基于AVL-Fire的柴油机缸内燃烧仿真模拟

程清波，卢莉莉，耿莉敏，王城

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

基于AVL-Fire的柴油机缸内燃烧仿真模拟

程清波，卢莉莉，耿莉敏，王城

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

对于柴油机来说，燃烧过程的好坏直接影响着发动机的动力性、经济性和排放性。文章运用CFD软件AVL-Fire对某柴油机的燃烧过程进行仿真模拟，建立燃烧室三维模型，划分计算网格，选择合适的计算模型，初始条件，边界条件进行数值计算，并对仿真结果进行描述，分析其速度场、温度场和压力场，为燃烧室优化设计提供参考。

柴油机；仿真；燃烧室；燃烧过程

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.011

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)11-28-02

前言

发动机缸内燃烧过程研究是内燃机设计与研发领域的关键部分。近年来，随着计算流体力学的发展与进步，国内外各研究机构都开展了相应的研发计划，数值模拟技术愈来愈成为发动机研发者青睐的方法，并引领着发动机的进步与革新。目前，发动机缸内燃烧数值模拟的研究已取得一定成果。本文采用奥地利AVL公司开发的内燃机燃烧模拟专用CFD软件Fire，分析柴油机的缸内燃烧情况，以期进行改进[1]。

1、气缸内网格划分与计算模型选取

1.1三维模型的建立及网格划分

根据某柴油机的实际形状，以Fire软件中的ESE Diesel模块为平台，适当简化建立燃烧室的二维平面模型，由于活塞是对称形状，燃烧室的一半如图1所示：

图1　燃烧室二维模型

使用Fire软件ESE Diesel模块生成网格，网格质量较高。ESE Diesel模块会根据需要对燃烧室部分区域网格进行细化，以达到较好的计算效果，三维立体动网格由平面网格旋转得到，所选柴油机是四孔喷油器，为了简化计算模型，取整个燃烧室的1/4为计算域，网格数为31324个[2]。如图2所示：

图2　三维立体动网格

1.2计算模型的选取

计算模型的选取对于计算结果具有重要的影响，本文湍流模型选择的是K-Zeta-F双方程湍流模型，燃烧模型选择Coher-ent Flame Model，喷雾破碎模型采用WAVE离散模型，碰壁模型选择Walljet1，喷油提前角为20°，喷油持续角为15°，以压缩上止点为720°，计算曲轴转角范围为540～800°[3]。

2、计算结果及分析

分别选取714°和720°曲轴转角的云图，分析其速度场、温度场和压力场。

2.1速度场分布

图3　速度场分布云图

如图3所示，714°曲轴转角，喷油油束中心区域呈现高速，向外围速度逐渐减弱，喷雾油束及火焰碰到活塞壁面后，向周边扩散，也呈现较高的流速，而处于气缸中心轴线附近区域，流速相对较低；720°曲轴转角，燃油喷雾已经结束，气缸内流体流速整体降低，最高速度出现在燃烧室凹坑中心附近的火焰区，随着火焰向周边扩散，速度逐渐降低。

2.2温度场分布

如图4所示，喷油器在700°时开始喷油，持续到715°，当在714°的时候，喷雾火焰在碰壁后向活塞ω型凹坑处传播，在活塞凹坑处形成浓混合气，这个区域流体温度最高，在喷雾火焰燃烧经过的区域温度也较高，而在气缸中心轴线附近以及活塞顶平面与气缸盖底部狭缝的边缘处，由于喷雾火焰未能传播到，流体温度逐渐降低；720°曲轴转角，活塞到达上止点，随着燃烧的进行，缸内温度进一步升高，缸内温度分布呈现了新的变化，其中在活塞ω凹坑上方，由于火焰碰壁后产生的反射与卷曲，在这一区域出现高温，向四周温度逐渐降低，其中在气缸中心轴线附近以及活塞顶部平面与气缸盖底部狭缝靠近气缸壁边缘处，温度相对较低[4]。

图4　温度场分布云图

2.3压力场分布

图5　压力场分布

如图5所示，714°曲轴转角，喷油器喷油已经进入末期，燃烧进入速燃期，缸内压力的整体分布比较均匀，其中在燃烧室的截面突变处，产生局部高压，在活塞顶部平面与气缸盖底部的狭缝区域，压力较高，由于缸内气流运动和截面突变处的节流作用，低压区出现在了气缸盖底部燃烧室形状变化较明显处；720°曲轴转角，活塞到达上止点，随着燃烧的进行缸内压力有了大幅度的提高，达到1.2177x107Pa，此时高压区出现在活塞ω形状的凹坑处，向上部和气缸中心区域流体压力略有降低，但整个缸内区域的压力分布变化不大，比较均匀。

3、结束语

本文利用AVL Fire软件对某柴油机的燃烧过程进行了模拟计算，并在模型准确的基础上，分析了燃烧过程的速度场、温度场和压力场，模拟结果显示：该燃烧室可以组织强烈的气流运动，燃油的雾化蒸发和燃烧迅速，缸内压力整体水平较高，但油束雾化不均匀，局部区域燃烧不充分等不足之处仍有待改进。

[1]焦运景.车用直喷式柴油机燃烧过程的多维数值模拟研究[D].天津大学.2006.

[2]王红红.船用高速柴油机缸内燃烧过程综合研究[D].哈尔滨工程大学.2013.

[3]蒋超宇,姚国仲.生物柴油-乙醇-柴油混合燃料的燃烧过程模拟与分析[J].现代电子技术.2014(10）：5-11.

[4]沈凌飞.柴油机掺烧生物柴油燃烧过程的数值模拟研究[D].江苏大学，2015.

Simulation of diesel engine cylinder combustion simulation based on AVL-Fire

Cheng Qingbo, Lu Lili, Geng Limin, Wang Cheng
( Chang’an University Automotive Institute, Shaanxi Xi’an 710064 )

For diesel engine, the combustion process has a direct impact on the performance of the power, economy and emission of the engine.In this paper, CFD software AVL-Fire is used to simulate the combustion process of a diesel, established three-dimensional model of the combustion chamber, divided computing grid, selected the appropriate calculation model, initial conditions, boundary conditions for numerical calculation,and the simulation results are described, the velocity field, temperature field and pressure field are analyzed to provide the reference for the combustion chamber optimization design.

Diesel; Simulation; Combustion chamber; Combustion process

U467.3

A

1671-7988(2016)11-28-02

程清波，（1987-），硕士研究生，就读于长安大学汽车学院动力工程专业。