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壁面模型对缸内传热模拟计算的影响 |
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作者：广州本田汽车有限公司 |
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柴油机工作时缸内气流的流动对壁面换热会产生至关重要的影响，因此对缸内传热过程进行多维瞬态模拟计算时，首先需要对缸内气体流动进行准确模拟。但由于缸内气体的流动具有强瞬变、强压缩、强旋转和各向异性等特点，是极其复杂的多维湍流运动，为了对缸内气体运动进行多维瞬态模拟计算，必须采用一定的湍流模型。目前，多数湍流模型都是以湍动能生成和耗散相平衡为基础，主要适用于离壁面有一定距离的湍流区域。在接近壁面的湍流运动中，湍流脉动由于壁面约束而下降，分子粘性扩散作用逐渐增强，因而在贴近壁面处扩散项占较大成分，湍流雷诺数很小，所以湍流模型不能直接应用到该区域。为了将现有湍流模型应用于缸内多维数值模拟计算，需要对壁面进行特殊处理。由此可见，在近壁处对不同壁面模型的处理方式将决定对缸内传热过程的多维模拟计算是否准确。为此本文利用多维瞬态模拟计算方法考察不同壁面模型对缸内传热多维瞬态模拟计算的影响，通过模拟计算可以获取最佳缸内传热多维瞬态模拟计算模型，进而为确定缸内工作过程的多维瞬态模拟提供有利支持。
模型的建立
1．湍流模型
在整个工作循环过程中，柴油机缸内气体流动是一个包括湍流剪切层、边界层和回流区的复杂结构，始终进行着极其复杂而又强烈瞬变的非稳态三维湍流运动。这种湍流运动是柴油机工作、燃烧过程和传热过程中各个物理化学变化子过程的一个共同基础，它决定各种量在缸内的输运及其空间分布，对可燃混合气的形成及其浓度场分布、火焰传播速度和燃烧品质、缸内传热及污染物生成等都具有直接的、本质的影响。因此，要正确分析柴油机缸内工作过程、传热、喷雾、燃烧和排放，绝对离不开对缸内湍流运动的正确描述和模拟。正是基于这一原因，使得湍流模型的研究在内燃机缸内模拟计算中得到了广泛发展，出现了大量不同结构形式的湍流模型。
虽然现在大量湍流模型得到了充分的发展和广泛的应用，但不同湍流模型的使用范围依然存在着极大差异，针对不同的流动问题需要选用不同的湍流模型。而在湍流模型的选取上，主要依赖于所模拟流动的物理机理、同类问题的经验积累、精度要求、计算机资源和处理问题所需的时间。为了能够对湍流模型做出恰当的选择，对计算结果给出合理分析，必须了解各种模型的预测能力和局限性，特别是针对柴油机缸内多维瞬态模拟数值计算。
鉴于湍流模型对整个模拟计算的重要性，本文为了既能保证计算精度又能实现快速计算，采用的湍流模型为k-ζ-?湍流模型。此模型是在Durbin的ν2-?模型的基础上发展起来的，其中速度尺度ζ=ν2/k，替代ν2。经过修正后，k-ζ-?模型与Durbin的ν2-?模型相比，更加稳定，收敛性也得到极大改善。
2．壁面模型
理论上k-ζ-?湍流模型是以湍动能生成和耗散相平衡为基础，主要适用于离壁面一定距离的湍流区域。但在接近壁面的湍流运动中，湍流脉动由于壁面约束而下降，分子粘性扩散作用逐渐增强，因而在贴近壁面处扩散项占较大成分，湍流雷诺数很小，所以k-ζ-?湍流模型不能直接应用到该区域。简单壁湍流试验研究表明，近壁区域内的流动可分为3层：内层是粘性底层，分子粘性控制流动，平均速度随距壁面距离线性增长，也称之为线性底层；外层是等雷诺应力层，分子粘性影响很小，湍流控制流动，平均速度随距壁面距离按对数率分布，称为湍流的壁面率；中间存在过渡层，分子粘性应力和雷诺应力属同一量级。由此可见，为了将k-ζ-?湍流模型应用于柴油机缸内多维数值模拟计算中，需要对壁面进行特殊处理。其中，壁面的处理方式主要有：标准壁面函数法、双区壁面函数法、复合壁函数法以及直接求解的低雷诺数k-ε模型等。对直接求解的低雷诺数k-ε模型来说，其对计算网格要求较高，而在柴油机缸内多维瞬态数值模拟中，计算网格随曲轴旋转不断变化，这就很难保证满足低雷诺数k-ε模型的要求，并不能很好地适用于缸内多维瞬态数值模拟计算。因此，在柴油机缸内模拟计算中通常使用其他3种壁面处理方式：
（1）标准壁面函数法。
标准壁面函数法忽略紧贴壁面的粘性底层和过渡层，假设离开壁面的第一层网格内节点P位于雷诺等应力层，通过壁面函数建立第一层网格与壁面特性的关系，其是半经验方程，通过试验验证和相似原则推导出来。
式中：k为卡门常数；下标P代表贴近壁面一层网格中心点；E为定常数。
（2）双区壁面函数法。
双区模型是将流场分为粘性影响区和全湍流区，基于公式2来判断，对于Rey>200的全湍流区采用k-ζ-?模型，对于Rey<200的粘性影响区采用低雷诺数－方程模型求解近壁网格的方程和湍流粘度，两区在粘性底层的“边界”相匹配，这样就大大减小了уP的影响。双区模型要求近壁网格细到足够可以模拟粘性底层，因此大大增加了对计算机资源的需求。
（3）复合壁函数法。
复合壁函数法是Popovac和Hanjalic扩展了Kader对壁面边界层内温度分布而建立起来的。
式中：Pr为分子普朗特数；k为卡门常数。
复合壁函数法近壁处湍能被修正以确保对壁面无量纲距离y+较小的区域计算结果跟采用低雷诺数模型的一致，而对壁面无量纲距离y+较高的区域，计算结果与采用标准壁函数的一致，从而提高整个壁面模型的处理计算精度。
3．传热模型
本计算采用Han-Reitz的湍流壁面换热模型，其充分考虑壁面边界层内气体密度的变化和湍流Plantl数的增加对传热的影响，且对壁面附近的网格质量要求较低。壁面热流为：
式中：Cp为气体定压比热，uτ为壁面剪切速率，T为气体温度，Tw为壁面温度。
4．其他模型
喷雾模型包括一些用于计算燃油雾化、蒸发、破碎和碰壁的子模型。本研究在计算中选用的喷雾子模型主要有：燃油湍流耗散选用Gosman模型；粒子相互作用选用O’Rouke模型；蒸发选用Dukowicz模型；破碎选用Wave模型；碰壁选用Walljet1模型。燃烧模型采用特征时间模型，其与Wave破碎模型相结合可以更好地应用与柴油机的喷雾燃烧模拟。
模拟计算
1．发动机参数
本文以某柴油机单缸作为研究对象，发动机的基本性能参数为：功率（180kW）；转速（2 300r/min）；缸径（106mm）；活塞行程（125mm）；压缩比（17.5:1）；定义压缩过程活塞位于上止点时刻，曲轴转角为0°。
2．计算网格生成
对柴油机缸内工作过程的多维瞬态模拟来说，存在活塞的运动，要想真实地反映其实际工作情况，必须采用动网格才可以实现。本文为了提高缸内计算的精确度，网格划分上完全采用结构化六面体进行。六面体网格不但可以使计算网格数量减少，而且有计算精度高、适应的算法较多等优点。将缸内区域进行网格划分，活塞位于上止点时缸内网格如图1所示。
图1 活塞位于上止点计算网格
3．初始条件
对于本计算来说，由于计算是从进气门关闭开始，持续到排气门开启，远远小于一个循环过程，这就使初始条件的确定显得尤为重要。为此本文通过进气过程的三维瞬态数值模拟获得缸内模拟计算的初始条件。
4．边界条件
缸内过程仅仅涉及壁面边界条件，对壁面边界而言，认为所有壁面无质量传递，但存在热量传递，即无绝热壁面。将涉及的燃烧室部件进行分区，即分为：气缸盖底面与缸内气体接触区、活塞顶面区以及气缸套内表面与缸内气体接触区，不同区域定义不同大小温度值，如表所示。燃烧室表面温度
 计算结果及分析
图2和图3给出3种不同的壁面模型状态下缸内平均有效压力、放热率和温度曲线分布。采用双区壁面函数法处理壁面计算得到的压力峰值和温度峰值略高于其他两种方法，标准壁函数法和复合壁函数法模拟预测的缸内平均有效压力、放热率和温度都非常接近，但复合壁函数法预测得到的缸内平均有效压力曲线更接近于试验曲线。
图2 不同壁面模型，缸内压力和放热率的比较
图3 不同壁面模型，缸内温度的比较
图4和图5则是3种不同的壁面模型状态下缸盖底面和活塞顶面热流密度分布。进一步说明双区壁面函数法在相同的传热模型条件下得到的缸内壁面热流密度要小于其他两种方法，尤其是活塞位于上止点附近时，从而导致缸内最高燃烧温度和压力升高，而其他两种方法计算的壁面热流密度则非常接近。
图4 不同壁面模型，缸盖底面热流密度的比较
结语
壁面模型的处理形式对柴油机缸内传热的多维瞬态数值模拟计算会产生一定影响，其中双区模型与其他两种方法比较差别较大，标准壁面函数法和复合壁函数法的预测值非常接近，但由于复合壁函数法在近壁处湍能被修正，使得其缸内多维模拟计算平均有效压力预测值与试验值更为接近。
通过对比分析可以看到不同壁面模型对缸内传热模拟计算会造成一定影响，因此也必然会对缸内喷雾、燃烧和排放产物生成的模拟预测产生至关重要的作用，需要进一步深入研究。(end)
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(7/10/2009) |
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