CN115730449A - 可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法。发动机为航空重油发动机，该耦合建模方法包括如下步骤：初步建立一维仿真模型和三维仿真模型；使一维仿真模型和三维仿真模型进行初次迭代；在地面状态对发动机开展示踪气体法换气实验和定容弹喷雾燃烧实验，获得第一实验结果来标定并优化三维仿真模型的模型特征参数；使一维仿真模型和三维仿真模型进行二次迭代；开展发动机的高空环境模拟整机实验、示踪气体法换气实验和定容弹喷雾燃烧实验，得到第二实验结果来标定并优化一维仿真模型和三维仿真模型；使一维仿真模型和三维仿真模型进行三次迭代。本发明可建立高耦合度的一三维换气与喷雾燃烧耦合仿真模型，仿真精度高。

Description

可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法

技术领域

本发明涉及航空重油发动机技术领域，尤其是涉及一种可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法。

背景技术

航空重油发动机是燃用柴油类或航空煤油类燃料的航空活塞发动机，其安全性高、燃料易得性好、价格低廉，在近年来国内外通用航空和无人机产业快速发展的背景下，航空重油发动机将逐步替代航空汽油机，成为未来微小型航空动力的主流之一，也是近期受高度重视的研究对象。

然而，航空重油发动机若继续燃用传统柴油和航空煤油，仅靠轻量化和提高燃烧效率等技术已日益无法满足航空低碳可持续的发展要求，而可持续航空燃料(SustainableAviation Fuel,SAF)是指生物航煤等源于可再生物质的航空燃料，其全生命周期碳排放可比传统燃料降低85％，SAF的理化性质也属重油范畴(生物柴油、生物航煤等)，航空重油发动机燃用SAF已成为“通用航空碳中和”的重要技术路径和前沿发展趋势。

配备两级增压或机械与涡轮复合增压可有效提高航空重油发动机的飞行升限，但其高空应用技术复杂，特别体现在高空状态的换气与喷雾燃烧具有高复杂度和强耦合性，在一方面，高空换气受到高空环境、增压状态等影响而与地面不同，而高空换气性能决定参与燃烧的初始气体成分，从而和高空功率、燃油经济性及排放皆有很大关联；另一方面，重油喷雾的雾化受换气的气流组织影响较大，以压燃式航空重油发动机为例，控制换气过程的涡流尺度可有效辅助高空雾化，而换气与雾化质量对燃烧性能有着重要影响；再者，高空的燃烧与增压状态共同影响换气的压力与温度边界。由于换气、雾化、燃烧的复杂强耦合关系，三者对于航空重油发动机工况参数变化和工作高度所带来环境的变化都非常敏感，其复杂规律难以仅靠相似原理推导得出。

若考虑SAF的应用，发动机高空换气与喷雾燃烧的特性表征和耦合影响更难确定：在换气层面，应用SAF时因燃烧与增压特性不同于传统燃料，其高空换气特性随SAF组分及高度都会有一定改变；在喷雾燃烧层面，SAF的粘度、密度、十六烷值和自燃点等物化参数与传统燃料不同，且可能以不同组分混合使用，其高空喷雾燃烧特性随SAF组分及高度也会有一定改变；在换气与喷雾燃烧耦合层面，应用SAF时不同燃料组分、不同高空工况的换气涡流对雾化、换气及雾化性能对燃烧、燃烧对换气边界的耦合影响有待精准确定。

对于航空重油发动机高空换气与喷雾燃烧过程的建模仿真主要有一维仿真和三维仿真。一维仿真通常是对发动机整系统的全循环计算，考虑换气与喷雾燃烧和其他缸内过程的耦合，其计算效率高，可快速获得发动机换气、喷雾燃烧及动力性能；但由于局限于一维，无法反映流场细节，且计算精度的提升需试验对不同模块进行标定校正。三维仿真可精确描述换气与喷雾燃烧过程缸内流场的演变过程，反映流场传热传质、空气废气替代与掺混、涡滚流分布、扫气盲区、喷雾贯穿传播、火焰着火扩散等细节，对换气与喷雾燃烧过程的计算较为全面准确；但计算速度慢，且精度取决于所选的湍流模型是否合理等。一维仿真模拟和三维仿真模拟各具特点，将一维仿真模拟和三维仿真模拟耦合在一起，可以为优化换气与喷雾燃烧过程提供了全面有效的模拟方法。

现有的对于发动机的仿真，通常一维仿真和三维仿真各仿各的，两者不进行耦合或者耦合度低，无法满足对换气与喷雾燃烧过程的仿真精度要求。现有大多数模型适用于传统燃料，既未针对SAF物化属性及相关特性进行修正，也没有对高空工况的模型特征系数进行校正，未修正的一三维模型无法准确模拟SAF的高空换气与喷雾燃烧特性。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，可以建立高耦合度的一三维换气与喷雾燃烧耦合仿真模型，仿真精度高。

根据本发明实施例的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，所述发动机为航空重油发动机，包括如下步骤：

S1：初步建立一维仿真模型和三维仿真模型，其中，一维仿真模型用于所述发动机整机全热力循环及动力性能的仿真，三维仿真模型用于模拟所述发动机换气与喷雾燃烧过程中所述发动机缸内流场的演变过程；

S2：分别进行一维仿真模型仿真和三维仿真模型仿真，得出一维仿真模型的仿真结果和三维仿真模型的仿真结果，使一维仿真模型和三维仿真模型进行初次迭代；

S3：在地面状态对所述发动机开展示踪气体法换气实验和定容弹喷雾燃烧实验，获得第一实验结果；

S4：根据所述第一实验结果，标定并优化三维仿真模型的模型特征参数：判断三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与所述第一实验结果之间的误差是否处于5％～10％之间，若否，则修改三维仿真模型的模型特征参数，重复进行步骤S4，若是，则进行步骤S5；

S5：使一维仿真模型和三维仿真模型进行一轮二次迭代，判断一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果之间的偏差是否≤3％,若否，则重复进行步骤S5，若是，则进行步骤S6，其中，在二次迭代过程中需保证三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与所述第一实验结果之间的误差始终处于5％～10％之间；

S6：开展所述发动机的高空环境模拟整机实验以及高空模拟环境下的示踪气体法换气实验和高空模拟环境下的定容弹喷雾燃烧实验，得到第二实验结果；

S7：根据所述第二实验结果，标定并优化一维仿真模型和三维仿真模型：判断一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与所述第二实验结果之间的误差是否小于5％，若否，则修改一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数，重复进行步骤S7，若是，则进行步骤S8；

S8：使一维仿真模型和三维仿真模型进行一轮三次迭代，判断一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果之间的偏差是否≤3％,若否，则重复进行步骤S8，若是，结束流程并获得一三维换气与喷雾燃烧耦合仿真模型，其中，在三次迭代过程中需保证一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与所述第二实验结果之间的误差≤5％。

根据本发明实施例的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，通过使一维仿真模型和三维仿真模型在多个步骤中相互迭代，利用实际实验获得的第一实验结果和第二实验结果对三维仿真模型和一维仿真模型进行校准，获得了高耦合度和高模拟精度的一三维换气与喷雾燃烧耦合仿真模型，获得的一三维换气与喷雾燃烧耦合仿真模型可以实现准确模拟航空燃料的换气与喷雾燃烧特性，从而可以利用一三维换气与喷雾燃烧耦合仿真模型全面有效优化换气与喷雾燃烧过程，减少实际的实验次数，降低航空重油发动机的研发成本。

根据本发明的一些实施例，所述步骤S3包括，在地面状态下，对所述发动机开展不同SAF组分的示踪气体法换气实验和定容弹喷雾燃烧实验，并与传统燃料相同实验的实验结果进行对比，分析随SAF组分变化带来的换气与喷雾燃烧特性的改变，得到第一实验结果；

对应地，所述步骤S4包括，进行不同组分SAF的三维仿真模型仿真，根据所述第一实验结果，标定并优化不同组分SAF的三维仿真模型的模型特征参数，然后将不同组分SAF的三维仿真模型仿真获得的仿真结果输入一维仿真模型，进行不同组分SAF的一维仿真模型仿真，获得不同组分SAF的一维仿真模型的模型特征参数，建立一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数与SAF组分变化的对应关系。

根据本发明的一些实施例，所述步骤S6包括，开展所述发动机不同海拔高度的高空环境模拟整机实验以及高空模拟环境下的示踪气体法换气实验和高空模拟环境下的定容弹喷雾燃烧实验，得到第二实验结果；所述步骤S7包括，进行不同海拔高度高空环境的一维仿真模型仿真和不同海拔高度高空环境的三维仿真模型仿真，根据所述第二实验结果，标定并优化一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数，建立一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数与海拔高度变化的对应关系。

根据本发明的一些实施例，所述三维仿真模型包括换气子模型和喷雾燃烧子模型。

根据本发明的一些实施例，所述换气子模型包括湍流模型、近壁面函数和扫气子模型，所述喷雾燃烧子模型包括WAVE喷雾子模型和韦伯燃烧子模型。

根据本发明的一些实施例，所述一维仿真模型包括进气与增压子模型、气缸子模型、曲柄连杆子模型和排气子模型；所述进气与增压子模型和所述排气子模型包括环境模块，所述环境模块用于不同海拔高度环境的仿真模拟。

根据本发明的一些实施例，一轮所述初次迭代、一轮所述二次迭代和一轮所述三次迭代均包括进行一维仿真模型仿真获得仿真结果，一维仿真模型的仿真结果提供并输入缸内初始状态参数、进排气道边界条件参数、活塞连杆动力学边界参数、发动机各壁面温度参数给三维仿真模型；然后三维仿真模型进行仿真获得仿真结果，三维仿真模型的仿真结果提供并输入气门流通系数、涡滚流系数、换气模型曲线、喷雾模型系数和燃烧模型系数给一维仿真模型。

根据本发明的一些实施例，所述缸内初始状态参数包括缸内初始温度、缸内初始压力和缸内初始成分，所述进排气道边界条件参数包括进排气的温度、压力、流量在换气全过程的变化曲线。

根据本发明的一些实施例，在三维仿真模型仿真中，三维仿真模型的计算流体域包括进气道、排气道、气缸体和燃烧室，计算时对流体域进行网格划分，进气门处、排气门处和气缸体的网格涉及动网格重构，设置每1°～2°曲轴转角进行一次网格重构。

根据本发明的一些实施例，在所述对流体域进行网格划分之后，三维仿真模型通过网格尺度无关解和时间步长无关解对自身网格划分是否合理进行校准和验证。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法的流程框图。

图2为本发明实施例中一维仿真模型和三维仿真模型之间的迭代过程以及一维仿真模型和三维仿真模型的实验标定与优化的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1和图2来描述本发明的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法。

如图1和图2所示，根据本发明实施例的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，包括如下步骤：

S1：初步建立一维仿真模型和三维仿真模型，其中，一维仿真模型用于发动机整机全热力循环及动力性能的仿真，三维仿真模型用于模拟发动机换气与喷雾燃烧过程中发动机缸内流场的演变过程；

S2：分别进行一维仿真模型仿真和三维仿真模型仿真，得出一维仿真模型的仿真结果和三维仿真模型的仿真结果，使一维仿真模型和三维仿真模型进行初次迭代；

S3：在地面状态对发动机开展示踪气体法换气实验和定容弹喷雾燃烧实验，获得第一实验结果；

S4：根据第一实验结果，标定并优化三维仿真模型的模型特征参数：判断三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与第一实验结果之间的误差是否处于5％～10％之间，若否，则修改三维仿真模型的模型特征参数，重复进行步骤S4，若是，则进行步骤S5；

S5：使一维仿真模型和三维仿真模型进行一轮二次迭代，判断一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果之间的偏差是否≤3％,若否，则重复进行步骤S5，若是，则进行步骤S6，其中，在二次迭代过程中需保证三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与第一实验结果之间的误差始终处于5％～10％之间；

S6：开展发动机的高空环境模拟整机实验以及高空模拟环境下的示踪气体法换气实验和高空模拟环境下的定容弹喷雾燃烧实验，得到第二实验结果；

S7：根据第二实验结果，标定并优化一维仿真模型和三维仿真模型：判断一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与第二实验结果之间的误差是否小于5％，若否，则修改一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数，重复进行步骤S7，若是，则进行步骤S8；

S8：使一维仿真模型和三维仿真模型进行一轮三次迭代，判断一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果之间的偏差是否≤3％,若否则重复进行步骤S8，若是，结束流程并获得一三维换气与喷雾燃烧耦合仿真模型，其中，在三次迭代过程中需保证一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与第二实验结果之间的误差≤5％。

具体而言，S1：初步建立一维仿真模型和三维仿真模型，一维仿真模型用于发动机整机全热力循环及动力性能的仿真，这里，一维仿真模型的仿真包括对换气与喷雾燃烧过程的仿真。具体地，一维仿真模型可通过商用仿真平台GT-Power、AVL-Boost等建立，也可通过Matlab Simulink等平台自行编程工作过程建立。初步建立的一维仿真模型的结构参数参考具体发动机的设计图纸确定或取其等效值。

三维仿真模型用于模拟发动机换气与喷雾燃烧过程中发动机缸内流场的演变过程，例如流场传热传质、空气废气替代与掺混、涡滚流分布、扫气盲区、喷雾贯穿传播、火焰着火扩散等细节。具体地，三维仿真模型可通过仿真平台Converge、Ansys Fluent、AVL-Fire等建立。初步建立的一维仿真模型和三维仿真模型中不确定的模型特征参数可以根据经验值或其他相似研究的推荐值输入。

S2：分别进行一维仿真模型仿真和三维仿真模型仿真，得出一维仿真模型的仿真结果和三维仿真模型的仿真结果，使一维仿真模型和三维仿真模型进行初次迭代，以使一维仿真模型和三维仿真模型之间进行初步耦合。这次，初次迭代的次数可以为1～2次。

S3：在地面状态对发动机开展示踪气体法换气实验和定容弹喷雾燃烧实验，获得第一实验结果；示踪气体法换气实验用于三维换气建模验证，定容弹喷雾燃烧实验包括纹影法喷雾实验和双色法燃烧实验，以不同运行高度缸内的热力状态为初始条件，通过改变定容弹内充气密度以模拟不同的缸内氛围。纹影法喷雾实验用于三维喷雾建模验证，双色法燃烧实验用于三维燃烧建模验证。S4：根据第一实验结果，标定并优化三维仿真模型的模型特征参数：判断三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与第一实验结果之间的误差是否处于5％～10％之间，若否，则修改三维仿真模型的模型特征参数，重复进行步骤S4，若是，则进行步骤S5。可以理解的是，根据第一实验结果，标定并优化三维仿真模型的模型特征参数是指判断三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与第一实验结果之间的误差是否处于5％～10％之间，若否，则修改三维仿真模型的模型特征参数，重复进行步骤S4，若是，则进行步骤S5。步骤S4中，进行第一次计算过程的三维仿真模型为初次迭代后的三维仿真模型。本发明通过采用第一实验结果对三维仿真模型的模型特征参数进行标定和优化，实现了先对三维仿真模型进行在地面状态的校准。其中，换气与喷雾燃烧结果包括充气效率、给气比、捕获率等换气参数指标和喷雾锥角、喷雾贯穿距离、油滴破碎及索特平均直径、气液相速度、火焰着火形态、亮度特征、火焰温度分布等喷雾燃烧的参数指标。

S5：使一维仿真模型和三维仿真模型进行一轮二次迭代，判断一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果之间的偏差是否≤3％,若否，则重复进行步骤S5，若是，则进行步骤S6，其中，在二次迭代过程中需保证三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与第一实验结果之间的误差始终处于5％～10％之间。可以理解的是，第一轮二次迭代的三维仿真模型为经过地面状态校准后的三维仿真模型。通过使经过校准后的三维仿真模型与一维仿真模型之间进行多轮二次迭代，一方面可以增加一维仿真模型和三维仿真模型之间的耦合度，另一方面可以提高一维仿真模型的模拟精度。

S6：开展发动机的高空环境模拟整机实验以及高空模拟环境下的示踪气体法换气实验和高空模拟环境下的定容弹喷雾燃烧实验，得到第二实验结果。发动机的高空环境模拟整机实验是指在地面试验设备中创造一个近似高空条件的环境，使发动机在这个环境里工作，进行性能、可靠性及工作寿命等各种试验，包括在高空实验状态测量发动机的转速、扭矩、功率、耗油率等。高空模拟环境下的示踪气体法换气实验和高空模拟环境下的定容弹喷雾燃烧实验是指这里的示踪气体法换气实验和定容弹喷雾燃烧实验均是在一个近似高空条件的环境中进行的，示踪气体法换气实验可以与高空环境模拟整机实验耦合进行。S7：根据第二实验结果，标定并优化一维仿真模型和三维仿真模型：判断一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与第二实验结果之间的误差是否小于5％，若否，则修改一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数，重复进行步骤S7，若是，则进行步骤S8。可以理解的是，根据第二实验结果，标定并优化一维仿真模型和三维仿真模型是指判断一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与第二实验结果之间的误差是否小于5％，若否，则修改一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数，重复进行步骤S7，若是，则进行步骤S8。发动机的高空环境模拟整机实验主要用于对第一仿真模型进行校准，即对一维整机建模验证，以提高一维仿真模型的仿真精度。

S8：使一维仿真模型和三维仿真模型进行一轮三次迭代，判断一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果之间的偏差是否≤3％,若否，则重复进行步骤S8，若是，结束流程并获得一三维换气与喷雾燃烧耦合仿真模型，其中，在三次迭代过程中需保证一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与第二实验结果之间的误差≤5％。本发明通过使一维仿真模型和三维仿真模型进行多轮三次迭代，以及利用第二实验结果对一维仿真模型和三维仿真模型进行校准，一方面进一步提高了一维仿真模型和三维仿真模型之间的耦合度，另一方面也进一步提高了一维仿真模型和三维仿真模型的仿真精度。

综上，一维仿真模型和三维仿真模型通过在多个步骤相互迭代以实现耦合仿真结果的接近，即实现了高耦合度；通过采用实际实验获得的第一实验结果和第二实验结果对三维仿真模型和一维仿真模型进行校准，提高了一维仿真模型和三维仿真模型的模拟精度，从而获得的一三维换气与喷雾燃烧耦合仿真模型可以准确模拟航空燃料的换气与喷雾燃烧特性。

根据本发明实施例的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，通过使一维仿真模型和三维仿真模型在多个步骤中相互迭代，利用实际实验获得的第一实验结果和第二实验结果对三维仿真模型和一维仿真模型进行校准，获得了高耦合度和高模拟精度的一三维换气与喷雾燃烧耦合仿真模型，获得的一三维换气与喷雾燃烧耦合仿真模型可以实现准确模拟航空燃料的换气与喷雾燃烧特性，从而可以利用一三维换气与喷雾燃烧耦合仿真模型全面有效优化换气与喷雾燃烧过程，减少实际的实验次数，降低航空重油发动机的研发成本。

根据本发明的一些实施例，步骤S3包括，在地面状态下，对发动机开展不同SAF组分的示踪气体法换气实验和定容弹喷雾燃烧实验，并与传统燃料相同实验的实验结果进行对比，分析随SAF组分变化带来的换气与喷雾燃烧特性的改变，得到第一实验结果；

对应地，步骤S4包括，进行不同组分SAF的三维仿真模型仿真，也就是说，改变SAF组分，进行多次三维仿真模型仿真，根据第一实验结果，可以理解的是，这里的第一实验结果包括不同SAF组分对应的实验结果，标定并优化不同组分SAF的三维仿真模型的模型特征参数，这里，标定并优化不同组分SAF的三维仿真模型的模型特征参数，包括对于每一个不同的SAF组分，判断三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与第一实验结果之间的误差是否处于5％～10％之间，若否，则修改三维仿真模型的模型特征参数，重复进行步骤S4，若是，则进行步骤S5。然后将不同组分SAF的三维仿真模型仿真获得的仿真结果输入一维仿真模型，以校准一维仿真模型,接着进行不同组分SAF的一维仿真模型仿真，获得不同组分SAF的一维仿真模型的模型特征参数，建立一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数与SAF组分变化的对应关系。一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数与SAF组分变化的对应关系可以数值的调整或关于SAF组分或其他物化属性参数的函数表达式，其中数值的调整是指，若数值变化区间很小或变化很简单，可以仅根据SAF组分变化进行模型特征参数数值的直接改变即可。综上，本发明通过对一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数关于SAF组分的适应性修正和校准，有利于实现三维仿真模型和一维仿真模型对SAF换气与喷雾燃烧过程的高精度模拟。

根据本发明的一些实施例，步骤S6包括，开展发动机不同海拔高度的高空环境模拟整机实验以及高空模拟环境下的示踪气体法换气实验和高空模拟环境下的定容弹喷雾燃烧实验，得到第二实验结果；步骤S7包括，进行不同海拔高度高空环境的一维仿真模型仿真和不同海拔高度高空环境的三维仿真模型仿真，根据第二实验结果，标定并优化一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数，从而在不同海拔高度高空环境下,一维仿真模型和三维仿真模型均具有对应的标定并优化后模型特征系数,从而可以建立一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数与海拔高度变化的对应关系。可以理解的是，本发明通过对一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数在SAF组分和高空环境两个方面的适应性修正和校准，有利于实现一三维换气与喷雾燃烧耦合仿真模型对SAF高空换气与喷雾燃烧过程的高精度模拟。

可以理解的是，对应的，在每一个不同的海拔高度下，一维仿真模型和三维仿真模型均会进行多次仿真和多次三次迭代，以使一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果之间的偏差≤3％，以建立一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数与海拔高度变化的对应关系，从而使得本发明可以实现对高空换气与喷雾燃烧过程的高精度模拟。

根据本发明的一些实施例，三维仿真模型包括换气子模型和喷雾燃烧子模型。换气子模型包括湍流模型、近壁面函数和扫气子模型，具体地，例如湍流模型可以采用RNG k-ε湍流模型，近壁面函数可以采用标准壁面函数。喷雾燃烧子模型包括WAVE喷雾子模型和韦伯燃烧子模型。喷雾燃烧子模型采用WAVE喷雾子模型和韦伯燃烧子模型，可以保证喷雾燃烧子模型在动力性能、换气初始与增压边界条件仿真上的准确性。

根据本发明的一些实施例，一维仿真模型包括进气与增压子模型、气缸子模型、曲柄连杆子模型和排气子模型；进气与增压子模型和排气子模型包括环境模块，环境模块用于不同海拔高度环境的仿真模拟。在仿真模拟不同海拔高度环境时，可以通过在环境模块中输入不同海拔高度环境下的压力、温度、湿度等参数，以满足发动机不同海拔高度工况的环境模拟需求。初步建立进气与增压子模型、气缸子模型、曲柄连杆子模型和排气子模型的结构参数参考具体发动机的设计图纸确定或取其等效值。例如，实际的进排气道截面并不呈圆形，则模型部件直径取等效截面对应的值；气缸子模型中，喷油器模块的油嘴喷孔数量和直径值根据实际定制的喷油器确定；循环喷油量根据发动机负荷确定；喷油提前角取仿真和试验所得的优化值；缸体各壁面，包括缸套、活塞顶和气缸盖的温度值根据试验测得；由于采用Woschni模型计算出的传热量与实测值具有良好的一致性，因此可采用Woschni模型计算高温气体及换气流动对气缸壁以及活塞的传热情况；曲柄连杆子模型的建模中，曲轴、连杆、活塞等零部件的重量和尺寸数据都源于真实零部件的测量，活塞运动规律、有效压缩比等也通过发动机的试验验证。

根据本发明的一些实施例，一轮初次迭代、一轮二次迭代和一轮三次迭代均包括进行一维仿真模型仿真获得仿真结果，一维仿真模型的仿真结果提供并输入缸内初始状态参数、进排气道边界条件参数、活塞连杆动力学边界参数、发动机各壁面温度参数给三维仿真模型；然后三维仿真模型进行仿真获得仿真结果，三维仿真模型的仿真结果提供并输入气门流通系数、涡滚流系数、换气模型曲线、喷雾模型系数和燃烧模型系数给一维仿真模型。喷雾模型系数和燃烧模型系数包括油滴雾化破碎系数、燃烧放热规律曲线、预混燃烧因子、扩散燃烧因子等。可以理解的是，一维仿真模型为三维仿真模型提供充分的边界条件(缸内初始状态参数、进排气道边界条件参数、活塞连杆动力学边界参数、发动机各壁面温度参数)，三维仿真模型为一维仿真模型提供换气与喷雾燃烧细节流场相关的关键系数(气门流通系数、涡滚流系数、换气模型曲线、喷雾模型系数和燃烧模型系数)，一维仿真模型和三维仿真模型通过相互输入仿真结果进行相互迭代以实现耦合仿真结果的接近与准确，即实现了更高程度和更全面的耦合。

其中，燃烧放热规律曲线包括起燃点、滞燃期、燃烧持续期等参数。一维仿真模型的仿真结果提供并输入活塞连杆动力学边界参数给三维仿真模型，可以使三维仿真模型缸内体积变化规律更接近真实情况，这是由于转速、高空工况的改变都可能影响活塞连杆动力学，而一维仿真模型可以将其仿真出来。一维仿真模型的仿真结果提供并输入发动机各壁面温度参数给三维仿真模型，从而使得三维仿真模型可以考虑缸内气体与缸套、缸盖、活塞顶部的对流换热。

根据本发明的一些实施例，缸内初始状态参数包括缸内初始温度、缸内初始压力和缸内初始成分，进排气道边界条件参数包括进排气的温度、压力、流量在换气全过程的变化曲线。

根据本发明的一些实施例，在三维仿真模型仿真中，三维仿真模型的计算流体域包括进气道、排气道、气缸体和燃烧室，计算时对流体域进行网格划分，其中，进气门附近和排气门附近的流动状态比较复杂，为了得到精确的计算结果，可对进气门附近和排气门附近的网格进行细化。在换气和喷雾燃烧过程的仿真中，进气门处、排气门处和气缸体的网格涉及动网格重构，考虑到相应尺度网格的变形，过大的长宽比将导致计算无法继续，因此设置每1°～2°曲轴转角进行一次网格重构。具体地，例如可以设置1°、1.2°、1.4°、1.6°、1.8°、2°曲轴转角进行一次网格重构。

根据本发明的一些实施例，在对流体域进行网格划分之后，三维仿真模型通过网格尺度无关解和时间步长无关解对自身网格划分是否合理进行校准和验证，从而可以提高三维仿真模型的计算精度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，其特征在于，所述发动机为航空重油发动机，包括如下步骤：

S1：初步建立一维仿真模型和三维仿真模型，其中，一维仿真模型用于所述发动机整机全热力循环及动力性能的仿真，三维仿真模型用于模拟所述发动机换气与喷雾燃烧过程中所述发动机缸内流场的演变过程；

S2：分别进行一维仿真模型仿真和三维仿真模型仿真，得出一维仿真模型的仿真结果和三维仿真模型的仿真结果，使一维仿真模型和三维仿真模型进行初次迭代；

S3：在地面状态对所述发动机开展示踪气体法换气实验和定容弹喷雾燃烧实验，获得第一实验结果；

S4：根据所述第一实验结果，标定并优化三维仿真模型的模型特征参数：判断三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与所述第一实验结果之间的误差是否处于5％～10％之间，若否，则修改三维仿真模型的模型特征参数，重复进行步骤S4，若是，则进行步骤S5；

S5：使一维仿真模型和三维仿真模型进行一轮二次迭代，判断一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果之间的偏差是否≤3％,若否，则重复进行步骤S5，若是，则进行步骤S6，其中，在二次迭代过程中需保证三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与所述第一实验结果之间的误差始终处于5％～10％之间；

S6：开展所述发动机的高空环境模拟整机实验以及高空模拟环境下的示踪气体法换气实验和高空模拟环境下的定容弹喷雾燃烧实验，得到第二实验结果；

S7：根据所述第二实验结果，标定并优化一维仿真模型和三维仿真模型：判断一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与所述第二实验结果之间的误差是否小于5％，若否，则修改一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数，重复进行步骤S7，若是，则进行步骤S8；

S8：使一维仿真模型和三维仿真模型进行一轮三次迭代，判断一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果之间的偏差是否≤3％,若否，则重复进行步骤S8，若是，结束流程并获得一三维换气与喷雾燃烧耦合仿真模型，其中，在三次迭代过程中需保证一维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果和三维仿真模型计算的换气与喷雾燃烧结果与所述第二实验结果之间的误差≤5％。

2.根据权利要求1所述的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，其特征在于，所述步骤S3包括，在地面状态下，对所述发动机开展不同SAF组分的示踪气体法换气实验和定容弹喷雾燃烧实验，并与传统燃料相同实验的实验结果进行对比，分析随SAF组分变化带来的换气与喷雾燃烧特性的改变，得到第一实验结果；

对应地，所述步骤S4包括，进行不同组分SAF的三维仿真模型仿真，根据所述第一实验结果，标定并优化不同组分SAF的三维仿真模型的模型特征参数，然后将不同组分SAF的三维仿真模型仿真获得的仿真结果输入一维仿真模型，接着进行不同组分SAF的一维仿真模型仿真，获得不同组分SAF的一维仿真模型的模型特征参数，建立一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数与SAF组分变化的对应关系。

3.根据权利要求2所述的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，其特征在于，所述步骤S6包括，开展所述发动机不同海拔高度的高空环境模拟整机实验以及高空模拟环境下的示踪气体法换气实验和高空模拟环境下的定容弹喷雾燃烧实验，得到第二实验结果；所述步骤S7包括，进行不同海拔高度高空环境的一维仿真模型仿真和不同海拔高度高空环境的三维仿真模型仿真，根据所述第二实验结果，标定并优化一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数，建立一维仿真模型的模型特征参数和三维仿真模型的模型特征参数与海拔高度变化的对应关系。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，其特征在于，所述三维仿真模型包括换气子模型和喷雾燃烧子模型。

5.根据权利要求4所述的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，其特征在于，所述换气子模型包括湍流模型、近壁面函数和扫气子模型，所述喷雾燃烧子模型包括WAVE喷雾子模型和韦伯燃烧子模型。

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，其特征在于，所述一维仿真模型包括进气与增压子模型、气缸子模型、曲柄连杆子模型和排气子模型；所述进气与增压子模型和所述排气子模型包括环境模块，所述环境模块用于不同海拔高度环境的仿真模拟。

7.根据权利要求3所述的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，其特征在于，一轮所述初次迭代、一轮所述二次迭代和一轮所述三次迭代均包括进行一维仿真模型仿真获得仿真结果，一维仿真模型的仿真结果提供并输入缸内初始状态参数、进排气道边界条件参数、活塞连杆动力学边界参数、发动机各壁面温度参数给三维仿真模型；然后三维仿真模型进行仿真获得仿真结果，三维仿真模型的仿真结果提供并输入气门流通系数、涡滚流系数、换气模型曲线、喷雾模型系数和燃烧模型系数给一维仿真模型。

8.根据权利要求7所述的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，其特征在于，所述缸内初始状态参数包括缸内初始温度、缸内初始压力和缸内初始成分，所述进排气道边界条件参数包括进排气的温度、压力、流量在换气全过程的变化曲线。

9.根据权利要求7所述的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，其特征在于，在三维仿真模型仿真中，三维仿真模型的计算流体域包括进气道、排气道、气缸体和燃烧室，计算时对流体域进行网格划分，进气门处、排气门处和气缸体的网格涉及动网格重构，设置每1°～2°曲轴转角进行一次网格重构。

10.根据权利要求9所述的可持续航空燃料发动机高空换气与喷雾燃烧耦合建模方法，其特征在于，在所述对流体域进行网格划分之后，三维仿真模型通过网格尺度无关解和时间步长无关解对自身网格划分是否合理进行校准和验证。

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