前幾個版本的軟件相比 ， 在性能方面有了較大的改善 ， 并且克服了以前版本中一些 不盡如人意 的地方。 ICEM CFD 的網(wǎng)格分為平面網(wǎng)格 和 立體網(wǎng)格 ， 無論 平面和立體網(wǎng)格均可進行非結構網(wǎng)格和結構網(wǎng)格的劃分。 網(wǎng)格 形式見圖 6。 圖 6 不同 網(wǎng)格形式 一般 情況下 ， 非結構網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格 ， 而結構網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格或者六面體網(wǎng)格。 非結構 網(wǎng)格在通常情況下能較好 地 還原幾何體的幾何形狀 ， 同時在網(wǎng)格的劃分過程中較為簡單 ， 但是其 網(wǎng)格優(yōu)化能力有限 ， 在吉林 大學本科畢業(yè)論文 14 動網(wǎng)格運用 時 容易出現(xiàn)負體積 ， 通常運用于復雜幾何形狀的 靜 網(wǎng)格劃分 ； 而結構網(wǎng)格 劃分較為 復雜 ， 需要對幾何體進 行塊（ Block） 劃分 ， 但其在動網(wǎng)格應用方面較為簡單 ， 在仿真過程中不容易出現(xiàn)負體積 ， 通常運用于規(guī)則幾何形狀的動網(wǎng)格劃分。 運用 ICEM CFD對燃燒室進行網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格 劃分 過程中 應該首先 將 igs 導入 ICEM CFD 中 ， 并利用軟件中的幾何檢查模塊對 燃燒室 幾何模型進行幾何檢查 ， 查看 幾何體 中是否存在 缺陷（圖7） 。 從 圖中 可以看出所有的線均為紅色 ， 沒有出現(xiàn)黃色或藍色的線 ， 說明幾何不存在缺陷 圖 7 幾何 檢查 結果 對 幾何體進行檢查之后需要對幾何體 劃分 部分（ Part） ， 在本文中將燃燒室頂面設置成 top_wall， 活 塞頂面設置成 move_wall， 同時將 燃燒室 側面設置成 side_wall。這么 劃分 部分是為了方便 將 網(wǎng)格導入 Fluent 之后進行動網(wǎng)格設定。 同時 由于燃燒室內(nèi)部是一個充滿氣體的幾何空間 ， 所以 應在 燃燒室內(nèi)部設置一個 Body， 確保網(wǎng)格出現(xiàn)在燃燒室內(nèi)部。 第二章柴油機燃燒室網(wǎng)格 劃分 15 接下來 需要對網(wǎng)格參數(shù)進行設定 ， 由于 活塞 沖程為 92mm， 同時整個燃燒過程 燃燒 室始終處于高速運動狀態(tài) ， 所以網(wǎng)格參數(shù) 不宜 過大 ， 一般選用 面 網(wǎng)格尺寸在 ， 體網(wǎng)格 尺寸應為 8mm以下 。 同時 ， 由于活塞頂?shù)膸缀涡螤钶^為 復雜 ， 所以 move_wall 部分的 面 網(wǎng)格應進行特別 細化。 由于非結構 網(wǎng)格劃分較為方便快捷 ， 所以 首先 進行 非結構網(wǎng)格的劃分。劃分 結構 如圖 8所示 。 圖 8 非結構 網(wǎng)格 吉林 大學本科畢業(yè)論文 16 圖 9 網(wǎng)格 質量檢查 一般來說 ， 用于導入 Fluent 的網(wǎng)格文件質量應符合以下標準： 網(wǎng)格 質量大于 的 網(wǎng)格數(shù)量應小于 1000 個 。 經(jīng)過 網(wǎng)格質量優(yōu)化和檢查（ 圖 9） 可以知道 ， 非結構網(wǎng)格質量達到了要求 。 但是由于 在 仿真中 需要 用到動網(wǎng)格 ， 在 動網(wǎng)格的運動過程中 ， 由于需要對燃燒室的網(wǎng)格進行形變 ， 形變 過程中會出現(xiàn)燃燒室中心處 網(wǎng)格 尺寸過大 ， 形變量同時增大出現(xiàn)負體積 ， 所以非結構網(wǎng)格無法達到要求 ?；谶@個 原因 必須進行結構 網(wǎng)格劃分。但是 如果 對整個燃燒室?guī)缀误w均進行結構網(wǎng)格劃分 ， 由于活塞頂?shù)膸缀涡螤?較為 復雜 ， 難以 進行 Block設置。 為了 解決這個問題 ， 筆者嘗試采用兩種 網(wǎng)格相結合的方法進行網(wǎng)格劃分。在 網(wǎng)格劃分過程中 ， 將 氣缸 部分和活塞頂部分分割成兩個不同的 Body。 在 活塞頂 部分 ， 由于 運動過程中 ， 活塞頂向上做平移運動 ， 體積和幾何形狀并不發(fā)生形變 ， 所以此部分依然 采用 非結構網(wǎng)格 。 在氣缸部分 ， 由于氣缸是一個標準的圓柱體 ， 符合結構網(wǎng)格對 規(guī)則 幾何形狀的要求 ， 所以在這一部分 可以 進行結構網(wǎng)格劃分。在 劃分 結構網(wǎng)格進行參數(shù)設定時 ， 應使網(wǎng)格尺寸略 小于 每度曲軸轉角活塞向上運動的距離即約為 ， 這樣在進行動網(wǎng)格運算時可以使動網(wǎng) 第二章柴油機燃燒室網(wǎng)格 劃分 17 圖 10 結構 網(wǎng)格 格體積變化 盡可能 通過減少網(wǎng)格層數(shù)進行運動 ， 而盡量減少網(wǎng)格形變造成的負體積。通過 這種 方法劃分的網(wǎng)格見圖 10。 從 圖中可以看到活塞頂部分的網(wǎng)格是 四面體 的非結構 網(wǎng)格 ， 而氣缸部分是六面體的結構網(wǎng)格。 通過 這種方法劃分網(wǎng)格 可以 充分發(fā)揮結構網(wǎng)格和非結構網(wǎng)格的優(yōu)勢 ， 既不會由于幾何形狀 過于 復雜而影響結構網(wǎng)格劃分 ， 同時又不會因為全部采用非結構網(wǎng)格 而 造成動網(wǎng)格運算困難 ， 是一個 揚長避短 的方法。 經(jīng)過 這樣的網(wǎng)格劃分 ， 總網(wǎng)格數(shù)量約為 120萬 ， 網(wǎng)格質量小于 的 網(wǎng)格不足 100 個 ， 完全符合 Fluent 的運算要求。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果的精度。 最后將 網(wǎng)格輸出方式調(diào)整為 Fluent V6， 并輸出 msh 文件就可以進行下一步的 Fluent 仿真運算。 在 下一章中將詳細介紹如何 進行 Fluent 仿真。 第三章燃燒 過程 的 Fluent 仿真 19 第三 章 燃燒過程 的 Fluent 仿真 運用 Fluent 對 燃燒過程進行仿真首先需要簡化模型 。 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，取消了氣門等結構， 避免了 在動網(wǎng)格設置時在氣門處出現(xiàn) 負體積。從 圖 10可以 看出初始網(wǎng)格處于活塞下止點 。如果 將 壓縮上止點 對應的曲軸轉角定 為 0176。 ， 那么 在仿真時可設置 此時 的活塞 處于 進氣下止點， 即 180176。 CA， 在 設置邊界條件和運算初始化時可以設置成進氣完成時發(fā)動機 燃燒室 環(huán)境 。 這樣 仿真 只需要對發(fā)動機的壓縮沖程和做工沖程進行仿真。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。 軟件 簡介 Fluent 是目前國際上比較流行的商用 CFD 軟件包 ， 在美國的市場占有率為 60%， 凡是和流體、熱傳遞和化學反應等有關的工業(yè)均可使用。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、汽車設計、石油天然氣和渦輪機設計等方面都有著廣泛的應用。 Fluent 具有 以下幾個優(yōu)點： 適用面廣 。 Fluent 中 包括各種優(yōu)化物理模型 ， 如計算流體流動和熱傳導模型 (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 ， 旋轉流及時間相關流等 )； 輻射模型 ， 相變模型 ， 離散相變模型 ， 多相流 模型及化學組分輸運和反應流模型等。對每一種物理問題的流動特點 ， 有適合它的數(shù)值解法 ， 用戶可對顯式或隱式差分格式進行選 擇 ， 以期在計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳。 高效 省時。 Fluent 將不同領域的計算 軟件 組合起來 ， 成為 CFD 計算機軟件群 ， 軟件之間可以方便地進行數(shù)值交換 ， 并采用統(tǒng)一的前、后處理工具 ，這就省卻了科研工作者在計算方法、 編程 、前后處理等方面投入的重復、低效吉林 大學本科畢業(yè)論文 20 的勞動 ， 而可以將主要精力和智慧用于物理問題本身的探索上。 可以對污染物進行仿真。 包括 NOX 和 ROX(煙塵 )生成模型。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)里回燃導致的 NOX 的消耗。而 ROX 的生成是通過使用兩個經(jīng)驗模型進行近似模擬 ， 且只使用于 紊流 。 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 運算準確性上說 占有 明顯優(yōu)勢。 Fire 的 運算目前只針對 2D模型 ， 對于三維模型的 運算尚 無法達到 ， 而 Fluent 既可以對 二維 平面模型進行計算 ， 也可以計算復雜 的三維模型。 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。在 后處理 過程中不存在軟件兼容性的問題 ， 同時可以充分發(fā)揮 Fluent 的運算優(yōu)勢和 Workbench 在后處理方面的優(yōu)勢。 動網(wǎng)格設置 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） 。 光滑彈簧 模型 在 此模型中，網(wǎng)格上連接任意兩個相鄰節(jié)點的連線被理想化為相互連接的彈簧。當 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。產(chǎn)生 的這個 力會通過 位移 在體網(wǎng)格中的傳播而傳播出去，從平衡角度看，對于每一個節(jié)點，作用在其上面的彈簧力的 合力 必定 為 0。 光滑 彈簧模型可應用于含有 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