CN108133079A - 内燃机缸内湍流场拟序结构提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机缸内湍流场拟序结构提取方法，采用大涡模拟和速度梯度张量不变量法则相结合的方法来实现对缸内流场拟序结构进行提取，其步骤为：第一步构建适用于内燃机的大涡模拟模型；第二步使用大涡模拟来获得内燃机缸内高瞬态、强涡旋的湍流场数据库；第三步采用速度梯度张量不变量法则来获得缸内拟序结构特性。该方法有利于人们正确理解缸内气流运动的变化规律，为实现缸内流动的合理的预测、有效组织和控制奠定基础，对拟序结构的科学提取和研究还将有利于人们正确理解湍流的本质以及建立合理的湍流理论。

Description

内燃机缸内湍流场拟序结构提取方法

技术领域

本发明涉及一种内燃机缸内瞬态湍流场信息的获得和加工环节，可实现缸内湍流场拟序结构的提取。

背景技术

在各种湍流运动形式中，内燃机缸内湍流流动可以说是最为复杂的一种运动之一。当发动机工作时，其缸内气体充量始终在进行着极其复杂而又强烈瞬变的湍流运动。该运动不仅具有单循环高度的不定常性，同时又具有多循环变化的高度随机性。这种湍流运动是发动机工作和燃烧过程中各个物理化学子过程的共同的基础。它决定了各物理量在缸内的输运及其空间分布，其对可燃混合气的形成及浓度场、火焰传播速率和燃烧品质、缸壁的传热以及污染物的形成等都具有直接的、本质的影响，强烈地影响到发动机的燃油经济性和排放水平。

在内燃机运行过程中，缸内流场存在着涡流、挤流和滚流等大尺度的宏观运动形态，其中那些含能的大尺度拟序结构，其结构的生长、空间分布的演变以及能量的增减均对缸内流场特性产生最直接的影响，然后影响到燃油的雾化效果和空间分布，以及火焰的传播特性等，进而对发动机的经济性、动力性以及排放特性产生影响，所以对缸内湍流场拟序结构特点进行研究，认识其发展规律，将有利于全面了解内燃机工作特性，进而实现通过控制缸内拟序结构来影响湍流场流动特性，然后再影响到喷雾、燃烧等物化过程。由于缸内拟序结构会经历复杂的演变，其在不同的冲程阶段有着不同的形态结构和空间分布，并对整个缸内湍流场有着不同程度的影响作用。所以要想科学合理的描述缸内流场拟序结构的特性及其演变规律，就必须依据科学先进的技术方法。

由于拟序结构呈现瞬时三维立体性，传统的流动显示法并不能对其进行全面观测，且无法定量测量流场流速，只能提供有限的直观图像。现在随着激光诊断技术的发展，粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)被大量的应用到拟序结构的研究中。但二维的PIV技术仍无法对拟序结构进行全方位立体观测，而三维PIV技术目前尚不成熟。激光测试方法有激光多普勒测速(Laser Doppler Velocimetry,LDV)具有响应快，可进行实时测量，测量范围广等优点。但是，对于瞬变、强循环变动的缸内流场，LDV只能得到流场空间单点信息,无法得到缸内某一瞬时的空间流场分布。

幸运的是，大型高速计算机的出现，为研究者们提供了先进的技术手段来突破现有试验方法的局限性，创造了研究湍流脉动及拟序结构的便利条件。通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟计算，三维瞬态湍流场可以得到精确再现，瞬态流场的所有信息均可以被获取。在CFD数值模拟方面，传统湍流研究方法是将湍流运动分解成平均运动与脉动运动两部分，其中脉动运动被视为完全不规则的随机运动，即雷诺平均法。该在解决实际工程问题中发挥了重大的作用，但是由于进行了时间平均操作，湍流场时空脉动信息细节会被丢失。

拟序结构是一种在时间上具有准周期性，空间上具有一定随机性的较大尺度涡团形态，携带着较大比重的流场能量，并对流场湍动能的产生和湍流的维持具有决定性作用。拟序结构周围不仅充斥着复杂的背景湍流，且其本身也在不断地变动。通过实验观察或数值计算，得到的流场信息处于原始状态，若通过定义合适的数学方法从湍流场信息数据库中将拟序结构信息与背景湍流信息区分开，则有助于人们对拟序结构以及湍流的本质有进一步深入的理解和认识。对拟序结构成功提取是研究其特性的关键步骤，该过程需建立在运用科学的数学加工方法基础上。此时所选用的数学方法对拟序结构的识别有着直接的影响。目前人们多采用涡动力学方法来刻画拟序结构，但是由于涡量法对流体的剪切运动和真正的涡团转动并不能进行有效区分，故该方法不能作为提取拟序结构的有效工具。

发明内容

本发明的目的是建立一种可行高效的方法来刻画内燃机缸内拟序结构，为实现对其合理的预测、有效组织和控制提供可靠的技术指导，而提出一种内燃机缸内湍流场拟序结构提取方法，该方法将采用先进的数值模拟方法(大涡模拟)和科学的数学分析方法(速度梯度张量不变量法则)相结合来实现对缸内流场拟序结构进行有效的提取。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种内燃机缸内湍流场拟序结构提取方法，采用大涡模拟和速度梯度张量不变量法则相结合的方法来实现对缸内流场拟序结构进行提取，其步骤为：第一步构建适用于内燃机的大涡模拟模型；第二步使用大涡模拟来获得内燃机缸内高瞬态、强涡旋的湍流场数据库；第三步采用速度梯度张量不变量法则来获得缸内拟序结构特性。

构建适用于内燃机的大涡模拟模型的具体方法为：采用亚网格非粘性动态结构模型，来克服多数现有模型的不足，将亚网格应力表示为亚网格湍动能的函数，通过求解亚网格湍动能输运方程来实现对亚网格应力较准确的模拟进而获得亚网格信息，避免传统模型容易获得不合理粘性系数现象发生；同时以实验数据为依据从模型的精确度、稳定性和计算效率三方面着眼，对构建的模型进行的修正；应用大涡模拟方法时，首先对流场进行过滤操作，将原流场分解成大尺度量和小尺度量两部分，其中大尺度量可通过数值计算直接获得，小尺度量则需要进行模型化处理，以反映其对整体流场的影响；当流场某点瞬态速度u_i可分解为大尺度脉动速度和亚网格脉动速度u_i'：

其中的大尺度量通过如下密度加权过滤操作获得：

G(x,y)是过滤函数，在定义域上满足：

∫_vG(x,y)dy＝1 (3)

进行大涡模拟计算时，压缩牛顿流体被过滤后得到的连续性方程可表示为：

其中表示组分亚网格质量对流；

动量方程：

其中，表示大尺度应力；

表示大尺度应变率；

表示亚网格应力将公式2.1代入亚网格应力表达式得：

其中叫做leonard应力，表示大尺度脉动之间相互作用；叫做交叉应力，表示大尺度脉动和亚网格脉动之间的相互作用；叫做亚网格雷诺应力，表示亚网格脉动之间的相互作用；

能量方程：

其中表示亚网格能量对流；

表示大尺度热流密度；

表示亚网格粘性力作功；

表示亚网格压力应变；

以上的亚网格相Θ^sgs，Π^sgs均为不封闭项，由于Π^sgs较小，可忽略不计，其余几项均进行模化处理；亚网格组分质量对流项和亚网格能量对流项可通过梯度扩散假设来封闭：亚网格粘性力作功项Θ^sgs相似于亚网格湍动能耗散项Θ^sgs＝ε^sgs＝C_ε(K^sgs)^3/2/Δ，其中为亚网格湍动能；对于亚网格应力项的模型化通过构建亚网格应力模型来实现方程的封闭，即本方法使用的亚网格非粘性动态结构模型。

构建内燃机缸内湍流场数据库的具体方法为：为了实现对真实内燃机流场的模拟，根据实际内燃机样机进行实体建模，同时考虑四气门以及活塞的往复式变边界条件运动，在实验样机运行工况同条件下进行模拟计算，包括发动机在不同转速、不同气门定时和升程曲线、不同进气涡流比和滚流比、不同的进气压力的多种运行条件下的缸内流场循环变动信息；并根据实验数据对模拟结果进行评价，评价方式使用瞬态比对、相平均比对，最终得到可信的反馈信息，实现对内燃机缸内湍流场较准确的大涡模拟，进而构建出内燃机缸内湍流场数据库，为缸内流场拟序结构的提取提供原始数据。

缸内湍流场拟序结构的提取的具体方法为：

将采用Q准则来实现缸内湍流场拟序结构的提取，进而实现研究其在发动机完整工作过程中整个生命周期演变情况，以及在该过程中其对湍流场的影响：

用临界点理论将流场空间某点的速度分量进行泰勒展开，得到：

u_i＝(x_i)'＝A_i+A_ijx_j+A_ijkx_jx_k+… (9)

其一阶线性近似为u_i＝(x_i)'＝A_i+A_ijx_j，如果该点在临界点上，则零阶项A_i为0，于是得A_ij＝u_i/x_j即速度梯度张量，其特征方程为：

λ³+Pλ²+Qλ+R＝0 (10)

标量P表示流体微元沿对称轴变形，标量Q表示流体微元的剪切变形，标量R表示流体微元的体积变形，标量P、Q、R均与坐标系的选取无关，称为速度梯度张量第一，第二，第三不变量，Q准则法将速度梯度张量A_ij分解为对称的应变率张量S_ij和反对称的旋转率张量W_ij，前者代表着纯粹的无旋运动，后者代表着纯粹的旋转运动，此时的第二不变量Q可以表达为：

其中乘积W_ijW_ij与拟涡能成正比，S_ijS_ij与动能耗散率成正比，若流场某区域内Q值为正，则说明该处的流体微元以旋转运动为主导，若Q值为负，则说明该处流体微元的旋转运动较弱；通过选用正值Q来作为流场涡团的识别方法，Q值的大小可以反映出该区域内的涡团强度，这样通过对第二不变量Q的刻画，获得了的缸内瞬态拟序结构的形态特征，及其随时间变化的演变特征，成功实现缸内拟序结构的提取。

本发明的有益效果是：

本发明通过第一步构建适用于内燃机的大涡模拟模型；第二步使用大涡模拟来获得内燃机缸内高瞬态、强涡旋的湍流场数据库；第三步采用速度梯度张量不变量法则来获得缸内拟序结构特性。即可准确的获得内燃机缸内拟序结构特征。进而实现研究其在发动机完整工作过程中整个生命周期演变情况，以及在该过程中其对湍流场的影响。该方法有利于人们正确理解缸内气流运动的变化规律，为实现缸内流动的合理的预测、有效组织和控制奠定基础，对拟序结构的科学提取和研究还将有利于人们正确理解湍流的本质以及建立合理的湍流理论。

附图说明

图1为本发明的内燃机缸内湍流场拟序结构提取方法的流程图；

图2为内燃机三维计算模型；

图3为缸内瞬态速度场；

图4为缸内拟序结构图；

其中：(a)30℃A ATDC，(b)180℃A ATDC，(c)330℃A ATDC。

具体实施方法

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明的内燃机缸内湍流场拟序结构提取方法，首先通过使用大涡模拟来获得内燃机缸内高瞬态、强涡旋的湍流场，然后采用速度梯度张量不变量法则来获得缸内拟序结构特性。

由于大涡模拟的空间过滤思想可以在很大程度上实现保留流场的大尺度瞬态信息，故其对拟序结构的刻画将是客观的。大涡数值模拟方法的基本思路是：先对瞬态流场进行空间过滤，然后对被滤出的大尺度涡团进行直接模拟，对被滤掉的小尺度涡团进行模型化处理(亚网格模型)以模拟小尺度涡团对整个湍流场的影响。过滤尺寸对大涡模拟效果有着直接显著的影响，随着过滤尺寸的不断减小，小尺度涡团对整个湍流场的影响将会越来越弱，这时的计算结果将会越来越接近直接数值模拟(DNS)。尽管目前该方法对计算机硬件仍有较高的要求，但已远低于DNS方法的需求。

速度梯度张量不变量则是依据临界点理论(矢量场拓扑)，可以在不知道偏微分方程解的情况下，对所描述的系统进行有效分析。将流场信息反映在流体微元三种形式上，即沿对称轴变形，流体微元的剪切变形，流体微元的体积变形，且这三种形式均与坐标系的选取无关。本方法中将采用速度梯度张量Q准则法，即速度梯度张量分解代表纯粹的无旋运动应变率张量和代表纯粹的旋转运动应变率张量，然后根据两者的相对强弱关系来刻画拟序结构，从而克服流场剪切运动对拟序结构提取带来的干扰。

通过完成以上两步操作，即可准确的获得内燃机缸内拟序结构特征。进而实现研究其在发动机完整工作过程中整个生命周期演变情况，以及在该过程中其对湍流场的影响。该方法有利于人们正确理解缸内气流运动的变化规律，为实现缸内流动的合理的预测、有效组织和控制奠定基础，对拟序结构的科学提取和研究还将有利于人们正确理解湍流的本质以及建立合理的湍流理论。

本发明采用大涡模拟和速度梯度张量不变量法则相结合的方法来实现对缸内流场拟序结构进行提取。共分三个环节，第一步构建适用于内燃机的大涡模拟模型；第二步使用大涡模拟来获得内燃机缸内高瞬态、强涡旋的湍流场数据库；第三步采用速度梯度张量不变量法则来获得缸内拟序结构特性。技术方案流程图见图1。

第一步构建适用于内燃机的大涡模拟模型

针对内燃机缸内湍流场的高瞬态、强漩涡特点，建立合适的亚网格尺度湍流模型。由于常用的大涡模拟模型多是继承了雷诺平均方法里求解粘性系数的思路，通过构建亚网格粘性系数来实现对亚网格信息的模型化处理，并没有直接求解亚网格应力，计算常常得到不合理的粘性系数，增加了计算误差，本方案采用亚网格非粘性动态结构模型，来克服多数现有模型的不足，将亚网格应力表示为亚网格湍动能的函数，通过求解亚网格湍动能输运方程来实现对亚网格应力较准确的模拟进而获得亚网格信息，避免传统模型容易获得不合理粘性系数现象发生。同时以实验数据为依据从模型的精确度、稳定性和计算效率三方面着眼，对构建的模型进行必要的修正。

应用大涡模拟方法时，首先需要对流场进行过滤操作，将原流场分解成大尺度量(可解尺度)和小尺度量(亚网格量)两部分，其中大尺度量可通过数值计算直接获得，小尺度量则需要进行模型化处理，以反映其对整体流场的影响。如流场某点瞬态速度u_i可分解为大尺度脉动速度和亚网格脉动速度u_i'：

其中的大尺度量通过如下密度加权过滤(Favre过滤)操作获得：

G(x,y)是过滤函数，在定义域上满足：

∫_vG(x,y)dy＝1 (3)

进行大涡模拟计算时，可压缩牛顿流体被过滤后得到的连续性方程可表示为：

其中表示组分亚网格质量对流；

动量方程：

其中，表示大尺度应力；

表示大尺度应变率；

表示亚网格应力将公式2.1代入亚网格应力表达式得：

其中叫做leonard应力，表示大尺度脉动之间相互作用；叫做交叉应力，表示大尺度脉动和亚网格脉动之间的相互作用；叫做亚网格雷诺应力，表示亚网格脉动之间的相互作用。

能量方程：

其中表示亚网格能量对流；

表示大尺度热流密度；

表示亚网格粘性力作功；

表示亚网格压力应变；

以上的亚网格相Θ^sgs，Π^sgs均为不封闭项，由于Π^sgs较小，可忽略不计，其余几项均需进行模化处理。亚网格组分质量对流项和亚网格能量对流项可通过梯度扩散假设来封闭：亚网格粘性力作功项Θ^sgs相似于亚网格湍动能耗散项Θ^sgs＝ε^sgs＝C_ε(K^sgs)^3/2/Δ，其中为亚网格湍动能。对于亚网格应力项的模型化通过构建亚网格应力模型来实现方程的封闭，即本方法使用的亚网格非粘性动态结构模型。

第二步构建内燃机缸内湍流场数据库

为了实现对真实内燃机流场的模拟，需要根据实际内燃机样机进行实体建模，见图2。同时考虑四气门以及活塞的往复式变边界条件运动，在实验样机运行工况同条件下进行模拟计算，包括发动机在不同转速、不同气门定时和升程曲线、不同进气涡流比和滚流比、不同的进气压力等多种运行条件下的缸内流场循环变动信息。并根据实验数据对模拟结果进行评价，评价方式可使用瞬态比对、相平均比对等，最终得到较为可信的反馈信息，实现对内燃机缸内湍流场较准确的大涡模拟，进而构建出内燃机缸内湍流场数据库，为缸内流场拟序结构的提取提供原始数据，见图3。

第三步缸内湍流场拟序结构的提取

选择科学的数学方法从杂乱的背景湍流信息中将拟序结构进行提取。本方案将采用Q准则来实现该过程。由于Q准则是依据速递梯度张亮不变量原理，其可以反映流场当地纯粹旋转运动与纯粹无旋运动的相对强弱程度，能够克服流场剪切运动对拟序结构提取带来的干扰，故可以实现缸内湍流场拟序结构的提取，进而实现研究其在发动机完整工作过程中整个生命周期演变情况，以及在该过程中其对湍流场的影响。

临界点理论(矢量场拓扑)将流场空间某点的速度分量进行泰勒展开，得到：

u_i＝(x_i)'＝A_i+A_ijx_j+A_ijkx_jx_k+… (9)

其一阶线性近似为u_i＝(x_i)'＝A_i+A_ijx_j，如果该点在临界点上，则零阶项A_i为0，于是得A_ij＝u_i/x_j即速度梯度张量，其特征方程为：

λ³+Pλ²+Qλ+R＝0 (10)

标量P表示流体微元沿对称轴变形，标量Q表示流体微元的剪切变形，标量R表示流体微元的体积变形。这三个标量均与坐标系的选取无关，故又可被称为速度梯度张量第一，第二，第三不变量。Q准则法将速度梯度张量A_ij可分解为对称的应变率张量S_ij和反对称的旋转率张量W_ij，前者代表着纯粹的无旋运动，后者代表着纯粹的旋转运动。此时的第二不变量Q可以表达为：

其中乘积W_ijW_ij与拟涡能成正比，S_ijS_ij与动能耗散率成正比。若流场某区域内Q值为正，则说明该处的流体微元以旋转运动为主导，若Q值为负，则说明该处流体微元的旋转运动较弱。通过选用正值Q来作为流场涡团的识别方法，Q值的大小可以反映出该区域内的涡团强度。这样通过对第二不变量Q的刻画，获得了的缸内瞬态拟序结构的形态特征，及其随时间变化的演变特征，见图4，成功实现缸内拟序结构的提取。

Claims (4)

1.一种内燃机缸内湍流场拟序结构提取方法，其特征在于：采用大涡模拟和速度梯度张量不变量法则相结合的方法来实现对缸内流场拟序结构进行提取，其步骤为：第一步构建适用于内燃机的大涡模拟模型；第二步使用大涡模拟来获得内燃机缸内高瞬态、强涡旋的湍流场数据库；第三步采用速度梯度张量不变量法则来获得缸内拟序结构特性。

2.根据权利要求1所述的内燃机缸内湍流场拟序结构提取方法，其特征在于：所述构建适用于内燃机的大涡模拟模型的具体方法为：采用亚网格非粘性动态结构模型，来克服多数现有模型的不足，将亚网格应力表示为亚网格湍动能的函数，通过求解亚网格湍动能输运方程来实现对亚网格应力较准确的模拟进而获得亚网格信息，避免传统模型容易获得不合理粘性系数现象发生；同时以实验数据为依据从模型的精确度、稳定性和计算效率三方面着眼，对构建的模型进行的修正；应用大涡模拟方法时，首先对流场进行过滤操作，将原流场分解成大尺度量和小尺度量两部分，其中大尺度量可通过数值计算直接获得，小尺度量则需要进行模型化处理，以反映其对整体流场的影响；当流场某点瞬态速度u_i可分解为大尺度脉动速度和亚网格脉动速度u_i'：

其中的大尺度量通过如下密度加权过滤操作获得：

G(x,y)是过滤函数，在定义域上满足：

∫_vG(x,y)dy＝1 (3)

进行大涡模拟计算时，压缩牛顿流体被过滤后得到的连续性方程可表示为：

其中表示组分亚网格质量对流；

动量方程：

其中，表示大尺度应力；

表示大尺度应变率；

表示亚网格应力将公式2.1代入亚网格应力表达式得：

其中叫做leonard应力，表示大尺度脉动之间相互作用；叫做交叉应力，表示大尺度脉动和亚网格脉动之间的相互作用；叫做亚网格雷诺应力，表示亚网格脉动之间的相互作用；

能量方程：

其中表示亚网格能量对流；

表示大尺度热流密度；

表示亚网格粘性力作功；

表示亚网格压力应变；

以上的亚网格相Θ^sgs，Π^sgs均为不封闭项，由于Π^sgs较小，可忽略不计，其余几项均进行模化处理；亚网格组分质量对流项和亚网格能量对流项可通过梯度扩散假设来封闭：亚网格粘性力作功项Θ^sgs相似于亚网格湍动能耗散项Θ^sgs＝ε^sgs＝C_ε(K^sgs)^3/2/Δ，其中为亚网格湍动能；对于亚网格应力项的模型化通过构建亚网格应力模型来实现方程的封闭，即本方法使用的亚网格非粘性动态结构模型。

3.根据权利要求1所述的内燃机缸内湍流场拟序结构提取方法，其特征在于：构建内燃机缸内湍流场数据库的具体方法为：为了实现对真实内燃机流场的模拟，根据实际内燃机样机进行实体建模，同时考虑四气门以及活塞的往复式变边界条件运动，在实验样机运行工况同条件下进行模拟计算，包括发动机在不同转速、不同气门定时和升程曲线、不同进气涡流比和滚流比、不同的进气压力的多种运行条件下的缸内流场循环变动信息；并根据实验数据对模拟结果进行评价，评价方式使用瞬态比对、相平均比对，最终得到可信的反馈信息，实现对内燃机缸内湍流场较准确的大涡模拟，进而构建出内燃机缸内湍流场数据库，为缸内流场拟序结构的提取提供原始数据。

4.根据权利要求1所述的内燃机缸内湍流场拟序结构提取方法，其特征在于：缸内湍流场拟序结构的提取的具体方法为：将采用Q准则来实现缸内湍流场拟序结构的提取，进而实现研究其在发动机完整工作过程中整个生命周期演变情况，以及在该过程中其对湍流场的影响：

用临界点理论将流场空间某点的速度分量进行泰勒展开，得到：

u_i＝(x_i)'＝A_i+A_ijx_j+A_ijkx_jx_k+… (9)

其一阶线性近似为u_i＝(x_i)'＝A_i+A_ijx_j，如果该点在临界点上，则零阶项A_i为0，于是得A_ij＝u_i/x_j即速度梯度张量，其特征方程为：

λ³+Pλ²+Qλ+R＝0 (10)

标量P表示流体微元沿对称轴变形，标量Q表示流体微元的剪切变形，标量R表示流体微元的体积变形，标量P、Q、R均与坐标系的选取无关，称为速度梯度张量第一，第二，第三不变量，Q准则法将速度梯度张量A_ij分解为对称的应变率张量S_ij和反对称的旋转率张量W_ij，前者代表着纯粹的无旋运动，后者代表着纯粹的旋转运动，此时的第二不变量Q可以表达为：

其中乘积W_ijW_ij与拟涡能成正比，S_ijS_ij与动能耗散率成正比，若流场某区域内Q值为正，则说明该处的流体微元以旋转运动为主导，若Q值为负，则说明该处流体微元的旋转运动较弱；通过选用正值Q来作为流场涡团的识别方法，Q值的大小可以反映出该区域内的涡团强度，这样通过对第二不变量Q的刻画，获得了的缸内瞬态拟序结构的形态特征，及其随时间变化的演变特征，成功实现缸内拟序结构的提取。