内燃机工作过程与燃烧室传热三维多场耦合模型研究

摘要

发动机现代分析技术是发展高效、低排放与高可靠性发动机的重要工具,其中,发动机工作过程数值分析和发动机传热与热负荷分析是最重要工具之一。由于发动机结构的复杂性以及工作过程的多变性,长期以来,国内外的研究工作都是分别进行发动机工作过程分析和结构分析,但由于发动机性能分析中涉及到的气体域温度场、压力场、速度场等与发动机结构分析中涉及到的固体域温度场、热应力场是一种相互影响的关系,只有建立完整及全面的发动机工作过程与发动机结构传热与热负荷的多场耦合模型,才能有效地考虑他们之间的相互影响和作用,设计出高性能和高可靠性的发动机。
　　本文建立了一种基于有限元和CFD分析的内燃机工作过程与燃烧室传热三维多场耦合模型,其中工作过程计算中的流体域采用结构化六面体网格进行离散,燃烧室部件热传导分析中的固体域采用非结构化四面体网格进行离散,提出了两种应用于气—固耦合的网格生成策略,建立起了气—固瞬态传热联系。发展了燃烧室耦合部件传热有限元计算程序,改进了KIVA程序,并且建立了有限元计算程序与KIVA之间的接口程序。然后以此为基础,研究了燃气温度、对流换热系数的时空非均匀性分布对燃烧室壁面温度的影响,以及分析壁面温度非均匀性分布对缸内流动、燃油蒸发、排放产物生成的影响。结果显示:(1)燃烧室壁面附近燃气的温度、对流换热系数不均匀分布对燃烧室壁面(特别是活塞顶面)稳态温度场具有重要影响。(2)燃烧室壁面附近燃气的温度、对流换热系数不均匀分布对燃烧室壁面(特别是活塞顶面)瞬态温度场具有重要影响。但瞬态温度波对燃烧室部件的影响仅限于离燃气侧表面很近的区域。随着距离燃烧室壁面的深度的增加,瞬态温度波动变弱。当深度达到1.0mm时温度波动已经不明显,基本服从准静态温度分布。(3)燃烧室壁面附近燃气的温度、对流换热系数不均匀分布对燃烧室壁面热流量计算结果具有重要影响。燃烧室的各个表面的热流量在排吹阶段有较大差异。在排吹阶段,缸盖燃气侧表面出现了明显的温度波动,而此期间其它燃烧室表面则不存在明显的温度波动。此外,在燃烧室同一表面的不同区域热流量差异也较大。(4)燃烧室壁面温度不均匀性对缸内流动的影响非常微弱,分别采用均匀温度边界条件与非均匀温度边界条件得到的计算结果看不出明显差异。燃烧室壁面温度不均匀性对燃油蒸发的影响主要存在于燃油蒸发的早期,在接近压缩冲程末期时,燃烧室壁面温度不均匀性对燃油蒸发的影响非常弱。燃烧室壁面温度不均匀性对缸内排放物NOx、SOOT的生成有较大影响,壁面温度不均匀性对NOx的分布有一定的影响。

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1 绪 论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究概况

1.3技术关键

1.4 选题的目的

1.5本文的主要工作

2 内燃机工作过程与燃烧室传热三维多场耦合模型

2.1 前言

2.2气相/液相控制方程及其离散求解

2.3 固相控制方程及其离散求解

2.4气体/液体（壁面油膜）—固体传热模型

2.5小结

3 四气门汽油机分块结构化贴体网格的建立

3.1 引言

3.2 基于k3pre的多气门燃烧室发动机动网格生成

3.3基于ICEM的多气门燃烧室发动机动网格生成

3.4小结

4 基于气—固耦合的燃烧室多体零件系统三维传热研究

4.1 引言

4.2 基于三维气—固耦合的燃烧室多体零件系统传热计算流程

4.3 基于三维气—固耦合的燃烧室多体零件系统稳态温度场研究

4.5基于三维气—固耦合的燃烧室壁面热流量研究

4.6小结

5 基于气—固耦合的内燃机三维工作过程研究

5.1引言

5.2基于气—固耦合的三维工作过程模拟程序

5.3壁面温度不均匀性对进气道—缸内—排气道流动的影响

5.4壁面温度不均匀性对燃油蒸发的影响

5.5壁面温度大小及不均匀性对排放的影响

5.6小结

6 工作过程与燃烧室三维气—固耦合模型的计算研究

6.1瞬态传热程序计算结果与分析解的对比

6.3三维气—固耦合传热计算的收敛性

6.4实验验证

6.5小结

7 结论与展望

7.1 全文工作总结

7.2 今后工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目