打开文本图片集

摘 要：发动机台架试验基于不同的工况，往往需要大量的试验，就导致试验成本居高不下。在如此庞大的的试验量下，就需要用到仿真软件来减少试验成本。美国Convergent Science Inc.开发的通用三维CFD软件Converge不仅包含了关于喷射、壁面薄膜、点火、湍流、燃烧和排放等过程的子模型以及一个化学反应的求解器SAGE，而且还成功地解决了CFD领域中非常棘手的动网格问题。文章通过本软件构建出燃烧室模型，并验证模型的准确性，为相关试验提供仿真方面的帮助。

关键词：台架试验;CONVERGE;模型构建中图分类号：U472.6  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）20-40-04

The Engine Combustion Chamber Model Building Based on CONVERGE Software

Lin Yu

（Fujian Chuanzheng Communications College， Department of automobile application engineering， Fujian Fuzhou 350007）

Abstract： Engine bench test is based on different working conditions， which often requires a large number of tests， resulting in high test cost. In such a large test volume， simulation software is needed to reduce the test cost. The Convergent Science Inc.， the development of the general three-dimensional CFD software Converge not only contains about spraying， surface film， ignition， turbulence， combustion and emission process of sub model and a chemical reaction of the solver SAGE， but also successfully solves the tricky dynamic grid issues in the field of CFD. In this paper， the combustion chamber model is built by this software， and the accuracy of the model is verified， so as to provide simulation help for relevant tests.Keywords： Bench test; CONVERGE; Model buildingCLC NO.： U472.6  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）20-40-04

前言

隨着计算机技术的快速发展，制造工业已经开始从原始的纯机械技术走向数字控制、精确计算的智能时代，发动机的研发也迈入了计算机技术辅助设计、制造的时代。目前，计算流体动力学（CFD）以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体动力学的各类问题进行计算机模拟，逐步成为发动机燃烧领域一个不可替代的工具。目前我们所熟知的市场上比较流行的商业CFD软件有比较多，常见的比如Fluent、ABAQUS、KIVA、AVL FIRE、Converge等。

本文对发动机缸内燃烧过程的计算机分析运用了由美国Convergent Science Inc.开发的通用三维CFD软件Converge 2.2版本^[1]。

本软件成功地解决了CFD领域中非常棘手的动网格问题，完全自动化的网格生成能适合于从简单到非常复杂的所有几何模型，这不仅消除了网格划分的时间，而且极大地提高了软件的使用效率。

1 发动机气缸燃烧室模型构建

在使用Converge软件进行仿真的第一步就是先构建发动机气缸的燃烧模型。

首先，根据试验的SL4108ZLQ柴油机说明书上气缸的尺寸在三维制图软件上画出气缸的三维图，之后将三维图导入Converge软件。以下为发动机各项参数：

表1  SL4108ZLQ柴油机参数

在将三维图导入Converge软件之后，通过三维制图软件自带的数据转换接口，将实体模型转化成STL格式输出，并导入到Converge中。

图1  燃烧室模型

图2  燃烧室网格模型

计算模型基础网格采用4mm，计算区域由活塞上表面、气缸壁和缸盖底面所围成区域组成，计算时刻并不是整个四冲程的循环，而是进气门关闭到排气门开启之间（-132°CA至126°CA）。至于网格划分，Converge这款软件的优点之一就是可以自动划分网格。Converge中的网格自适应技术、处理复杂几何模型和移动边界的能力以及丰富的喷射和燃烧模型，也使其成为模拟天然气─柴油双燃料发动机工作过程最理想的工具。

2 燃烧室各模型选择

在Converge燃烧仿真中，需要选择湍流、液滴和燃烧模型，选择合适的模型会使得仿真结果更加接近真实值。

2.1 燃烧室中湍流模型

湍流模型本文选用得是雷诺平均法RANS（Reynolds Averaged Navier-Stokes）。RNG（RNGκ-ε）方法的基本思想是通过在空间尺度上一系列连续的变换，对本来非常复杂的系统或者过程实现粗辨别率或“粗粒化”的阐述，简化问题，使其更容易得到解决。

在雷諾平均法中，RNGκ-ε模型在内燃机流畅结构、传热及燃烧排放物预测方面比标准κ-ε模型更接近实测值，所以本文中湍流模型选择为RNGκ-ε模型。

图3  湍流模型的分类

2.2 燃烧室中液滴模型

Converge中液滴模型包含液滴破碎模型、液滴碰撞模型和液滴蒸发模型。

双燃料发动机中，引燃柴油的作用是作为点火源，点燃作为主要燃料的混合气，为天然气与空气的混合气燃烧提供点火能量。虽然引燃柴油的质量并不是很多，但是，引燃柴油的雾化程度将会影响缸内火焰传播速度和燃烧质量，因此喷雾模型的选择对于双燃料发动机的缸内燃烧显得非常重要。

Converge中自带的液滴破碎模型有KH（Kelvin-Helm -holtz）模型、RT（Rayleigh-Taylor）模型、KH-RT混合模型、KH-ACT模型和TAB（Taylor Analogy Breakup）模型。

本文选用的液滴破碎模型为修正KH-RT模型，由KH模型控制初次破碎，并在此过程中产生自液滴;后续液滴破碎则由KH与RT模型竞争机制决定。因为KH─RT混合模型同时考虑KH与RT两种模型的机制，既考虑气液流体相对运动以及粘性力作用，又考虑基于离散液滴的分裂雾化，在气液界面的法向存在由于两相之间密度的巨大差别而产生惯性力，引起的扰动波的影响。KH-RT喷雾破碎模型的后续雾化于其他几种模型。这是由于KH-RT喷雾破碎模型喷雾贯穿距高，雾化效果更好^[2]。

图4  KH─RT喷雾破碎模型示意图

据KH-RT喷雾破碎模型示意图，KH-RT模型假定液滴气泡初始直径与喷射器喷嘴相同，在这模型中，KH模型在特征破碎距离内发生作用，而在特征破碎距离以外，KH和RT才开始共同作用。

本文选择的修正KH-RT模型就是将液滴破碎细分为初次破碎和二次破碎，由KH模型控制液滴的初次破碎，并在此过程中产生子液滴，子液滴的再次破碎被形容为二次破碎，二次破碎则由KH与RT模型竞争机制决定。

双燃料发动机引燃柴油的喷射是在密闭的、狭小的缸内完成的，而由于空间的限制，柴油液滴之间不可避免的会因为相对运动而产生相互之间的摩擦和碰撞，我们称此现象为液滴碰撞现象。

关于液滴的碰撞仿真，目前普遍采用的是O’Rourke创立的统计模型，本文也选择这个被广泛应用的液滴碰撞模型。该模型对液滴碰撞的仿真结果是根据Brazier-Smith的水滴碰撞结果，并且简化了碰撞结果，只考虑了聚合与摩擦分离两种可能。

当燃油喷入到模拟的计算域中时，需要通过构建计算模型将液体转换为气体蒸汽。蒸发模型则同样选择被多篇论文中采用的Frossling算法模型。

2.3 燃烧室中燃烧模型

天然气混合气在双燃料发动机燃烧过程属于预混合燃烧，本设计方案中，天然气和空气在进入气缸前就已经在进气道混合完成，在Converge自带的燃烧模型中，SAGE化学求解模型和G-Equation燃烧模型能够模拟预混合燃烧模型。

本文的燃烧模型选用的是SAGE化学求解模型，该模型允许用户将CHEMKIN输入文件与详细化学动力学原理相结合运用到发动机的燃烧模拟中，形成一套标准的化学机理文件。Converge中已经导入了求解的必要程序，因此可以免除安装求解器的过程。SAGE与AMR（自适应网格）相结合，可以很好的预测许多燃烧现象，如点火、预混合、混合气的控制等。

有研究表明^[3-4]，基于Converge的SAGE燃烧模型，通过软件数值模拟得到的火焰形状以及温度场的分布情况相比于实验结果比较准确，火焰中心温度要比火焰边缘的温度略低，因此本文认为SAGE燃烧模型可以准确预测天然气─柴油双燃料发动机缸内的燃烧过程。

2.4 排放模型

Converge在排放方面提供了碳烟（soot）和氮氧化物（氮氧化物）的子模型，其他排放物，如一氧化碳、一氧化碳、未燃碳氢化合物等，也可以通过调用Converge中的“mech. dat”文件，再结合部分被激活的燃烧模型计算得出。

碳烟是柴油机的一个很重要的污染排放，碳烟的生成量可以分析双燃料发动机的引燃柴油的喷射量。

氮氧化物是近年来十分被重视的污染物，氮氧化物的生成量可以分析气缸内燃烧的温度和氧气浓度。

本文分析排放是直接从Converge输出的文件里调出“emissions.out”文件来获得各个排放物随着曲轴转角的变化所生成的质量。

3 初始和边界条件

在Converge的仿真开始之前，要对已经构建的计算模型进行初始条件和边界条件的设定，使得构建的计算模型能够比较准确模拟发动机的实际工作情况。下表给出了本次计算模型的初始和边界条件。

表2  计算模型初始和边界条件

4 燃烧模型验证

为验证所构建的燃烧模型的可行性，在没有燃烧分析仪支持的条件下，我们通过同工况下的相关仿真结果和实际台架实结果的一致性来验证燃烧模型的有效性和可行性。

在25%油门开度1300r/min的工况点进行仿真计算，并和实验数据进行对比分析。

图5  示功图

由图5可以计算出曲线围成的单缸每循环指示功为996.3W，根据功率的计算公式：

通过公式（1）可以算出仿真计算出柴油机单缸的功率為12.45kW，四缸的指示功率就是49.8kW。而实验测得的同等工况下的有效功率为48.34kW。有效功率是指示功率扣除机械损耗之后的功率，由于台架实验测功机与发动机通过联轴器直接相连，机械损耗只有发动机内部的一小部分摩擦等损耗。因此在论文中看作两者近似相等。因此，可以认为在动力性上，Converge软件的仿真结果是准确的。

图6  碳氢化合物排放

排放的比较本文选取双燃料发动机里十分典型的排放物，碳氢化合物。根据实验数据，该工况下碳氢化合物的排放为93ppm，根据反应前后质量守恒的原则，可以通过喷入气缸的柴油量、天然气量和进入的空气大致计算出试验所得的碳氢化合物质量为0.124g，仿真计算的结果为0.112g。从试验数据和仿真计算结果对比可以得到，两者之间的结果误差在10%以内。考虑到仿真时本文选择的计算模型并不是最精确的计算模型，而且仿真必定有误差的存在。因此，认为

碳氢化合物的排放结果是准确的。

还有碳氧化合物以及氮氧化物等排放，通过比较，发现仿真计算的数值和试验值相差在10%以内，因此认为燃烧室的仿真模型是合理和有效的。

5 总结

本文构建了发动机气缸的燃烧室模型，并且在其它计算模型的子模型里通过分析以及查看其它国内外的文献资料，对比文献资料里的发动机各项参数，为本文选定了湍流、液滴和燃烧三个模型以及初始条件和边界条件。

根据理论计算的天然气喷气量和试验数据中动力性接近单燃料模式下的天然气喷气量进行对比，选定仿真计算时天然气进气量的计算方法，并进行了实验验证仿真模型的准确性，为之后需要的仿真计算和分析打下理论基础。

参考文献

[1] K J Richards，P K Senecal，and E Pomraning，Converge（Version2.1.0 Manual， Convergent Science Inc.， Middleton，WI，2014）.

[2] 邵利民，徐洪军，常汉宝.KH-RT模型对高压喷雾特性仿真影响的研究[J].系统仿真学报，2009（21）：P7778-7781，7785.

[3] Som S，Aggarwal S K. Effects of primary breakup modeling on spray and combustion characteristics of compression ignition engines. combustion and Flame，2010，157：1179-1193.

[4] 孔彤.车用汽油机冷启动混合气形成及碳氢排放的数值研究：[D].湖南大学硕士学位论文，2013.

作者简介：林煜（1992-），男，助教，就职于福建船政交通职业学院，研究方向：汽车检测与维修。