【導(dǎo)讀】注，其中液化石油氣作為一種清潔的車用發(fā)動機(jī)燃料，它的應(yīng)用受到各國的重視，國內(nèi)外的許多研究機(jī)構(gòu)都致力于車用發(fā)動機(jī)燃用LPG的研究。壓噴射、霧化等一系列復(fù)雜過程與空氣混合,形成易于燃燒的混合氣。進(jìn)氣管以及燃燒室壁面相撞,在碰撞面上會形成油膜,使燃油在壁面堆積。放性能有非常重要的意義。本文根據(jù)實際的單進(jìn)氣道得到其網(wǎng)格模型，對其內(nèi)部的噴射碰壁過程進(jìn)行了研究。據(jù)此可以預(yù)測，對于這種采用較短進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)的改裝LPG汽車發(fā)動機(jī)，噴。缸空燃比控制失調(diào)也造成發(fā)動機(jī)排放惡化。各缸間混合氣分配不均勻現(xiàn)象是必要的。

　　

【正文】 1 之間，對于松弛系數(shù)的取法沒有統(tǒng)一的規(guī)則，應(yīng)根據(jù)問題的性質(zhì)，網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)，網(wǎng)格點(diǎn)的間隔，迭代求解過程中對某因子的依存性等確定，一般實用中由經(jīng)驗確定。在本計算中，將支配流場的方程式離散化后所構(gòu)成的代數(shù)方程組往往是非線性的，因此在計算中引入了欠松弛幫助獲得計算的收斂。對于本文中可壓縮超音速流動問題的求解，由于壓強(qiáng)變化活躍，因此壓強(qiáng)的松弛因子一般取 左右，其它松弛因子的值隨研究問題的不同在計算過程中調(diào)整和確定。 計算網(wǎng)格生成技術(shù) 利用計算機(jī)數(shù)值模擬方法解析天然氣的自由噴 射過程以及發(fā)動機(jī)進(jìn)氣岐管內(nèi)的 LPG 反射和進(jìn)氣干涉過程時，由于噴射閥內(nèi)部構(gòu)造和進(jìn)氣岐管形狀的復(fù)雜性，特別是作為研究對象的 LPG 噴流的突發(fā)非穩(wěn)定超音速等的流動特性，決定了對生成模型的計算網(wǎng)格密度和質(zhì)量提出了較高的要求，因此本文選擇了通用流體計算軟件中的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格求解器，它不象結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格通過 i， j， k的信息識別相鄰的網(wǎng)格，而是由其內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)生成面和節(jié)點(diǎn)的序列表以及建立相鄰網(wǎng)格間的關(guān)系；因此大大增加了網(wǎng)格單元形式和網(wǎng)格拓?fù)涞撵`活性。 網(wǎng)格單元類型和網(wǎng)格拓?fù)? (225) (226) (223) (224) 耿德強(qiáng)： LPG 汽車發(fā)動機(jī)噴霧模擬計算 第 19 頁 對于三維流動問題的數(shù)值解析，網(wǎng)格單元的形式 靈活。如圖 所示，有四面體、六面體、棱形、楔形和金字塔形等多種單元形式。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格拓?fù)涞膯卧问揭粤骟w (a) 棱形 /楔形 (b) 金字塔形 (c) 四面體形 (d) 六面體形 圖 3D 網(wǎng)格單元形式 為主。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格拓?fù)湟运拿骟w單元為主。并且隨著網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展，在不同區(qū)域視情況布置不同得網(wǎng)格拓?fù)湫问降幕旌暇W(wǎng)格 (Hybrid Mesh)技術(shù)逐漸成熟。在處理復(fù)雜幾何形狀流動問題時結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格拓?fù)?形式往往受到很大的限制，即使采用多塊 (MultiBlock)網(wǎng)格等技術(shù)，網(wǎng)格劃分的工作量往往也非常大。 圖 發(fā)動機(jī)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的網(wǎng)格單元形式靈活，對幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)，計算網(wǎng)格生成時間短，因此在處理復(fù)雜幾何形狀流動問題時優(yōu)勢明顯。如發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣管 — 進(jìn)氣閥 — 氣缸結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格拓?fù)渖删W(wǎng)格模型往往很困難，常采用以四面體網(wǎng)格單元為主的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格拓?fù)?，生成的網(wǎng)格模型如圖 所示。 LPG發(fā)動機(jī)數(shù)值模擬網(wǎng)格生成方案 耿德強(qiáng)： LPG 汽車發(fā)動機(jī)噴霧模擬計算 第 20 頁 正如在第一章所指 出，本文的研究內(nèi)容主要是 LPG 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi)的燃料噴射及其反射過程的數(shù)值解析。對網(wǎng)格單元類型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇要根據(jù)實際情況綜合考慮以下三個因素：網(wǎng)格生成耗時、數(shù)值解析對計算資源的要求和數(shù)值擴(kuò)散的控制。對 LPG 超音速非穩(wěn)態(tài)自由噴流的數(shù)值模擬，由于 LPG 噴射閥內(nèi)部幾何形狀復(fù)雜，采用六面體生成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格非常困難，因此在該區(qū)域采用四面體生成非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格。而對進(jìn)氣岐管內(nèi) LPG 的噴射、反射過程和進(jìn)氣干涉現(xiàn)象的數(shù)值解析，不但包含了 LPG 噴射閥的復(fù)雜形狀，進(jìn)氣岐管和氣缸的形狀也非常復(fù)雜，因此網(wǎng)格生成難度進(jìn)一步加大，可 在進(jìn)氣岐管部分結(jié)構(gòu)較簡單的管段，生成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，而在其它形狀復(fù)雜的區(qū)域（如從 LPG 噴射閥安裝處到進(jìn)氣閥之間的進(jìn)氣岐管），為了降低網(wǎng)格生成難度，減少耗時，采用了以四面體單元為主的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。 LPG發(fā)動機(jī)數(shù)值模擬網(wǎng)格密度和質(zhì)量要求 在實際的數(shù)值計算求解過程中，由于受計算機(jī)處理速度、存儲能力和字節(jié)長度的限制，不可能把網(wǎng)格劃分得無限細(xì)，因此我們轉(zhuǎn)而尋求在一定誤差范圍內(nèi)網(wǎng)格獨(dú)立的解。另外計算網(wǎng)格與數(shù)值解析結(jié)果的密切關(guān)系，不只表現(xiàn)在網(wǎng)格尺寸與計算精度的關(guān)系上，網(wǎng)格的偏斜度 (Skewness)、平滑度 (相鄰網(wǎng)格過渡比 Smoothness)和網(wǎng)格縱橫比 (Aspect Ratio)等也影響著數(shù)值解的精度、穩(wěn)定性和收斂性。 LPG 噴射閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，球閥附近流體運(yùn)動參數(shù)梯度非常大，應(yīng)該嚴(yán)格限制計算網(wǎng)格的偏斜度和縱橫比，在球閥附近生成平滑度大的細(xì)密計算網(wǎng)格，而對 LPG 自由噴流域，噴流主流方向的各向異性特征明顯，因此計算網(wǎng)格縱橫比應(yīng)適當(dāng)控制，離開噴嘴一定距離后，流體參量梯度也迅速減小，并結(jié)合自由噴流域規(guī)則的幾何形狀，沿噴流方向生成漸疏的計算網(wǎng)格，以此在盡量減少計算網(wǎng)格總數(shù)的情況下獲得精度較高的數(shù)值解。當(dāng)解析進(jìn)氣岐管內(nèi) LPG 噴射及反射過程時，由于進(jìn)氣岐管形狀復(fù)雜性和天然氣噴射閥安裝位置和噴射角度的影響，在管內(nèi)的天然氣噴流域很難布置較高縱橫比而又不影響計算精度的網(wǎng)格，并且 LPG 噴出后還要與進(jìn)氣岐管壁和發(fā)動機(jī)進(jìn)氣閥產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖突等相互作用，因此采用較密集四面體單元為主生成計算網(wǎng)格是適當(dāng)?shù)?，但要?yán)格控制計算網(wǎng)格的偏斜度和平滑度以及防止負(fù)網(wǎng)格和過小體積網(wǎng)格的出現(xiàn)。 耿德強(qiáng)： LPG 汽車發(fā)動機(jī)噴霧模擬計算 第 21 頁 數(shù)值模擬過程及分析 數(shù)值計算方法 通常的數(shù)值解析方法在本文的第二章作了闡述。對于本章提出的 LPG 自由噴流過程，采用了基于控制體積的有限容積法 將支配 LPG 噴流的數(shù)學(xué)模型在生成的計算網(wǎng)格上離散化為一系列代數(shù)方程組。在離散化方程導(dǎo)出過程中，對速度、湍流動量、湍流消散率、組份以及能量等方程的對流項的離散化，均采用了二階精度迎風(fēng)插值離散化格式由計算網(wǎng)格中心變量值求得網(wǎng)格界面上的值，對非穩(wěn)態(tài)項的離散化采用了二階精度隱式時間差分格式。在壓強(qiáng)的插值算法中，為了避免對速度的簡單線性插值易造成的非物理真實性的棋盤式壓強(qiáng)分布問題，采用基于動量平均的方法得到網(wǎng)格交界面上的速度值，如同本文對對流項采用二階精度插值格式離散化一樣，網(wǎng)格交界面上的壓強(qiáng)值也通過二階插值由兩側(cè)網(wǎng) 格中心值得到。 采用了分離算法來進(jìn)行離散化方程的線性化和求解離散方程。離散化方程線性化時使用了隱式 (Implicit)格式，由非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格得到的線性方程組非常復(fù)雜，不能像結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格得到的方程組那樣通過簡單的線性迭代求解，因此采用了適于隱式求解的高斯賽德爾(GassSeidel)求解方法。雖然使用高斯賽德爾法可以迅速消除求解結(jié)果的當(dāng)?shù)兀ǜ哳l）誤差，但全局（低頻）誤差的減低速率往往與網(wǎng)格單元尺寸成反比。也就是說，雖然高密度的計算網(wǎng)格可以提高數(shù)值計算的精度，但同時也阻礙著計算殘 差的縮減速率。為了解決這個矛盾，利用了多重網(wǎng)格體系所包含的一系列的較粗計算網(wǎng)格。就是說計算域內(nèi)較粗的計算網(wǎng)格數(shù)量相對少得多，因此通過相鄰網(wǎng)格的關(guān)聯(lián)修正全局誤差變得相對容易，計算收斂前的迭代次數(shù)也大大減少，這樣可以在大大減少 CPU運(yùn)行時間和內(nèi)存需求的情況下有效地消除全局誤差，加快計算收斂速度。而在較細(xì)的計算網(wǎng)格域，用高斯賽德爾法來消除當(dāng)?shù)兀ǜ哳l）誤差。并且非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格問題的求解采用了普遍被使用的叫做 AMG 法的多重網(wǎng)格法。AMG 多重網(wǎng)格有多種循環(huán)遞歸方式，如 V， W， F， Flexible 循環(huán)等。循環(huán)方式的不同決定 了在計算過程中各網(wǎng)格層間的數(shù)據(jù)傳遞和運(yùn)算方式。對 V 和 W 循環(huán)，各網(wǎng)格層間的遍歷由 β 1，β 2，β 3 三個參數(shù)控制。 Flexible 循環(huán)各網(wǎng)格層間的遍歷除了前述三個參數(shù)外，還要附加約束因子 α 和終止因子 β 以控制不同粗細(xì)度網(wǎng)格層間的邏輯循環(huán)。本文計算時，除壓強(qiáng)計算中采用 V循環(huán)外，其它如速度、湍流能量、湍流消散率、能量、天然氣組分、密度等的計算均采用了 Flexible 循環(huán)以加快計算的收斂速度，各參數(shù)的值分別為： β 1=0，β 2=1，β 3=1， α =， β =，最大循環(huán)次數(shù)為 30，劃分的最大網(wǎng)格粗細(xì)度層數(shù)為 20。 由于離散化得到的代數(shù)方程組為非線性的，因此在求解某一變量時采用了迭代循環(huán)的方式，而在迭代過程引入松弛因子可以幫助控制計算變量的更新速度，例如在某一迭代后，耿德強(qiáng)： LPG 汽車發(fā)動機(jī)噴霧模擬計算 第 22 頁 對變量 φ 在某一計算網(wǎng)格的新值 φ new與這次迭代前的舊值 φ old 的關(guān)系式可表示如下：???? ??? oldnew 這里引入了松弛因子 α ， α 的值介于 0 與 1 之間。一般情況下，在計算收斂困難或計算不穩(wěn)定時可以適當(dāng)?shù)販p小松弛因子，在計算收斂保證的情況下也可以通過加大松弛因子進(jìn)一步加速計算的收斂。松弛因子的設(shè)定根據(jù)求解問題的不同，可以 對各求解變量分別設(shè)定不同的值，如對強(qiáng)烈可壓縮流動問題，在采用分離算法并且壓強(qiáng)速度的耦合采用 SIMPLE 法求解時，壓強(qiáng)的松弛因子一般取值 ，對其它的變量根據(jù)計算的收斂性適當(dāng)調(diào)整松弛因子值 實體模型的建立 數(shù)學(xué)模型確定后，建立合理的實體模型將更有利于簡化研究問題和更真實地描述研究對象，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)的日益成熟極大的增加了對復(fù)雜幾何體的網(wǎng)格處理能力，對復(fù)雜的幾何體建立模型并進(jìn)行網(wǎng)格化設(shè)計的例子屢屢見到。但在實際的數(shù)值模擬研究中，建立復(fù)雜實體模型和網(wǎng)格模型耗時巨大，而追求實體模型與實際幾何體完全一致并不 是數(shù)值解析方法的最終目的。對實際的幾何模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?jié)省實體建模的時間和降低網(wǎng)格生成難度將大大地提高數(shù)值計算工作的效率，收到事半功倍的效果。但簡化應(yīng)遵循一定的原則，要保證簡化后的實體模型盡可能地忠實于原物理現(xiàn)象；不影響數(shù)值解析結(jié)果的物理真實性和可靠性。 基于 Pro/E 的三維參數(shù)化設(shè)計功能，可以完成進(jìn)氣道的三維實體建模，如圖 所示，三維模型的局部參數(shù)修改非常方便。 Pro/E 中一個三維實體零件（ part） 圖 進(jìn)氣歧管實體模型 分解為一個或多個特征，特征（ feature）是進(jìn)行三維造型的基本 要素。一個特征的形成可以采取伸長、 剪切、擠出、旋轉(zhuǎn)的功能得到。如一個圓柱特征，既可由一個圓截面伸長得到，也可由一個矩形截面旋轉(zhuǎn)得到。正因為如此在對計算區(qū)域進(jìn)行三維幾何建模時，需要仔細(xì)選擇特征及特征功能。 在 CFD輔助發(fā)動機(jī)工程的幾何建模中，計算區(qū)域三維幾何模型生成之后，需要將模型數(shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)格生成器，這時需要考慮到網(wǎng)格生成器所能接受的數(shù)據(jù)格式 IGES、 STL、 VRML等多種外部數(shù)據(jù)格式。這里采用的 CFD 軟件是 Fire，其所能接受的格式是 STL，所以這里耿德強(qiáng)： LPG 汽車發(fā)動機(jī)噴霧模擬計算 第 23 頁 用 Pro/E 建立的模型一律存成 STL 文件，以便 于導(dǎo)入。 計算網(wǎng)格模型 計算網(wǎng)格模型的生成質(zhì)量高低是數(shù)值模擬成功與否的關(guān)鍵，首先要保證生成的計算網(wǎng)格能正確地模擬 LPG從噴射閥噴出和發(fā)展過程，也就是說噴射閥的網(wǎng)格化要按照合理的原則進(jìn)行，其次噴出的 LPG在進(jìn)氣歧管內(nèi)的發(fā)展過程受到進(jìn)氣歧管壁的約束、與進(jìn)氣閥的沖突等多種因素的限制較大，因此在進(jìn)氣歧管壁和進(jìn)氣閥附近的區(qū)域生成利于壁面函數(shù)應(yīng)用的計算網(wǎng)格是必要的。 圖 進(jìn)氣歧管網(wǎng)格模型 將用上面用 Pro/E 建立的模型 STL 文件導(dǎo)入 Fire 軟件生成如圖 32 所示的網(wǎng)格模型。由于實體模型形狀不規(guī)則，所以在 生成計算的網(wǎng)格對噴嘴和氣閥進(jìn)行了 （ a）噴嘴 （ b）氣閥 圖 噴嘴和氣閥網(wǎng)格 細(xì)化，如圖 所示。而氣閥的整個邊界情況在圖 中可以清楚地看到。生成的網(wǎng)格模型一共有 20875 個計算網(wǎng)格。 耿德強(qiáng)： LPG 汽車發(fā)動機(jī)噴霧模擬計算 第 24 頁