汽油機缸內(nèi)氣流瞬態(tài)運動及近壁流動特性的實驗與模擬研究.pdf

1、實現(xiàn)缸內(nèi)流動狀態(tài)的有效控制，是內(nèi)燃機燃燒控制與優(yōu)化的關鍵問題。然而，內(nèi)燃機中氣流運動具有明顯的非定常性，給氣流運動的控制帶來很大困難。為了深入理解內(nèi)燃機湍流運動，實現(xiàn)缸內(nèi)氣流的有效控制，本文從進氣流動測試評價方法、缸內(nèi)瞬態(tài)流動規(guī)律、近壁流動特性，以及復雜流場的準確預測四個方面開展了研究，主要內(nèi)容與結論如下：
　　進氣流動測試評價方法方面，針對滾流運動測試方法尚沒有形成統(tǒng)一標準的問題，基于角動量守恒定律進行了理論分析，采用穩(wěn)流試驗與

2、PIV(particle image velocimetry)激光診斷相結合的方法，分析了不同參數(shù)對滾流測量結果的影響，并與理論分析相印證。研究表明，測試裝置參數(shù)的變動導致滾流強度的差異明顯。其中，過小的模擬缸套出口直徑導致缸內(nèi)流場畸變，滾流強度大幅增加，最大增幅達4倍。通過優(yōu)化測試系統(tǒng)結構可以消除對滾流強度的過高估計，實現(xiàn)不同測量結果的合理轉(zhuǎn)化。
　　缸內(nèi)瞬態(tài)流動規(guī)律方面，采用PIV方法在光學發(fā)動機上研究了可變氣門升程對缸內(nèi)氣流

3、運動瞬態(tài)特性及其循環(huán)變動的影響。研究表明，當氣門升程曲線發(fā)生改變時，流場形態(tài)隨之發(fā)生顯著變化。在高的最大氣門升程工況，缸內(nèi)可以形成大尺度滾流并保持到壓縮上止點前80°CA左右；在低的最大氣門升程工況則無法形成保持到壓縮后期的大尺度滾流，在壓縮后期80°CA BTDC滾流強度近似為0。瞬態(tài)流場的循環(huán)變動受氣門升程曲線變化影響顯著。低的最大氣門升程下，滾流渦心循環(huán)變動達到高升程時的1.4倍，低頻脈動流場循環(huán)變動比高升程時提高28％。滾流運動

4、的減弱，以及強進氣射流對流場低頻脈動的激發(fā)是導致缸內(nèi)流場循環(huán)變動加劇的主要原因，組織大尺度流動(滾流或渦流)可以抑制缸內(nèi)氣流循環(huán)變動。
　　近壁流動特性方面，采用microPIV(micro particle image velocimetry)方法對汽油機缸內(nèi)近壁流動特性進行了研究。結果表明，近壁區(qū)域存在受分子粘性影響明顯的粘性區(qū)域，在氣缸下側(cè)邊界層分離區(qū)出現(xiàn)大量小尺度渦團結構，尺度約1~2mm。粘性底層厚度隨氣門升程的升高和氣

5、道壓差的增大而減小，在高升程大壓差下(氣門升程7.975mm，氣道壓差1kPa)粘性底層厚度僅為0.3mm左右。在粘性底層，無量綱速度分布呈線性，與壁面律吻合良好，而在對數(shù)層不存在明顯的對數(shù)律分布區(qū)，且曲線斜率隨壓差的增大而增大。近壁雷諾應力(采用壁面摩擦速度規(guī)范化)變化趨勢與管道流動相似，但由于缸內(nèi)復雜流場包含非穩(wěn)態(tài)流動導致的低頻脈動分量，而不僅僅是湍流脈動，導致數(shù)值上(對于雷諾應力流向分量)達到管道流動的5倍。
　　缸內(nèi)復雜流

6、場的準確預測方面，由于缸內(nèi)近壁流動分布規(guī)律與管道流動的差異，導致基于對數(shù)律速度分布導出的近壁處理方式不再適用。采用IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)方法預測內(nèi)燃機近壁流動和進氣射流導致的大尺度分離流動取得了很好效果。IDDES模擬捕捉到了進氣射流的準周期性波動。氣體在氣門盤邊緣發(fā)生邊界層分離，不斷有渦準周期性脫落，對進氣射流產(chǎn)生擾動。進氣射流的擬序流場中存在明顯的旋渦結構，并

7、且旋轉(zhuǎn)方向呈現(xiàn)準周期性翻轉(zhuǎn)。進氣射流的周期性波動直接影響射流下游區(qū)域邊界層流動，導致邊界層內(nèi)流動出現(xiàn)頻繁的剝離和再附著，是導致內(nèi)燃機缸內(nèi)流動異于管道流動的主要原因。將IDDES模型應用于內(nèi)燃機瞬態(tài)工況缸內(nèi)流動模擬。大尺度平均流場與光學發(fā)動機實驗結果吻合良好。對于缸內(nèi)近壁流動，壓縮后期，缸內(nèi)空氣溫度和密度大幅增加，空氣運動粘度降低，粘性底層速度線性分布區(qū)域擴大到y(tǒng)+=15~20。缸內(nèi)流場擬序結構和湍動能分布顯示，進氣射流及壁面剪切作用是缸