CN111625960B - 一种基于cfd的e10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法 - Google Patents

一种基于cfd的e10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于CFD的E10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法，构建进气道‑气缸三维模型，并进行网格划分后得到动网格模型，对发动机工作过程进行一维建模并模拟，获取初始条件和边界条件，并在一维模型中选取不同的过量空气系数进行仿真分析，筛选得到特殊过量空气系数，根据动网格模型构建湍流燃烧多维模型，并将初始条件以及边界条件输入到湍流燃烧多维模型中，选取不同的点火提前角，将点火提前角以及特殊过量空气系数输入到湍流燃烧多维模型中进行仿真，获取在不同点火提前角和特殊过量空气系数下的燃烧曲线图，对燃烧曲线图进行对比，获取最优点火提前角以及过量空气系数，为E10乙醇汽油发动机的应用推广提供了相应的理论依据。

Description

一种基于CFD的E10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法
技术领域
本发明涉及发动机仿真试验技术领域，特别涉及一种基于CFD的E10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法。
背景技术
由于石油资源的紧缺，我国的汽车能源消耗量又十分巨大，非常依赖进口，这对于我国的能源状况造成了危机，乙醇是一种可再生的生物能源，将其一定比例的加入到传统汽油当中作为新型车用生物质燃料，在节能减排方面具有巨大优势，国外对乙醇/汽油燃料在汽油机多年的应用研究表明：车用汽油发动机燃用乙醇汽油可扩大混合气的着火界限，过量空气系数会影响到发动机的动力性，而点火提前角则会影响到发动机的经济性，因此对于乙醇汽油的使用中，需要获取其最优使用方案，但是目前还没有一种方法可以快速获取使用乙醇汽油时的最优点火提前角和过量空气系数。
发明内容
鉴以此，本发明提出一种基于CFD的E10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法，对发动机进行仿真后，在仿真模型中进行乙醇汽油燃烧特性的仿真，并获取最优点火提前角以及过量空气系数，获得E10汽油的最优使用方案。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于CFD的E10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法，包括以下步骤：
步骤S1、构建进气道-气缸三维模型，并进行网格划分后得到动网格模型；
步骤S2、对发动机工作过程进行一维建模并模拟，获取初始条件和边界条件；
步骤S3、在一维模型中选取不同的过量空气系数进行仿真分析，筛选得到特殊过量空气系数；
步骤S4、根据动网格模型构建湍流燃烧多维模型，并将初始条件以及边界条件输入到湍流燃烧多维模型中；
步骤S5、选取不同的点火提前角，将点火提前角以及特殊过量空气系数输入到湍流燃烧多维模型中进行仿真，获取在不同点火提前角和特殊过量空气系数下的燃烧曲线图，对燃烧曲线图进行对比，获取最优点火提前角以及过量空气系数。
优选的，所述步骤S1进行网格划分后得到动网格模型的具体步骤为：
步骤S11、对进气道-气缸三维模型进行处理生成线网格；
步骤S12、根据线网格生成体网格，组成发动机整个工作循环；
步骤S13、采用动网格生成器对体网格进行处理生成移动网格；
步骤S14、根据体网格、移动网格以及气门升程曲线对应的曲轴转角区间进行划分，获得动网格模型。
优选的，所述步骤S2对发动机工作过程进行一维建模并模拟的具体步骤为：建立发动机进气、排期系统、曲轴箱、气缸、喷油系统模型，并输入相关数据进行模拟。
优选的，所述步骤S2中的初始条件包括初始温度、压力、湍动能和湍流尺度，其中湍动能湍流尺度l＝Hmax/2，其中μ'为湍流脉动速度，其表达式为/>h为活塞冲程，n为转速，A＝0.7，Hmax＝0.0769m。
优选的，所述步骤S2的边界条件包括湍流壁面速度边界条件以及固定温度壁面边界条件。
优选的，所述步骤S3的具体步骤为：
步骤S31、分别对各个转速下的缸压曲线进行标定；
步骤S32、在一维模型中选取不同的过量空气系数在不同转速下进行仿真分析，获得缸内热力学参数变化曲线，所述缸内热力学参数包括功率、扭矩、比油耗、充气效率、排气温度以及最高缸压；
步骤S33、对缸内热力学参数变化曲线进行对比，筛选得到特殊过量空气系数。
优选的，在步骤S5之前，还包括：
步骤S41、在湍流燃烧多维模型中模拟乙醇汽油的燃烧过程，获取速度场、温度场、压力场以及湍动能的流场特性。
优选的，所述步骤S5获取在不同点火提前角和特殊过量空气系数下的燃烧曲线图的具体步骤为：
步骤S51、分别在常用转速和高转速工况下进行汽油燃烧仿真分析；
步骤S52、分别获取在不同的特殊过量空气系数和点火提前角下燃烧放热率的曲线图；
步骤S53、分别获取在不同的特殊过量空气系数和点火提前角下缸内温度和缸压曲线图；
步骤S54、对燃烧放热率的曲线图以及缸内温度和缸压曲线图进行综合对比，获取最优点火提前角以及过量空气系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于CFD的E10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法，事先构建进气道-气缸三维模型，并进行网格划分后得到动网格模型，然后对发动机工作过程进行一维建模并模拟，并选取不同的过量空气系数进行仿真分析，将模拟过程中燃烧效果较差的过量空气系数剔除而得到特殊过量空气系数，然后构建湍流燃烧多维模型，在湍流燃烧多维模型中，以不同的特殊过量空气系数以及不同的点火提前角进行多次的模拟仿真过程，根据获得的燃烧曲线图进行对比获取最优点火提前角以及过量空气系数，即获得发动机燃用E10乙醇汽油的最佳方案，为E10乙醇汽油发动机的应用推广提供了相应的理论依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于CFD的E10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法的流程图；
图2为一维模型中各过量空气系数下的缸内燃烧过程的各个热力学参数变化曲线图；
图3为湍流燃烧多维模型中特殊过量空气系数对发动机燃烧放热率的曲线图；
图4为湍流燃烧多维模型中点火提前角对发动机燃烧放热率的曲线图；
图5为点火提前角为5° CA时不同特殊过量空气系数下的缸内压力和温度变化曲线图；
图6为点火提前角为10° CA时不同特殊过量空气系数下的缸内压力和温度变化曲线图；
图7为点火提前角为15° CA时不同特殊过量空气系数下的缸内压力和温度变化曲线图；
图8为特殊过量空气系数为0.9时不同点火提前角下的缸内压力和温度变化曲线图；
图9为特殊过量空气系数为1.0时不同点火提前角下的缸内压力和温度变化曲线图；
图10为特殊过量空气系数为1.1时不同点火提前角下的缸内压力和温度变化曲线图；
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供一具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。
参见图1，本发明提供的一种基于CFD的E10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法，包括以下步骤：
步骤S1、构建进气道-气缸三维模型，并进行网格划分后得到动网格模型；
步骤S2、对发动机工作过程进行一维建模并模拟，获取初始条件和边界条件；
步骤S3、在一维模型中选取不同的过量空气系数进行仿真分析，筛选得到特殊过量空气系数；
步骤S4、根据动网格模型构建湍流燃烧多维模型，并将初始条件以及边界条件输入到湍流燃烧多维模型中；
步骤S5、选取不同的点火提前角，将点火提前角以及特殊过量空气系数输入到湍流燃烧多维模型中进行仿真，获取在不同点火提前角和特殊过量空气系数下的燃烧曲线图，对燃烧曲线图进行对比，获取最优点火提前角以及过量空气系数。
本发明首先利用CATIA设计进气道-气缸三维CAD模型，然后将CAD模型倒入到AVLFIER中进行网格划分，生成AVLFIRE三维CFD仿真计算可用的动网格模型，然后利用GT-POWER对发动机工作过程建模并模拟，得到AVLFIER数值求解所需的初始条件和边界条件，然后在一维模型中，选取若干个过量空气系数，分析它对于缸内燃烧过程的影响，并将燃烧效果较差的过量空气系数剔除后，筛选得到特殊过量空气系数，特殊过量空气系数用于在湍流燃烧多维模型中进行寻优，在进行最有方案的确定时，还需要选取若干个不同的点火提前角，从而以点火提前角以及特殊过量空气系数作为变量，在湍流燃烧多维模型中进行仿真，获取不同点火提前角和不同特殊过量空气系数多种组合下的燃烧曲线图，通过对所有的燃烧曲线图进行综合对比，从而可以获取最优提前角以及过量空气系数，以此作为E10乙醇汽油的最佳燃烧方案，为E10乙醇汽油发动机的应用推广提供了相应的理论依据，可以满足E10乙醇汽油在使用时发动机的最佳动力需求以及经济需求。
优选的，所述步骤S1进行网格划分后得到动网格模型的具体步骤为：
步骤S11、对进气道-气缸三维模型进行处理生成线网格；
步骤S12、根据线网格生成体网格，组成发动机整个工作循环；
步骤S13、采用动网格生成器对体网格进行处理生成移动网格；
步骤S14、根据体网格、移动网格以及气门升程曲线对应的曲轴转角区间进行划分，获得动网格模型。
网格划分的过程主要是由AVLFIER实现，划分后得到的动网格模型可以用于AVLFIER的三维CFD仿真计算，在动网格划分过程中，进排气道的网格是不需要动网格的，而燃烧室的网格随着曲轴转角的变化会进行拉伸，在动网格的移动过程中，当排气门关闭进气门打开时，忽略排气的影响，去掉排气道的网格；当进气门关闭时，忽略进气的影响，去掉进气道的网格；在压缩行程中，也会去掉部分燃烧室的网格。
优选的，所述步骤S2对发动机工作过程进行一维建模并模拟的具体步骤为：建立发动机进气、排期系统、曲轴箱、气缸、喷油系统模型，并输入相关数据进行模拟，所述步骤S2中的初始条件包括初始温度、压力、湍动能和湍流尺度，其中湍动能湍流尺度l＝Hmax/2，其中μ'为湍流脉动速度，其表达式为/>h为活塞冲程，n为转速，A＝0.7，Hmax＝0.0769m；所述步骤S2的边界条件包括湍流壁面速度边界条件以及固定温度壁面边界条件。
对发动机工作过程进行一维建模后，可以用于步骤S3中的过量空气系数的剔除，而初始条件和边界条件则用于后续的湍流燃烧多维模型的构建中。
优选的，所述步骤S3的具体步骤为：
步骤S31、分别对各个转速下的缸压曲线进行标定；
步骤S32、在一维模型中选取不同的过量空气系数在不同转速下进行仿真分析，获得缸内热力学参数变化曲线，所述缸内热力学参数包括功率、扭矩、比油耗、充气效率、排气温度以及最高缸压；
步骤S33、对缸内热力学参数变化曲线进行对比，筛选得到特殊过量空气系数。
在进行过量空气系数的筛选前，先对各个转速下的缸压曲线进行了标定，以保证模型的准确性，然后研究在不同转速下各过量空气系数下的缸内热力学参数变化曲线，对比缸内热力学参数变化曲线，可以将其中燃烧效果较差的过量空气系数剔除，筛选得到特殊过量空气系数。
优选的，在步骤S5之前，还包括：
步骤S41、在湍流燃烧多维模型中模拟乙醇汽油的燃烧过程，获取速度场、温度场、压力场以及湍动能的流场特性。
先利用AVLFIRE模拟进气道-缸内的燃烧过程，获取速度场、温度场、压力场以及湍动能的流场特性，通过缸内的流场特性分析选择出有助于E10乙醇汽油燃烧充分的温度场、压力场、速度场以及湍动能，从而为E10乙醇汽油的最优方案提供环境基础。
优选的，所述步骤S5获取在不同点火提前角和特殊过量空气系数下的燃烧曲线图的具体步骤为：
步骤S51、分别在常用转速和高转速工况下进行汽油燃烧仿真分析；
步骤S52、分别获取在不同的特殊过量空气系数和点火提前角下燃烧放热率的曲线图；
步骤S53、分别获取在不同的特殊过量空气系数和点火提前角下缸内温度和缸压曲线图；
步骤S54、对燃烧放热率的曲线图以及缸内温度和缸压曲线图进行综合对比，获取最优点火提前角以及过量空气系数。
缸内燃烧过程是否完善，是改善和优化发动机整体性能最关键部分之一，本发明通过对点火提前角和特殊过量空气系数进行分析，在不同转速工况下选择不同的特殊过量空气系数以及点火提前角来模拟E10乙醇汽油的燃烧过程，并对燃烧放热率的去西安路以及缸内温度和缸压曲线图进行综合对比，从中获取最优点火提前角以及过量空气系数，从而获取E10乙醇汽油的最佳燃烧方案。
以下通过一个实施例来论述本发明的有效性。
动网格划分的曲轴转角为360° CA至1080° CA，在网格划分中根据相关参数设置做相应的网格细化，如遇到网格质量不能进行计算时，对其进行再分区，然后重复网格细化，直至网格质量符合要求，保证表面的贴合与封闭。
利用GT-POWER对发动机工作过程建模并模拟，得到AVLFIER数值求解所需的初始条件和边界条件，其中初始条件包括初始温度、压力、湍动能和湍流尺度，湍动能和湍流尺度可以计算获得，初始温度和压力通过检测得知。
选取的过量空气系数包括0.8、0.9、1.0、1.1、1.2，图2为在一维模型中各过量空气系数λ下的缸内燃烧过程的各个热力学参数变化曲线，由图2可知，在2000r/min时，λ＝0.9时，功率和扭矩最大；转速越高，λ越大时，功率扭矩的下降越明显；在相同的λ时，随着转速增加，功率、扭矩和温度都越高。2)油耗、充气效率方面，随着过量空气系数的增大，呈明显降低趋势。3)温度方面，呈总体上升趋势，除2500r/min，呈现随转速增大，排气温度先升高后下降再升高。4)在转速低于4500r/min时，当λ＝0.9缸压最大。而高于4500r/min时，当λ＝1缸压最大，可以看出λ＝0.9、1.0、1.1时的特征比较明显，因此将λ＝0.9、1.0、1.1作为特殊过量空气系数。
选取的点火提前角为提前5°、10°、15°，设置720° CA为上止点，从360° CA开始计算，到1080° CA为止，仿真计算过程取常规转速2000r/min和高转速4500r/min两种工况进行研究，在确定特殊过量空气系数以及点火提前角后，缸内在不同转速下的初始温度和压力如表1、表2所示：
表1 2000r/min缸内初始条件：
表2 4500r/min缸内初始条件：
本实施例的边界条件为固定温度壁面条件和湍流壁面速度条件，其中湍流壁面速度边界条件如下：
①无滑移；②自由滑移；③湍流壁面定律：法向的壁面速度等于法向的气体速度，切向速度如下式：其中，ξ＝ρyv/μair(T)，V＝|&-wwall ρk|；剪切速度/>k为湍动能，B与c为常数。
固定温度壁面边界条件如下：
①绝热壁面：缸壁热通量0wJ；②固定温度壁面：湍流壁面定律如下式：
其中Tw为缸壁温度；Pr为层流中的普朗特数，反应了流体的相对大小。
耗散率ε和湍动能k的边界条件为：
在2000r/min以及4500r/min下的边界条件如表3、表4所示：
表3 2000r/min边界条件设置：
项目 2000r/min 项目 2000r/min
进气口 采用GT/POWER瞬态值 排气口 采用GT/POWER瞬态值
进气道 360K 排气道 580K
气缸 550K 活塞 600K
表4 4500r/min边界条件设置：
项目 4500r/min 项目 4500r/min
进气口 采用GT/POWER瞬态值 排气口 采用GT/POWER瞬态值
进气道 360K 排气道 650K
气缸 600K 活塞 630K
构建湍流燃烧多维模型，并将获取的边界条件以及初始条件输入到湍流燃烧多维模型中，在常规工况2000r/min和高速工况4500r/min下进行汽油燃烧仿真分析。
①特殊特殊过量空气系数对发动机燃烧放热率的影响，如图3所示，在转速为2000r/min时，随着特殊过量空气系数的增大，混合气越稀薄，因此燃烧速度的增加越来越慢，放热率峰值越来越低。当λ＝1.1时，燃烧过程明显延迟，滞燃期过长。一般燃烧放热都在上止点附近30° CA内完成，如果滞燃严重会影响发动机整个循环的燃烧品质。同时可以看到，当λ＝1.1时，其放热率明显变慢，燃烧速度也变慢。在转速为4500r/min时，λ＝0.9时放热率峰值同样最大，当λ＝1.1且点火提前角为-15° CA时，其放热率峰值远远偏离上止点。可以判断出当λ＝0.9时，应是放热率最大，燃烧最为完善的时刻。
②点火提前角对发动机燃烧放热率的影响，如图4所示，在相同的特殊过量空气系数状态下，随着点火提前角的增大，放热率峰值向上止点靠近，放热率越快，燃烧速度加快，放热峰值比较大，后燃迟滞减小。可以看出当点火提前角为15° CA时，放热率的峰值位于上止点位置，随着点火提前角的增大，放热率峰值更靠近上止点，此时更有利于燃烧，同时点火提前角为15° CA时放热峰值最大，滞燃期缩短。由对特殊过量空气系数的研究，得知当λ＝0.9且点火提前角为15° CA时，放热率变化较为规则，峰值位于上止点位置。适当加大点火提前角，避免后燃期的延长，能够降低燃料消耗率，减少功率及热效率的损失。
③特殊过量空气系数对发动机缸内压力和温度的影响，如图5-7所示，在2000r/min的工况下，λ＝0.9时，缸内平均压力和缸内温度的峰值最大，随着特殊过量空气系数的增加，缸内平均压力和缸内温度的峰值越来越低，可以看出λ＝1.1时，缸压比较低，温度也比较低。而λ＝1.0时与λ＝0.9差别较小。4500r/min工况下有着类似的规律，其中λ＝0.9时缸内温度的峰值明显靠近上止点位置。随着混合气浓度从稀到浓，温度的峰值更靠近上止点。因此当特殊过量空气系数为0.9时接近功率混合气，发动机功率最大，缸内压力和温度均较高。
④点火提前角对发动机缸内压力和温度的影响，如图8-10所示，2000r/min工况下，从上止点前5° CA到上止点前15° CA，随着点火时间的推迟，通过对比可知，点火时刻对于缸内最高压力的敏感度比较低。在过量系数相同的情况下，由于点火时刻的提前，对于缸内温度的变化影响更大。当点火提前角为15° CA时，明显看到缸内温度提前升高；4500r/min工况下，随着点火提前角的增大，缸内压力和温度的峰值逐渐增大。
通过上述实施例可以获得最优的点火提前角为上止点前15°和最优的特殊过量空气系数λ＝0.9，即汽油机燃用E10时的最优方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于CFD的E10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、构建进气道-气缸三维模型，并进行网格划分后得到动网格模型；
步骤S2、对发动机工作过程进行一维建模并模拟，获取初始条件和边界条件；
步骤S3、在一维模型中选取不同的过量空气系数进行仿真分析，筛选得到特殊过量空气系数；
步骤S4、根据动网格模型构建湍流燃烧多维模型，并将初始条件以及边界条件输入到湍流燃烧多维模型中；
步骤S5、选取不同的点火提前角，将点火提前角以及特殊过量空气系数输入到湍流燃烧多维模型中进行仿真，获取在不同点火提前角和特殊过量空气系数下的燃烧曲线图，对燃烧曲线图进行对比，获取最优点火提前角以及过量空气系数；
所述步骤S1进行网格划分后得到动网格模型的具体步骤为：
步骤S11、对进气道-气缸三维模型进行处理生成线网格；
步骤S12、根据线网格生成体网格，组成发动机整个工作循环；
步骤S13、采用动网格生成器对体网格进行处理生成移动网格；
步骤S14、根据体网格、移动网格以及气门升程曲线对应的曲轴转角区间进行划分，获得动网格模型；
所述步骤S2对发动机工作过程进行一维建模并模拟的具体步骤为：建立发动机进气、排期系统、曲轴箱、气缸、喷油系统模型，并输入相关数据进行模拟；
所述步骤S2中的初始条件包括初始温度、压力、湍动能和湍流尺度，其中湍动能湍流尺度l＝Hmax/2，其中μ'为湍流脉动速度，其表达式为/>h为活塞冲程，n为转速，A＝0.7，Hmax＝0.0769m；
所述步骤S2的边界条件包括湍流壁面速度边界条件以及固定温度壁面边界条件；
所述步骤S3的具体步骤为：
步骤S31、分别对各个转速下的缸压曲线进行标定；
步骤S32、在一维模型中选取不同的过量空气系数在不同转速下进行仿真分析，获得缸内热力学参数变化曲线，所述缸内热力学参数包括功率、扭矩、比油耗、充气效率、排气温度以及最高缸压；
步骤S33、对缸内热力学参数变化曲线进行对比，筛选得到特殊过量空气系数；
在步骤S5之前，还包括：
步骤S41、在湍流燃烧多维模型中模拟乙醇汽油的燃烧过程，获取速度场、温度场、压力场以及湍动能的流场特性；
所述步骤S5获取在不同点火提前角和特殊过量空气系数下的燃烧曲线图的具体步骤为：
步骤S51、分别在常用转速和高转速工况下进行汽油燃烧仿真分析；
步骤S52、分别获取在不同的特殊过量空气系数和点火提前角下燃烧放热率的曲线图；
步骤S53、分别获取在不同的特殊过量空气系数和点火提前角下缸内温度和缸压曲线图；
步骤S54、对燃烧放热率的曲线图以及缸内温度和缸压曲线图进行综合对比，获取最优点火提前角以及过量空气系数。
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