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发动机燃烧模型的CFD分析 摘要：运用CFD技术对汽车发动机的燃烧过程进行数值模拟分析具有十分重要的意义，选用合适的燃烧模型对于预测发动机燃烧过程及降低计算成本起到决定性的作用。本文以汽车领域主流的几种燃烧模型进行CFD对比分析，计算结果表明：由于DARS-CFD模型采用流体力学及化学反应动力学的耦合计算，其计算周期长，但仿真结果与试验数据最为吻合；PVM-MF模型由于采用STAR-CD软件自带的反应机理库，计算周期最短；ECFM-3Z及ECFM-CLEH模型的计算周期介于DARS-CFD及PVM-MF模型之间，仿真结果与试验数据的拟合度也介于这二者之间。 关键词：燃烧模型、CFD、对比分析 1引言 随着能源及环境问题日益严峻，设计更经济，更环保的发动机成为各大车企提升竞争力的必要途径。改善发动机的经济性及排放水平，第一步就是研究其燃烧过程，而通过仿真手段开展燃烧过程的分析是非常有效的方法，不仅可以节约成本，更重要的是，可以直观、详细地了解燃料在缸内的变化历程。此时，燃烧模型的选择就起着至关重要的作用。 本文基于STAR-CD软件对发动机的主流燃烧模型进行CFD对比分析，了解各自优缺点，力求找到一种计算周期短、能够较好预测发动机燃烧过程的模型。 2模型建立 2.1几何模型 本文以某车用四缸汽油发动机为研究对象，其参数表1所示。流体计算区域主要包含进/排气道，进/排气门、喷油器、缸盖、气缸及活塞，如图1所示。 表1 发动机参数 发动机参数 数值 缸径 76mm 冲程 82.6mm 连杆长度 133.2mm 压缩比 喷油器 10.5 6孔 图1 几何模型 2.2网格划分 本文采用ES-ICE模块的trim方法创建三维动网格，为保证计算精度，整体网格尺寸为0.8mm，边界层数为2层，厚度为0.4mm，对局部几何结构复杂区域（火花塞附近）进行网格加密，网格尺寸为0.2mm，另外对出口位置进行一定延长。当活塞处于下止点位置，网格数约为92万，如图2所示。 图2 网格模型 2.3 物理模型和边界条件 采用k-Epsilon/RNG湍流模型，近壁面区采用Angelberger壁面函数法求解，连续方程、动量方程、能量方程及湍流控制方程采用二阶离散格式。PVM-MF模型采用STAR-CD软件自带的反应机理库，DARS-CFD模型采用用户自定义的化学反应机理，包含33种组份、38步基元反应。 对于喷雾设置：初始粒径分布、破碎模型、动量交换、阻力模型均根据试验数据，采用用户子程序进行修正处理，壁面碰壁模型采用Bai-Gosman模型。 计算选择5500rpm全负荷工况，单燃料组份C8H18。初始化及边界条件由试验数据标定GT-Power模型后仿真获得。 3 结果分析 3.1 燃烧模型标定结果 图3是ECFM-3Z、ECFM-CLEH、DARS-CFD、PVM-MF燃烧模型的缸内压力曲线标定结果。在燃烧阶段，与试验数据相比，各燃烧模型的缸内压力峰值分别相差0.54%、0.62%、0.12%和0.26%，对应的曲轴转角相位分别相差1.4、0.5、1.1、3.6 deg.。三维CFD模拟结果和试验数据吻合较好。因此，各燃烧模型的CFD仿真数据可用作缸内燃烧分析。 图3 缸内压力标定结果 3.2 燃烧持续期 各燃烧模型的燃烧持续期的仿真对比数据如图4所示。对于CA50(（燃料燃烧50%对应的曲轴转角），各燃烧模型的三维CFD数据与试验数据较接近，最小相差0.2deg.，最大相差2.6deg.。除PVM-MF模型外，各燃烧模型仿真的燃烧持续期（燃料燃烧10~90%）与试验数据吻合较好，相差在3deg.以内。PVM-MF模型表现出燃烧过快的原因，可能是STAR-CD软件自带的反应机理库不够完善，应根据实际燃料进行修正。 图4 燃烧持续期 3.3 燃烧做功数据 各燃烧模型的燃烧做功仿真数据如图5-7所示。DARS-CFD模型的各项做功数据与试验数据最为接近，相差在1.5%以内，用于预测发动机性能最为理想。PVM-MF的各项做功数据与试验数据差异较大，接近20%，原因前面已述。因此，个人建议PVM-MF模型进行缸内燃烧分析时，根据实际燃料选用合理的反应机理库。由于ECFM-3Z与ECFM-CLEH模型均是拟序火焰模型发展而来，二者的做功数据相差较小，且与试验数据相差在5%左右。 图5 净指示功 图6 指示功率 图7 平均指示缸内压力 3.4 计算周期 所有燃烧模型的仿真计算过程均采用16CPU，Linux系统。假定燃烧参数合适的情况下，各燃烧模型的计算周期如表2所示。PVM-MF模型的耗时最短，DARS-CFD模型的耗时最长，ECFM-3Z与ECFM-CLEH的耗时相当，并介于PVM-M