直喷汽油机缸内瞬态流动特性的模拟研究

刘大明

摘要：本文采用分离涡模拟方法（Detached Eddy Simulation， DES）研究内燃机瞬态缸内流动，并对模拟结果进行了实验验证，分析了缸内滚流运动、湍动能的时间演化及空间分布。研究表明， 对于缸内滚流运动，在进气下止点附近，缸内才形成明显的大尺度滚流，在压缩上止点附近，由于活塞的挤压作用，滚流破碎成小尺度涡团。压缩后期由于滚流破碎能量加速向小尺度湍流传递，湍动能出现第二峰值。进气冲程在气门处由于自由剪切作用，导致缸内湍动能大幅升高。气门关闭后，湍流较强的区域位于缸壁和活塞顶面，由滚流与壁面的剪切作用产生。

Abstract： In this paper， the Detached Eddy Simulation method was introduced into the transient in-cylinder flow simulation of the internal combustion engine. The simulation results were verified experimentally. The tumble flow motion， turbulent kinetic energy and turbulent coherent structure in the cylinder were analyzed. The results showed that for the in-cylinder tumble flow motion， a significant large-scale tumble flow was formed in the cylinder near the BDC of the induction stroke. Near the TDC of compression， the tumble flow was broken into small-scale vortices due to the squeezing effect of the piston. In the later stage of compression stroke， the turbulent kinetic energy showed a second peak due to the acceleration of the tumbling flow breaking energy to the small-scale turbulent flow. During the induction stroke，the turbulent kinetic energy increased significantly near the valves due to the free shearing effect. After the intake valve was closed， the area with strong turbulence was located on the cylinder wall and the top surface of the piston.

關键词：直喷汽油机;缸内流动;分离涡模拟;湍动能分布

Key words： gasoline direct injection engine;in-cylinder flow;detached eddy simulation;turbulent kinetic energy distribution

0  引言

对于缸内直喷汽油机，缸内滚流的组织直接影响油气混合和好坏和燃烧速率的快慢[1]。基于光学发动机的缸内气流运动的光学诊断实验研究，难以全面考察缸内气流运动的特性，因此，数值模拟方法成为内燃机缸内气流运动研究不可或缺的途径。基于空间过滤的大涡模拟方法（LES，Large Eddy Simulation）能够对湍流细节和瞬态特性进行捕捉，Reynolds[2]指出大涡模拟可能是模拟往复式发动机缸内流动的最佳途径。最近一些学者[3-5]将大涡模拟的一种—分离涡模拟DES（Detached Eddy Simulation）方法引入内燃机缸内流动的研究取得了很好的研究结果。本文将DES模型应用到某直喷汽油机缸内瞬态流动的模拟，考察该模型对内燃机瞬态流动的预测能力。

1  计算模型建立

1.1 模型参数

数值模拟直喷发动机模型基于自行搭建的直喷汽油机光学测试平台建立。其主要结构参数如表1所示。

1.2 动网格生成与控制

网格生成时为了适应动网格控制方法和复杂的边界条件，采用四面体网格，下止点网格如图1所示。为采用DES模型进行计算，对近壁处网格进行了适当加密，下止点总网格数为119万（不包括排气道）。

1.3 边界条件及计算工况

对比计算了不同湍流模型对瞬态工况下缸内近壁流动的影响，包括大涡模拟的oneEqEddy单方程模型和DES模型，以及雷诺平均的kOmega模型。（表2）

本文将DES模型引入直喷汽油机整个工作循环的瞬态流动大涡模拟，着重于分析瞬态特性，为减小初始条件对计算结果的影响，取排气中期上止点前90°CA作为计算始点，压缩上止点为计算终点，进气上止点定义为0°CA。

2  数据处理

采用DES和oneEqEddy模型的大涡模拟结果为瞬态模拟结果，为了与光学发动机平均流场的实验结果进行对比验证，采用低通滤波方法将平均流场和湍流脉动流场分开[6]。

3  结果分析

3.1 模拟结果验证及滚流流场演变

图2为不同曲轴转角时刻各方向涡团积分长度尺度平均值。可以看到，在进气阶段缸内流动受进气射流的带动，流场平均积分尺度较大;进气后期射流影响减弱流场整体平均尺度明显下降，压缩中期大尺度滚流的形成使积分尺度再次增大，压缩后期则由于滚流的破碎尺度明显下降。

根据积分长度尺度采用低通滤波就可以将可解湍流成分与平均场分开，进而分析平均流场结构以及湍流强度随曲轴转角的变化。

图3给出了进气和压缩阶段的流场分布，并在60°CA ATDC时刻给出光学发动机PIV实验结果用于模型验证。大涡模拟结果采用低通滤波方法滤掉了流场中的中小尺度随机涡团。oneEqEddy模型的大渦模拟结果以及kOmega模型的RANS模拟结果仅在60°CA ATDC时刻给出，用于模型对比。

图3（a）所示60°CA ATDC不同模型计算结果显示，DES模型得到的流场结构与PIV实验结果吻合最好，由进气门上下两侧进入汽缸的两股气流在排气门下方交汇，之后上行在气缸上部形成左右两个旋涡，由于拍摄视窗的显示，实验结果中未能体现两个涡的涡心。oneEqEddy模型左侧旋涡不明显，而kOmega模拟结果左侧气流过强，导致气流交汇位置与实验结果有一定偏差。另外值得注意的是，模拟结果总体速度与实验结果相比偏大，原因在于实验时流场循环变动较模拟结果大，导致集总平均求取的平均流场速度偏小。

随着活塞下行（如图3（b）所示），左侧气流明显增强，在气缸下部形成较大旋涡，而右侧气流则相对减弱，在靠近右侧壁面形成较小的旋涡，同时在进气门下方也形成一个小涡。此时流场结构较为复杂，虽然已经有大尺度滚流的雏形，但由于右侧气流的干扰仍无法形成明显滚流。

当越过下止点气门关闭以后（如图3（c）所示），缸内形成明显的大尺度滚流，随着活塞的继续上行，滚流更加规则，流场速度略有上升。当活塞到达上止点附近（如图3（e）所示），大尺度滚流开始破碎成小涡，同时伴随湍流的增强。

3.2 进气及压缩阶段流场湍动能变化

图4给出了缸内空间平均湍动能随曲轴转角的变化，图示湍动能包括两部分，一部分为大涡模拟可解尺度湍动能，由瞬时场减去平均场得到的脉动场求得，另一部分为亚网格湍动能，直接由亚网格湍流模型求解得到。可以看到，进气前期（60°CA ATDC左右），湍动能大幅增大，1500r/min时峰值可以达到130m2/s2，之后大幅下降，到进气后期及压缩前期达到最低值，压缩后期再次小幅升高。

湍动能空间分布的变化规律与缸内流动状态直接相关，如图5所示，进气前期由于进气射流造成的自由剪切作用和壁面剪切导致湍流脉动强烈，气门阀座处湍动能最高达到500m2/s2。而气门关闭后，压缩行程前期，缺少了进气射流的激励，缸内湍流强度大幅下降，高湍动能区位于活塞顶面附近，最大值仅有10m2/s2，此时湍流的产生主要是由于滚流与缸壁和活塞顶面的摩擦剪切作用。随着活塞继续上行，滚流加速导致湍流有所增大，当到达压缩后期，滚流破碎，湍流再次加强，在燃烧室中部分布着较高的湍动能。

4  结论

本文将DES模型引入内燃机瞬态工况缸内流动模拟，采用光学发动机实验结果对模拟结果进行了验证，通过模拟结果分析了缸内滚流运动规律、湍动能变化及其空间分布。主要结论如下：

①对于缸内滚流运动，在进气阶段中前期，在进气射流的影响下形成一大一小两个涡团，在进气下止点附近，缸内才形成明显的大尺度滚流，在压缩上止点附近，由于活塞的挤压作用，滚流破碎成小尺度涡团。

②对于湍动能的变化，进气前期由于进气射流的激励，湍动能大幅增大，之后大幅下降，到进气后期及压缩前期达到最低值。压缩后期由于滚流破碎能量加速向小尺度湍流传递，湍动能再次小幅升高。

③对于湍动能空间分布，进气前期由于进气射流造成的自由剪切作用导致气门附近湍流脉动强烈。气门关闭后，湍流较强的区域位于缸壁和活塞顶面，由滚流与壁面的剪切作用产生。

参考文献：

[1]Heywood J. B.， Internal combustion engine fundamentals， New York： McGraw-Hill， 1988， 326-365.

[2]Reynolds W. C.， Modelling of Fluid Motions in Engine - an Introductory Overview. In： Combustion Modelling in Reciprocating Engine， New York： Plenum Press， 1980， 41-68.

[3]Hasse C.， Sohm V.， Durst B.， Numerical investigation of cyclic variations in gasoline engines using a hybrid URANS/LES modeling approach， Computers & Fluids， 2010， 39（1）： 25-48.

[4]Hartmann F.， Buhl S.， Gleiss F.， et al， Spatially Resolved Experimental and Numerical Investigation of the Flow through the Intake Port of an Internal Combustion Engine， Oil & Gas Science and Technology – Revue d’IFP Energies nouvelles， 2016， 71（1）： 2.

[5]Buhl S.， Dietzsch F.， Buhl C.， et al， Comparative study of turbulence models for scale-resolving simulations of internal combustion engine flows， Computers & Fluids， 2017， 156： 66-80.

[6]Li Y.， Zhao H.， Characterization of an in-cylinder flow structure in a high-tumble SI engine， International Journal of Engine Research， 2004， 5（5）： 375-400.

[7]Qin W.， Xie M.， Jia M.， et al， Large eddy simulation and proper orthogonal decomposition analysis of turbulent flows in a direct injection spark ignition engine： Cyclic variation and effect of valve lift， Science China Technological Sciences， 2014， 57（3）： 489-504.