动态采样过程气体流动的数值模拟研究 - 文章

动态采样过程气体流动的数值模拟研究

作者：北京航空航天大学李云清李波

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摘要：汽油机是靠火花塞处的电极跳出电火花来点燃混合气膨胀做功的，而火花塞的点火时刻对汽油机的动力性、经济性以及排放等都有着重大的影响，当可燃混合气过浓或过稀时，电火花放电后，并不能形成火焰中心及产生火焰传播，因此，研究火花塞处混合气的分布就显得尤为重要。本文对火花塞附近的混合气进行了动态采集的三维数值模拟，得出混合气流量随时间的变化关系，并对所采集到的混合气进行了分析。
关键词：动态采样三维数值模拟

1 引言

本文采用STARCD 公司的三维计算流体力学（CFD）软件，对化油器式汽油机进行了三维数值模拟，研究了在活塞位于压缩上止点前（此时进、排气门已经关闭）的某一时刻，动态采集火花塞处的混合气，得出采集到的混合气的流量随时间的变化关系，以此来判断采集需要的混合气的量所对应的时间，并对采集到的混合气进行了分析，同时分析了浓度、压力等相关参数。为了研究不同曲轴转角时刻的混合气，本次模拟把点火提前角范围（该发动机点火提前角范围是上止点前15°～35°）分为4 个阶段，即活塞在点火提前角范围内的4 个不同曲轴转角位置时刻动态采集混合气，为了详细了解每个时刻的状态，也可以将该范围划分得密集些，以便得到不同曲轴转角时刻火花塞处混合气的浓度。模拟结果对点火时刻的确定将会有一定的指导意义。

2 物理模型

本文所采用的物理模型依据是摩托车用单缸、化油器式、风冷汽油机。为了将混合气从火花塞处取出，因此对发动机进行倒托，火花塞处用一个与其尺寸相同的带有6mm 孔径的螺栓代替。螺栓上设有阀门，螺栓外接密封容器，阀门的开启由伺服电动机控制。当数据采集系统获得发动机曲轴某时刻转角信号时，触发伺服电动机工作，从而打开阀门，将混合气从缸内取出，根据需要采集的混合气的量所对应的时间，数据采集系统定时触发伺服电动机将阀门关闭。如图1 所示。

图1

在模拟计算时，燃烧室构成包括活塞顶面、气缸壁面和缸盖底面。本研究假定活塞运动到某一位置，此时的进、排气门已经关闭，缸内初始条件已经给定。将混合气从火花塞处采集出来，为了使模拟更接近实际，火花塞处开一个小孔，孔径为6mm，当活塞位于压缩上止点前某一位置时，由于缸内压力很大，所以在火花塞处外接一个容器，将混合气存放在该容器内部，便于以后对混合气浓度进行分析。

该发动机的基本参数分别是：缸径D＝56.5mm；冲程S＝49.5mm；压缩比ε＝9.2。
外接容器的直径为D1＝36mm，高度为H＝50mm。
燃烧室简化模型如图2 所示。

图2

3 计算模型及基本参数

Star-CD采用的湍流模型有k-ε双方程模型和LES模型等。LES和其它模型的求解精度相对较高，但需要花费更多的计算时间，而对于发动机缸内工作过程的模拟，k-ε模型（TURBLENT COMPRESSIBLE HIGH RE K-EPS MODEL）的精度已经能够满足模拟的要求，因此在本文中采用k-ε双方程湍流模型来进行求解计算，限于篇幅，本文所采用的方程不在这里一一列出。

由于是动态采集混合气，所以采用瞬态计算方法。

4 计算网格

4.1 曲轴转角φ＝343.9CA 时缸内压力P=16.28×10⁵Pa，温度T＝637.28K。总网格数目＝366654，节点数＝391135，网格单元面数＝31683。时间步长为5×10^-5，此时的计算网格如图3 所示。

图3

图4 流场分布云图图5 压力分布云图

图6 温度分布云图图7 混合气流量分布云图

分析由流场分布图可见，在阀门打开的0.001s 范围内，气缸内部处于等压状态.气流流经火花塞时，压力急剧降低，容器的初始状态是常温常压，压力差值达到8 个大气压左右，气流以超声速流出，而气流流过的截面较小，进入较大的空间从而形成扩散的流动，这种扩散流动的流体微团产生强烈的无规则的脉动，从而形成紊流射流。从截面图可以看出这种射流形成轴对称射流，也就是圆射流。混合气从火花塞孔流出形成一个具有很大速度梯度的区域，射流边界层沿着流动方向不断向两边扩展，外边界向外扩展，带动更多的气体介质进入边界层。内边界向中心扩展，使速度等于初始值的区域逐渐减小，这样沿着流动方向射流边界层越来越宽，造成负压。由于射流边界层不断发展而继续抽吸周围介质的流体质量，火花塞轴心速度连续下降，射流扩展，厚度不断增长，从而形成整个的紊流射流。从温度分布图上可以看出，火花塞处的温度较高，在接近容器口时，温度下降很快，达到302K。沿着气流方向，由于有负压，此处的气体密度相对较低，所以温度也比较低，大约在120K 左右。从压力图上可以看出，混合气以超声速流出，碰到容器壁面时，气流受到急剧压缩而产生激波现象。

混合气流过火花塞截面的流量矢量图为：

图8

4.2 曲轴转角φ＝329.41CA 时缸内压力P=10×10⁵Pa，温度T＝553K。总网格数目＝376282，节点数＝38564，网格单元面数＝32235。

4.3 曲轴转角φ＝336.62CA 时缸内压力P=13×10⁵Pa，温度T＝599K。总网格数目＝368020，节点数＝385135，网格单元面数＝31841。

4.4 曲轴转角φ＝326CA 时缸内压力P=8.12Pa，温度T＝528K。总网格数目＝404314，节点数＝2864059，网格单元面数＝34103。
上述4 个不同曲轴转角时刻所对应的混合气流过截面（图8）的流量Q（kg/s）随时间T(s)的变化关系为（图9）：

图9

5 结论

通过数值模拟，可以得到如下结论：

(1) 在模拟的4 种工作状况下，得出混合气流量随时间的变化关系。
(2) 根据压力和流场图可以得出，在采集时间极短的情况下，采集到的混合气是由火花塞附近流出的，这样就为混合气浓度的分析提供了可靠的依据。
(3) 从流量图9 可以看出，在T＝0.2×10-3s 时刻前，由于火花塞处孔径小，混合气的流量开始逐渐增大，该时刻后，流量急剧增加，这是由于气缸和容器内部的压力差造成的。
(4) 根据上图的对比可以看出，当φ＝326CA 时刻，由于缸内压力较低，所以此时的流量较其它曲轴转角时刻低，而在φ＝343.9CA 时刻，气缸内部压力达到15 个大气压，温度高，所以该时刻的气流量大。
(5) 在开始采集混合气的时间持续到0.36ms 时，混合气流量达到最大，在此之后，流量趋于平稳，这是由于缸内的气体流量不断的增加使得气缸内和容器内的压力差趋于平缓造成的。
(6) 由于检测混合气浓度的方法很多，例如，质谱分析仪、排烟分析仪，根据其检测灵敏度，采集适量的混合气。
(7) 在采集时间很短的情况下，同时要保证采集出的混合气是来自火花塞附近，所以采集的混合气量不会很多，因此有可能达不到分析仪器的检测范围，此时可以在相同曲轴转角位置时刻多次进行混合气的采集，取其平均值。也可以进行多次三维数值模拟计算，对容器的几何进行优化设计，使采集到的混合气浓度不会过浓或过稀。
(8) 由于采集时间相对较短，所以伺服电机的动作灵敏度要求高。
(9) 经过以上分析，可以得出本次动态采集火花塞处混合气的数值模拟结果与理论情况相吻合，对接下来的实验将会给予指导。

参考文献
1 Star-CD v3.15 参考手册(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/16/2005)


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