内燃机燃烧过程数值模拟的研究现状

内燃机工作过程的模拟经过了漫长时间的发展,已经由最初的空气标准循环分析法到“内燃机循环模型”[3]的提出,经由计算机技术的发展推动,计算模型的建立和发展。计算机的普及后,通过数值模拟,几何形状和机构参数的改变对燃烧过程的影响,也可以由可视化数值,动态变换等方法得到,提供了内燃机的改善,发展,设计所需的必要了解。84398

20世纪60年代以后,内燃机的燃烧过程的分析和计算模型的建立研究飞速发展。简单来说,燃烧过程的模拟计算经历了四个时段:简单燃烧发热率计算、零维燃烧模型、准维燃烧模型以及多维燃烧模型[4-6]。

A。单纯燃烧放热率计算:根据示功图(真实的压力数据),估计实际燃烧放热率。无数学模型,仅用经验能量守恒方程和传热方程研究放热过程。它是后来两种模型建立的基础,直到目前,这种方法任是某些情况下诊断燃烧,用于燃烧过程计算。论文网

B。零维燃烧模型。这是一种理想模型(假设系统内温度、浓度和压力等参数均匀分步,缸内混合气为热力学平衡状态,工质分布均匀,相同的热力学及热物性参数),保证能量平衡、质量平衡,曲轴转角(时间)为唯一变量。零维燃烧模型应用广泛,但零维模型假设每一曲轴转角热力学平衡,将燃烧过程中复杂的化学物理反应变化过程用简单的数学关系替代,无法得到燃烧过程的本质规律。抽象而宏观的描述排除了空间位置对内燃机燃烧过程的影响,尤其是排放性能。同时,计算的吻合率和经验参数的设定息息相关。

C。准维燃烧模型,又称分区模型。按照燃料分布的浓度线或火焰前锋位置将燃烧室分为若干区域,在不同区域内在零维燃烧模型的基础上,以曲轴转角为唯一自变量建立常微分控制方程。为体现空间的不均匀性,在各区域内有各自的分布参数。根据所分区域的数量多少,准维燃烧模型分为双区模型和多区模型。各区域喷雾的物理化学准备过程不同,导致了可燃气混合速率和程度不同,柴油机的燃烧过程也就各有不同。差异化的温度、浓度及压力分布使各区域内产生不同的燃烧产物。建立各区域的子模型,经由质量守恒、能量守恒约束子模型间的联系。

此两种模型都以曲轴转角为唯一自变量计算简易,但对几何参数变化、缸内油气混合、缸内湍流流动特性等实际的复杂的燃烧过程不能精准描述。

D。多维燃烧模型。通过建立多变量偏微分方程组(能量守恒方程、燃烧化学反应前后组分守恒方程、动量守恒方程、质量守恒方程等),确定边界条件,再进行数值计算,由此描述缸内传热、工质湍流流动、油膜雾化混合、气态产物与微粒的排放等实际情况。为简化如此复杂的系统,采用近似计算的方法。近似处理的方法包括:近似处理数值和计算程序、近似处理坐标、近似处理对流体运动的描述(网格尺度模型)、近似处理维数等。此外非定常多维燃烧时此偏微分方程的求解仍很困难,所以需添加一些燃烧过程辅助模型和现象子模型(非均质的点火模型、火焰传播模型、两相流喷注混合模型)以补充一些细节。

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