KIVA程序介紹自己總結(jié)

1、KIVA系列程序的開展內(nèi)燃機工作過程數(shù)值計算經(jīng)歷了從零維模型、準維模型到多維模型的開展,已有近百年歷史,但是多維模型的開展只有 20多年時間.美國Los Alamos國家實驗室開發(fā)的 KIVA系列程序 最具代表性.1975年,美國Los Alamos國家實驗室公布了一份研究報告,首次推出了二維RICE程序.它利用矩形計算區(qū)域分析它的網(wǎng)格、模擬渦流的漩渦擴散,用有多種化學(xué)反響和燃油種類的動力學(xué)來模擬實際化學(xué)動力學(xué),用特定的有限差分公式來有效地處理低馬赫音速問題,這就是KIVA程序最原始的雛形.隨后, Butler和Cloutman等人在RICE程序的根底上采用了 ALE法(Arbitrary L

2、agrangian-Euler)進行網(wǎng)格劃分,在模擬計算中參加了對活塞形狀和活塞運 動的描述6.隨后,美國Los Alamos國家實驗室于1979年推出了 RICE程序的新版本一一 CONCHAS程序,它用來求解二維非定常多元化反響流問題,并用亞網(wǎng)格尺度模型來考慮湍流的影響.1982年,Cloutman和 Amsden等人把噴霧模型引用到CONCHAS 程序中,發(fā)表了CONCHAS-SPRAY程序的研究報告.正如其名稱所示,CONCHAS-SPRAY程序增加了噴射 動力模型,同時該程序把快速和慢速反響區(qū)別為化學(xué)平衡反響和化學(xué)動力學(xué)反響,并考慮了非基元反響的影響.CONCHAS-SPRAY之后,

3、1985年,美國Los Alamos國家實驗室推出用于內(nèi)燃機化學(xué)反響流 模擬的大型三維程序 KIVA,它將二維的CONCHAS-SPRAY程序開展成能用相同的模式處 理二維和三維問題的模擬程序,可用來求解二維或三維的非定常多元化學(xué)反響流及蒸發(fā)性液 體射流問題.它擴充了噴霧模型,可處理噴霧和炭化問題,同時,它采用了音速的方法來提上下馬赫數(shù)的計算效率.1989年,Anthony A.Amsden等人在KIVA的根底上開發(fā)了 KIVA-2程序,該程序在計算效 率、計算精度、物理子模型、使用方便性和通用性方面都有了很大提升,集中表達了美國Los Alamos國家實驗室在內(nèi)燃機燃燒過程多維數(shù)值模擬方面的

4、研究工作.KIV A-2程序使用了改良的k-e湍流模型(雙方程模型),對缸內(nèi)湍流進行模擬,并增加了液滴氣體動力學(xué)破 裂模型,同時還增加了對噴霧與壁面相互作用的模擬.KIVA-2的公式和數(shù)學(xué)計算過程具有通用性,可用于層流或湍流、亞音速流或超音速流,單相流或擴散兩相流,允許燃料種類和化學(xué)反響隨實際情況而變化.1993年,美國Los Alamos國家實驗室在 KIVA-2程序的根底上研制出KIVA-3程序.該程序使用分塊結(jié)構(gòu),可以把許多復(fù)雜的幾何形狀分成簡單的塊后再拼接起來,因此可以計算非常復(fù)雜的幾何形狀,既節(jié)約了存儲空間,又提升了計算速度. KIVA-3程序用外表波增長模型 (Surface-Wa

5、ve-Growth Model)取代TAB裂化模型來模擬油束的霧化,使其適用于高氣體壓力和溫度的工況(例如增壓),并由單組分燃油向多組分燃油蒸發(fā)過渡,以不斷完善對噴霧過 程的模擬.1997年3月,KIVA-3的改良版KIVA-3V完成,在該程序中增加了擴展的 Hessel氣門模型, 氣門可以有各自的升程曲線,氣門可以是垂直的也可以是傾斜的.因此 KIVA-3V可以模擬 伴隨進排氣門運動的氣體流動,可以模擬完整的發(fā)動機工作循環(huán),涉及氣體流動、噴油、傳熱和廢氣的生成等,幾乎包括了發(fā)動機工作過程中的所有物理現(xiàn)象.KIVA-3V的另一特點是增加了油膜流動模型,這擴展了 KIVA-3中的氣道噴油和缸內(nèi)噴

6、油時考慮與壁面相互作用 的情況,它包括噴油附壁、濺射,任意復(fù)雜壁面上油膜在空氣動力學(xué)效應(yīng)下的流動,油膜和 油膜重新進入氣流時的熱量和質(zhì)量的交換.KIVA-3V還增加了混合限制的湍流燃燒模型和碳煙模型,還增加了燃料數(shù)據(jù)庫,其中包括汽油、柴油和酒精等多種燃料.1999年5月,KIVA-3VRel2公布,該版本使發(fā)動機模擬程序更加成熟,在此程序中提升了 本身的自我保護功能,通過自動減小時間步長進行自動循環(huán),防止在程序運行中期由于迭代發(fā)散和網(wǎng)格單元溫度過高溫度溢出而使程序運行失敗.它完善了流體邊界層的厚度模型,在發(fā)動機的噴霧研究中,又增加了一個破裂噴霧模型.2001年出現(xiàn)了 KIVA-3V ERC ,

7、它對KIVA-3VRel2進行了一些補充和完善. 迄今為止,從國 際上發(fā)表的論文來看,內(nèi)燃機多維燃燒模擬方面的研究約有80%是利用KIVA系列程序計算的.正因如此,KIVA系列程序得到了越來越廣泛的應(yīng)用.隨著 KIVA程序數(shù)學(xué)模型的逐 步完善,它已經(jīng)可以用來模擬內(nèi)燃機的燃燒和排放.目前, KIVA系列程序已進入了一個黃 金開展階段.在世界各國,許多大學(xué)和研究機構(gòu)以及各大汽車公司都投身于相應(yīng)的研究之中. 通過內(nèi)燃機工作過程模擬已經(jīng)顯示出,它不僅是理解燃燒和有害排放物生成的工具,也 可以用于新發(fā)動機的設(shè)計,在汽車工業(yè)中發(fā)揮出更大的作用.第二章KIVA-3V程序結(jié)構(gòu)介紹2.1 根本情況KIVA是美國

8、Los Alamos國家實驗室推出的用于發(fā)動機工作過程仿真計算的程序集的總稱.自1985年KIVA程序問世以來,得到了不斷的開展和完善,陸續(xù)出現(xiàn)了KIVA-2、KIVA-3、KIVA-3V、KIVA-3VRel2和KIVA-3V ERC.目前,KIVA系列程序得到了越來越廣泛的應(yīng)用, 它不僅在美國內(nèi)燃機的設(shè)計和研究上得到了廣泛應(yīng)用,在其他興旺國家也同樣受到重視.在世界各國,許多大學(xué)和研究機構(gòu)以及各大汽車公司都投身于相應(yīng)的研究之中.目前,KIVA系列程序已進入了 一個黃金開展階段.2.2 KIVA-3V程序集的結(jié)構(gòu)KIVA-3V程序集的結(jié)構(gòu)如圖 2-1所示：KIVA-3V程序集包含前處理K3PR

9、EP、求解器主程 序KIVA-3V和后處理K3POST三局部.圖2-1 KIV A-3V程序集結(jié)構(gòu)2.2.1 前處理K3PREPKIVA-3V程序集的前處理程序一一 K3PREP,是一個根本的網(wǎng)格生成器,它可以將形狀復(fù)雜 的求解區(qū)域分成一系列形狀簡單的塊,對每一塊劃分網(wǎng)格,然后通過塊粘接技術(shù)再把各個塊粘在一起.盡管采用塊粘接技術(shù),但K3PREP還是不能生成形狀非常復(fù)雜的網(wǎng)格.對于一個具有復(fù)雜形狀燃燒室、氣道和氣門的柴油機模型來說,如果用 K3PREP生成網(wǎng)格,那么 可能需要一個月甚至更長的時間,而求解器求解可能只需要一兩天的時間.并且,這種前處理所需時間和求解器求解所需時間之間的不平衡性會隨著

10、模型形狀的復(fù)雜更加突出.因此, 在過去的幾年中,出于利用KIVA處理復(fù)雜的發(fā)動機模型的需要,專業(yè)的網(wǎng)格前處理軟件得到了廣泛的應(yīng)用.iprep為前處理程序K3PREP的輸入數(shù)據(jù)文件,其中包含發(fā)動機的根本技術(shù)參數(shù),如缸徑、 行程、余隙等,為生成網(wǎng)格所劃分的各個邏輯塊的信息,塊粘接命令以及生成氣門的有關(guān)命令等.有關(guān)iprep文件中各項的詳細說明可參見KIVA-3V使用手冊.運行K3PREP將生成一個主程序KIVA-3V可以直接讀取的包含網(wǎng)格信息的數(shù)據(jù)文件itape17,它包括所有網(wǎng)格頂點的坐標x、y、z,網(wǎng)格單元及節(jié)點標志F、FV ,六個相鄰單元的連接數(shù)據(jù),三個單元面的邊界數(shù)組和一個區(qū)域標志數(shù)組.2

11、.2.2 求解器(主程序 KIVA-3V )求解由主程序 KIVA-3V完成.KIVA-3V由一個主程序和一系列實現(xiàn)不同功能的子程序組成, 這樣便于對程序進行改良和擴充.各個子程序的調(diào)用通過外部輸入數(shù)據(jù)文件itape5中的開關(guān)變量值由主程序限制,便于實現(xiàn)有或無噴油、層流或湍流、亞音速流或超音速流、各種邊界條件等不同任務(wù)的切換.為了節(jié)省存儲空間,盡可能讓各變量在需要時才占用存儲位置,不被使用時就將其存儲位置讓給其它變量.此外,程序運行時通過假設(shè)干個輸出數(shù)據(jù)文件輸出程序運行過程中的監(jiān)視信息和計算結(jié)果.KIVA-3V 有三個輸入數(shù)據(jù)文件：itape17, itape18和itape5.其中itape

12、17為前處理 K3PREP所生成的數(shù)據(jù)文件；如果模型包括進排氣門,那么需要通過itape18來輸入氣門升程數(shù)據(jù),它主要是把氣門的升程曲線轉(zhuǎn)化為一系列數(shù)據(jù),供主程序調(diào)用.itape5主要包括發(fā)動機的基本技術(shù)參數(shù),初始條件,燃油噴射參數(shù),點火時間(汽油機)、計算公差、仿真起止時間等數(shù)據(jù).有關(guān)itape5中的各項輸入數(shù)據(jù)的詳細說明可參見KIVA-3V使用手冊.KIVA-3V主程序運行后輸出數(shù)據(jù)文件有dat.* , plotgmv圖形文件,otape9,otape8和otape12五類.dat.*給出隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的平均性能數(shù)據(jù)：包括平均氣缸壓力、溫度、體積、密度、質(zhì)量、噴油數(shù)據(jù)、湍流數(shù)據(jù)和動力學(xué)數(shù)據(jù)

13、等.plotgmv圖形文件可通過三維可視化圖形處理工具 GMV(General Mesh Viewer)來處理,它也是由美國 Los Alamos國家實驗室開發(fā)的. otape9用于后處理,其中包含氣缸中各點的指定曲軸轉(zhuǎn)角的性能數(shù)據(jù),它可以通過k2fv轉(zhuǎn)化為Fieldview可以讀取的數(shù)據(jù)文件.otape 8中為重新計算所需的信息.otape12中那么包含發(fā)動機相關(guān)技術(shù)參數(shù)、程序運行過程中顯示器顯示的監(jiān)視信息、錯誤信息以及氣缸中各種物質(zhì)組成的相關(guān)信息.如果運行失敗,可以依據(jù)屏幕提示和otape12進行檢查和分析,尋找程序運行失敗的原因. 2.2.3 后處理(K3POST) 后處理K3POST以

14、KIVA-3V的輸出數(shù)據(jù)文件 otape9及ipost為輸入文件,運行后可得 *.ps 文件假設(shè)干.*.ps文件的多少取決于ipost文件中的請求.*.ps文件可用CGS(CommonGraphicsSystem)軟件來處理,CGS也是由美國Los Alamos國家實驗室開發(fā)的.本課題利用 Fieldview10.0作為后處理軟件,并編制了 otape9與Fieldview10.0之間的接口程序 k2fv ,通 過k2fv將otape9轉(zhuǎn)換為Fieldview10.0能讀取的*.uns文件和*.fvp文件,從而制作動畫、曲 線圖、立體圖等. 2.3 KIVA-3V 包括的模型 2.3.1數(shù)學(xué)模

15、型 在內(nèi)燃機燃燒過程的數(shù)值模擬中,對流體運動(包括層流和湍流)的描述都是基于三條根本的物理原理27 : (1)質(zhì)量守恒定理；(2)能量守恒定理；(3)動量守恒定理.對所研究的連續(xù) 流體對象可以利用不同的方法建立模型進行離散化,常用的建模方法包括有限差分法(finitedifference)有限容積法(finite volume)和有限元法(finite element).KIVA-3V 使用的是有限容 積法.對建立的離散化模型進行數(shù)學(xué)描述通常需要利用質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及理想氣體狀態(tài)方程.由于內(nèi)燃機流動問題中包含工質(zhì)各成分之間的化學(xué)反響,限制方程組中還需要有各種化學(xué)成分的

16、質(zhì)量守恒方程,同時在能量守恒方程中也將出現(xiàn)由化學(xué)反響引起的源項.另一方面,為了使數(shù)值計算得到實現(xiàn),KIVA-3V程序?qū)-S方程進行了必要的簡化,同時引入了湍流模型.本章常用的向量表示如下：設(shè)氣缸內(nèi)任意點的速度為u=u (t,x,y,z) ,v=v (t,x,y,z) ,w=w (t,x,y,z),密度為 k p (t,x,y,z).位移矢量x表示為：x x, yj zk ,其中i、j、k為x、y、z方向的單位 矢量.矢量算子表示為： ,一 j k 0(4-1)速度矢量 u表示為：U u(t,x, y, z)i' v(t,x,y, z)j w(t,x, y, z),其中 t 為時間.(

17、1)質(zhì)量守恒方程任何流動問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律. 該定律可表述為：單位時間內(nèi)流體微元 體中質(zhì)量的增加,等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量26.根據(jù)這一定律,可以得出質(zhì)量守恒方程(即連續(xù)方程):(mU) D 1)|：,mi(4-2)式中：pm組分 m的密度,kg/m3U流體速度,m/sP總的密度,kg/m3D 質(zhì)量擴散系數(shù)W化學(xué)反響引起的源項卜端噴霧產(chǎn)生的源項6Dirac delta 符號所有的組分相加,得到總的質(zhì)量守恒方程(即連續(xù)性方程)：?( u) s(4-3)(2)動量守恒方程動量守恒定律也是任何流動系統(tǒng)都必須滿足的根本定律.該定律可表述為：微元體中流體的動量對實踐的變化率等于外界

18、作用在該微元體上的各種力之和.由此得出動量守恒方程為：(u)12 s/、-?( u?u) p ?Ao (- k) F g 4-4t3式中：用于低馬赫數(shù)時的 PGS (Pressure Gradient Scaling方法p流體的壓力,Pa粘性應(yīng)力張量,N/mk湍流脈動動能,kJ/m3g比體積力Fs 由于噴霧引起的每單位體積所獲得的動量增量,kg/ (m2s)在層流計算中,A0=.；在湍流計算中,Ao=1.粘性應(yīng)力張量可以表示為：?u ( ?u)T ?uI(4-5)式中：、 分別為第一、第二粘性系數(shù).上標 T表示轉(zhuǎn)置,I表示單位矩 陣.(3)能量守恒方程能量守恒定律是含有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足

19、的根本定律.該定律可以表 述為：微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元 體所作的功,由此可以得出能量守恒方程為：(d) p,(1 A.)：» J AoQc Qs (4-6)式中：I 除去化學(xué)能的比內(nèi)能,kJ/kgJ熱通量矢量,為熱傳導(dǎo)和始擴散作用的總和,kJqC 燃燒放熱產(chǎn)生的源項Qs 噴霧產(chǎn)生的源項：?u代表粘性應(yīng)力做功,表示由于流體克服粘性力所消耗的機械 能不可逆的轉(zhuǎn)化熱能而消耗掉.p ?u代表流體體積變形時法向力(壓力)所作功.(4)湍流方程湍流運動的特征是在運動過程中質(zhì)點具有不斷的互相混摻的現(xiàn)象,速度和壓力等物理量在空間和時間上均具有隨機性質(zhì)的脈動值

20、.KIVA-3V程序中提供兩類可供選擇的湍流模型：標準k-e雙方程湍流模型和RNG k- e雙方程湍流模型.標準k- £雙方程湍流模型標準k- £雙方程湍流模型采用兩個偏微分方程聯(lián)立求解湍流動能k和其耗散率e ,如下：+ v piik)二一,十(t：f"十(-)VA /希十 W(2-5)十 (3外二('乙,用 一 + V (&£ +dr3Pr(CfCr ： V w -4 CWf)式中：k 式流動隹,式加,e 濡動能耗散率,m%W1 噴霧相互作用產(chǎn)生的源理.CrCV、G,匕.Pr為常數(shù),它們的伉儕試驗和理論研究得 出口； = l.-M. C

21、Z=l62 O-J.、C -1.4, Pr,=lCh Pr =1-RNG k- e雙方程湍流模型RNG k- e模型是由 Yakhot及Orzag提出的,該模型中的 RNG是英文“renormalization group 的縮寫,有些文獻將其譯為重正化群,本章直接使用RN原名.RNG k-e雙方程湍流模型是在標準k- £雙方程湍流模型的根底上改良得到的,RNG k- £雙方程模型如下：四肛十 V (網(wǎng)上)=-/»tv- /?£ + W!加3Pr4- + V *= -f - f；-? + - t V W)p圖忘(2-6)和33 fp一 £ (臺

22、)ye,g(G - rjcr; " 一 r；門/十 U 巾"KC式中：k為湍流動能 kiln3« 為油動能耗融率.人物理意義是：單位蜃成流體做團在單位時間內(nèi) 由于而通過分廣研性所引的不可逆地轉(zhuǎn)化為他般的那 局部淌能,£C、Ct, Pr、門為林數(shù)s £；二1一42、=4M £：產(chǎn)LO.Pr =1.0, Pr =1.3 , C = 0爐5 . £ u況二2%)1 +阿4 =比上優(yōu)組應(yīng)變率或有平均流時間尺度與湍說L f徐,和/-+ V上加 dlX J/時間尺心之比=y =(2J j;ju,也危-業(yè)率讓h!<.=用是小也均勻剪

23、切攤的典也值,取為4.陽/ = 0.015 ;尸-1 + lG-n電-】)*廣而OG叩V. * I：3 1£>口時,7；削噴霧相M作用產(chǎn)生的謝:項,其物理意義是渦流在噴霧過程中所校 消禮的功.北伯總小贈RNG是一種用于構(gòu)筑許多物理現(xiàn)象模型的通用方法.它的根本思路是通過在空間尺度上的“粗?；拿枋?從而系列連續(xù)變換,對原本十分復(fù)雜的系統(tǒng)或過程實現(xiàn)粗分辨率的或使問題得到簡化而易于處理.RNG k- £湍流模型具有以下獨特的優(yōu)點：A、RNG湍流模型中不包括任何經(jīng)驗常數(shù)和可調(diào)節(jié)的參數(shù).其模型常數(shù)是利用RNG理論精確地推導(dǎo)出來的,因而是通用的,不需要針對特定的問題進行調(diào)整或修正

24、.B、RNG湍流模型適用于各種雷諾數(shù)范圍,包括層流、轉(zhuǎn)換過渡區(qū)以及充分開展的湍流,它可以考慮固壁和界面的影響而無須求助于壁面函數(shù)之類的經(jīng)驗公式.C、由于RNG模型能較好地反映各向異性和非平衡過程等效應(yīng),因而對帶有別離、分層、 旋轉(zhuǎn)和沖擊等效應(yīng)的湍流均能做出比擬滿意的預(yù)測.對于與時間相關(guān)的大尺度運動也能給以真實的模擬.D、RNG湍流模型在數(shù)值計算上具有較好的穩(wěn)定性和收斂性,與標準 k-e模型相比,它的 計算量大約只增加10-15%,而計算精度和適用范圍卻有很大改善,甚至可與雷諾應(yīng)力模型相比擬,但后者的計算量卻是前者的310倍.在空間尺度上的一系列連續(xù)變換,對原本十分復(fù)雜的系統(tǒng)或過程實現(xiàn)粗分辨率的

25、或“粗?；拿枋?從而使問題得到簡化而易于處理.RNG k- £湍流模型具有以下獨特的優(yōu)點 23:A、RNG湍流模型中不包括任何經(jīng)驗常數(shù)和可調(diào)節(jié)的參數(shù).其模型常數(shù)是利用RNG理論精確地推導(dǎo)出來的,因而是通用的,不需要針對特定的問題進行調(diào)整或修正.B、RNG湍流模型適用于各種雷諾數(shù)范圍,包括層流、轉(zhuǎn)換過渡區(qū)以及充分開展的湍流,它可以考慮固壁和界面的影響而無須求助于壁面函數(shù)之類的經(jīng)驗公式.C、由于RNG模型能較好地反映各向異性和非平衡過程等效應(yīng),因而對帶有別離、分層、 旋轉(zhuǎn)和沖擊等效應(yīng)的湍流均能做出比擬滿意的預(yù)測.對于與時間相關(guān)的大尺度運動也能給以真實的模擬.D、RNG湍流模型在數(shù)值計算

26、上具有較好的穩(wěn)定性和收斂性,與標準 k-e模型相比,它的 計算量大約只增加10-15%,而計算精度和適用范圍卻有很大改善, 甚至可與雷諾應(yīng)力模型 相比擬,但后者的計算量卻是前者的 310倍.(5)理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程,在熱力學(xué)模擬計算過程中起到了重要的作用,在(4-7)(4-8)(4-9)(4-10)KIVA-3V程序中,考慮到缸內(nèi)氣體溫度、壓力與容積的變化,采用以下方程進 行計算：WmR(T)(-)Im(T)mCp(T)L)Cpm(T)mhm(T) I m(T) R°T/Wm式中：R0 為通用氣體常數(shù),kJ/ (kg K)Wm 為組分m的分子量Im(T)為組分m的在溫度

27、T下的比內(nèi)能Cpm(T)為組分m的在溫度T定壓比熱,J/ (kg K)(6)物性參數(shù)在KIVA-3V程序中,對相關(guān)物性參數(shù)采用了如下的方法進行計算：第一粘性系數(shù)：(1.0-A0) V0air A0c k2/(4-11)第二粘性系數(shù)：A3(4-12)C熱傳導(dǎo)系數(shù)：K (4-13)Pr擴散系數(shù)：D (4-14)&為是個輸入的常敢；口是一個纖的常數(shù),箕標準值為0345： 用也由SuUierlind公式讓兌卜即月4兄喋如 夕紊沛的怙況|<4二-g. 乂流國可以打直擊定：PrandtlfllSchiiidt叱pt和Sc,址柏 人的常敢-2.3.2 噴霧模型對燃油噴霧現(xiàn)象的準確描述是內(nèi)燃機仿

28、真技術(shù)的關(guān)鍵之一.目前,在內(nèi)燃機數(shù)值模擬計算中有兩種噴霧模型33:連續(xù)液滴模型(Continue Droplet Model)CDM 和離散液滴模型(Discrete Droplet Model)DDM . CDM將噴霧體表示成一個連續(xù)體,要求在所有的網(wǎng)格中都進行噴霧 方程的計算,需要很多計算時間和很大的存儲水平.DDM基于蒙特卡洛法,只處理其中假設(shè)干具有代表性的統(tǒng)計樣本 (油滴),每個油滴代表一定數(shù)目的直徑和狀態(tài)都完全相同的油粒, 對處理噴霧和氣體的相互作用是很有效的.在KIVA-3V中,噴霧模型選用離散液滴模型DDM.噴霧的連續(xù)分布函數(shù) f通過噴霧的離散分布函數(shù)V來逼近：L11每個油滴都由

29、人鼠具有相同的位置引、速度引、粒徑小溫度Q和振轎參 數(shù)匕,%的油粒組成,而噴油器噴射出的所有油滴的性質(zhì)(粒徑、速度、溫度、 每個油滴都由大量具有相同的位置、速度、粒徑、溫度和振蕩參 數(shù)、的油粒組成,而噴油器噴射出的所有油滴的性質(zhì)(粒徑、速度、溫度、噴霧特性等)通 過相應(yīng)的分布函數(shù)的統(tǒng)計抽樣來描述.通過計算這些離散油滴與周圍氣體的質(zhì)量、動量和能量交換來反響整個噴霧油束的運動.DDM方法在計算油滴軌跡時并未考慮氣相湍流脈動的影響.實際上湍流渦團的無規(guī)那么運動 必然使油滴在其運動過程中不斷受到一種隨機的干擾力.由湍流脈動在運動粒子上產(chǎn)生的這種附加的隨機運動就是所謂的湍流擴散.柴油機中霧化油滴的直徑為

30、幾個到幾十Mm的量級,湍流擴散對其運動的影響是不能忽略的,這一擴散有時甚至可能完全改變油滴的形狀和位置.湍流對油滴擴散作用可用兩種方法計算.當時間步長小于油滴的湍流作用時間時,那么在計算兩相之間的質(zhì)量、動量和能量交換時,給當?shù)仄骄鶜怏w速度加上一脈動速度；當時間步長大于湍流作用時間時,湍流引起的液滴位置和速度的變化是根據(jù)這些變化量的概率分布 的解析解隨機地加以選取.KIVA-3V中對油滴運動的處理除了考慮與周圍空氣介質(zhì)的相互作用外,還可以考慮油滴的 破裂、油滴之間的碰撞聚合以及油滴與壁面之間的相互作用.其中油滴破裂和相互碰撞的子模型出現(xiàn)的較早,已經(jīng)過較長時間的應(yīng)用和改良,準確性相對較高.而噴霧碰

31、壁模型是 KIVA-3V中剛剛參加的子模型,KIVA-3V的噴霧碰壁模型包括飛濺 splash子模型和油膜film 子模型,用以反響油束碰壁后產(chǎn)生反射油滴二次粒子和壁面油膜的現(xiàn)象.KIVA-3V 中雖然包含噴霧碰壁模型,但還相當不完善.尤其是其中飛濺splash子模型中對反射的二次粒子的速度分布和粒徑大小分布的給定缺乏實驗驗證,而是假定反射后二次粒子的粒徑不 變,速度矢量按給定的比例進行衰減,這顯然是不符合實際的.2.3.3 碳氫燃料燃燒的化學(xué)反響模型對燃料燃燒詳細化學(xué)反響機理模型的研究開始于上世紀六十年代末,其研究對象從分子結(jié)構(gòu)最簡單的燃料開始.1967年,Jenkins等首先對充分混合的反

32、響器中的氫氣燃燒的詳細模型 進行了研究,Hamilton和Schott對氫氣在激波管中燃燒反響的詳細機理進行了研究,Dixon發(fā)表了關(guān)于預(yù)混氫層流火焰燃燒詳細機理數(shù)值模擬的論文.隨后,對小分子碳氫燃料燃燒反應(yīng)機理模型的研究相繼大量出現(xiàn),并對甲烷、乙烷、丙烷、丁烷建立了詳細的燃燒機理模型.對于更大分子的烷燒類燃料,其化學(xué)燃燒過程變得極其復(fù)雜, 反響過程中包含大量的衍生物,對其進行充分地描述將需要上百種成分和上千種化學(xué)反響,盡管經(jīng)過多年的研究,但其中多的根本反響還未了解清楚.由于實際應(yīng)用的燃料, 如汽油和柴油,是由大量不同分子量的直鏈烷燒、支鏈烷燒、 烯煌、環(huán)烷煌和芳煌等組成的混合物,而目前對于直

33、鏈烷煌之外的其它類型燃料分子的高溫氧化機理模型的研究相對很少.因此,在大多數(shù)的燃燒模擬中對汽油和柴油的燃燒通常采用單步完全氧化的全局反響機理進行描述. 柴油機缸內(nèi)的流動問題同時包含了化學(xué)反響,在柴油機燃燒這樣一個復(fù)雜的化學(xué)反響過程中各種化學(xué)反響的速度差異極大,某些化學(xué)反響的特征時間與流體流動的特征時間相比非常的小,因此導(dǎo)致限制方程變成剛性方程而難于求解.為了解決這一問題,經(jīng)常采用的方法是認為快的化學(xué)反響的主要作用是使反響趨于平衡,從而假設(shè)快速化學(xué)反響處于瞬態(tài)平衡中. KIVA-3V中解決化學(xué)反響問題時也使用了這一假設(shè),并采用了局部平衡法模擬燃料的氧化 和污染物的形成.所謂局部平衡法就是將全部化

34、學(xué)反響分為平衡反響和動力學(xué)反響兩類,前者反響速度很快,可認為總是處于化學(xué)平衡狀態(tài),如某些組分的離解反響；后者進行較慢, 那么按化學(xué)動力學(xué)處理,采用 Arrhenius類型的公式計算其反響速率,如燃料的氧化和NO的形成.在計算中對這兩類化學(xué)反響的處理是有差異的,平衡化學(xué)反響的反響速率是根據(jù)反響的平衡限制條件隱式給出的,無法直接求解；而動力學(xué)化學(xué)反響的反響速率是顯式給出的, 可以直接求解.為了對平衡化學(xué)反響進行求解,KIVA-3V中提供了兩種方法,一種是針對碳氫燃料使用的快速解法,另一種是適用于各種反響的通用解法.快速解法其求解速度較快,但是這種方法的求解過程中無法考慮由平衡反響放熱所引起的平衡常

35、數(shù)的變化,因此計算中將出現(xiàn)溫度和反響成份濃度的波動.在通用解法中,采用迭代的方法求解各個反響的反響速率,因此其求解速度較慢,但是這種方法比擬穩(wěn)定.由于本研究中計算時需要考慮內(nèi)燃機的排放,而溫度的精確求解對排放的計算是非常重要的,因此本研究計算中采用通用解法求解平衡化學(xué)反響.2.3.4 NOx生成模型氮氧化合物NOx包才NO和NO2,其中NO是主要成份,在汽油機中NO2/NO僅為1 %2% , 在柴油機中NO2/NO可達10%30%.通常對NOx根據(jù)NO進行計算.NO的生成可能有多種機理,目前已確定的有四種：熱力NO生成機理、瞬發(fā)NOFenimore-NO 生成機理、途經(jīng) NO2的NO生成機理和

36、燃料氮 NO生成機理.在某些情況下可能并非其中 的一種機理對 NO的生成起主導(dǎo)作用,而是各種機理對NO的生成都具有不可忽略的奉獻.對NO生成的完全描述需要考慮各種生成機理,然而對每種機理的求解都要求在反響體系中參加許多新的化學(xué)成份和反響方程,由于在包含化學(xué)反響的多維仿真計算中計算耗時與反響體系中包含的成份數(shù)的三次方成正比,包含各種生成機理的 NO排放模型將使計算量急劇增加.因此在大多數(shù)的實際工程應(yīng)用中僅考慮熱力NO生成機理.KIVA-3V中NOx生成模型也采用熱力NO生成機理.熱力NO生成機理是研究的最早的 NO生成機理,目前被廣泛應(yīng) 用.它是由Y.B.Zeldovich在1946年提出的,包

37、括如下三個根本反響方程式：/ O.+ 少28.+“二 OAT7+A'2-9川+£勺川0+02-1 0此后,Lavoie等人在研究了 Zeldovich的反響機理后認為,在 NO的生成過程中 OH基對氮 原子的氧化也起了一定作用,故又增加了下面一個反響：由此得到的NO生成機理稱為擴展的 Zeldovich機理.此機理中 NO的生成速率表示為：-心應(yīng)附一心的初十AT44的囪式中i %、小、長八-分別為式.冷."10,11的正向反眼的活化能.3 % 大通 分別為式.口%.-1.,2-11的逆向反響的油化能,式中反響物濃度均為其瞬時平衡濃度.由此可見,利用擴展的 Zeldo

38、vich機理進行NO的生 成速率計算時假設(shè)參與此機理反響的各成份在生成NO時處于平衡狀態(tài).從式2-9的正向反響可知,由于要翻開N2分子的三價鍵,所以此反響需要很大的活化能,并且只有在很高的溫度下才能到達較高的反響速率.因此該機理被稱為熱力NO生成機理.由于反響2-9的正向反響速率較小, 而后兩個反響中的氮原子主要靠反響 2-9供應(yīng),因此反 應(yīng)2-9限制了這一連鎖反響,是整個NO生成的限速反響.由于反響2-9的正向反響活化能 隨溫度變化很劇烈,所以熱力 NO的生成速率對溫度很敏感.2.3.5碳煙Soot生成模型柴油機燃燒過程中生成的碳煙是柴油在高溫缺氧條件下裂解生成的,但從燃油分子到生成碳煙顆粒

39、整個過程的化學(xué)動力學(xué)反響及物理變化過程目前還不是十分清楚.一般認為碳煙的生成過程包括碳粒的成核、碳粒的長大以及碳粒的氧化.當燃油噴射到高溫環(huán)境中時,燃油中煌分子在高溫缺氧的條件下發(fā)生局部氧化和熱裂解,生成各種不飽和燒類, 如乙烯、乙快及其較高的同系物C2nH2和多環(huán)芳香煌PAH.它們不斷脫氫、聚合成以碳為主的直徑2nm左右的碳煙核心.氣相的燒和其他物質(zhì)在這個碳煙核心外表的凝聚,以及碳煙核心互相碰撞發(fā)生凝聚,使碳煙核心增大,成為直徑2030nm的碳煙基元.最后,碳煙基元經(jīng)過聚集作用堆積成直徑1 m以下的球團狀或鏈狀的聚集物.碳煙的氧化貫穿于碳煙生成的整個過程. 柴油機碳煙生成的數(shù)據(jù)說明,在機內(nèi)生

40、成的大局部碳煙都在排出以前被氧化掉了.碳煙粒子的氧化反響主要受化學(xué)反響動力學(xué)限制,而在火焰附近有許多氧化碳煙的物質(zhì),如O2、O、OH、CO2和H2O.研究說明在富氧環(huán)境下,碳煙的氧化可以以焦石墨氧化為根底的半經(jīng)驗 關(guān)系來表示,而在過濃的或接近理論當量比的可燃混合氣燃燒火焰中碳煙的氧化主要是通過 與OH反響而不是與 O2反響.盡管碳煙生成的詳細機理目前不是十分清楚,但是通過試驗已經(jīng)證實碳煙主要受壓力、溫度以及混合氣當量比的影響.Hiroyasu建立的碳煙模型被廣泛應(yīng)用于多區(qū)模擬中,它以燃燒物理化學(xué)反響的Arrhenius方程為根底,認為碳煙的生成過程包括碳煙生成和碳煙氧化兩個步 驟,碳煙的質(zhì)量變

41、化率為：i!t ih th式中M代表質(zhì)量,下標 質(zhì)量變化率為：(2 U)s、sf、so分別代表凈碳煙、生成的碳煙和氧化的碳煙.碳煙生成的(3-13)式也H網(wǎng)油不汽油二,中卜有上F 甘內(nèi)出人.力位一為匕ar./一博那么晦成的油由佬,逋常&T第OOcd加也n '伴常/.取為T1|內(nèi)溫度r m位為K.碟以設(shè)化的3熔與詵率卻P-14)加 31 式中求單為小前I'.南打匕11L內(nèi)加"U二Jj,卑外為強相機比附的他吃,通常£萬1胃口箕亡曲LTWh.同卜-經(jīng)驗系數(shù)Af、Ao需要通過比照計算結(jié)果和試驗結(jié)果來調(diào)整,為了降低同時調(diào)整兩個經(jīng)驗系數(shù)的難度,本文采用NSC(N

42、agle and Strickland-Constable)的碳煙氧化模型來代替 碳煙氧化模型.在NSC的碳煙氧化模型中,碳煙的氧化有兩種機理,它們都取決于外表化學(xué)反響.Hiroyasu 的碳煙氧化模型認為在碳煙的外表有兩種物質(zhì),一種是比擬易于發(fā)生氧化反響的NSC的A,另一種是不易于發(fā)生氧化反響的 B,它們的氧化反響如下:所w碳煙聚楮.而租晌總的瓶域械化率為假設(shè)破胡顆粒的球空并n大小一樣,財加總的外表積甑r吸表版為$“網(wǎng)；=絲 皿所以碳戰(zhàn)伯,；,仃就化率為皿w 廣(2-16)我中：M 為蹉奴外的摩爾質(zhì)量,1也近!Glnp 為碳潮的密度,.公即二方, 力置切的直存,取5仙】.M, 破明吸：/他位

43、為期巴 上內(nèi)魁氣田力,堂也為加T.A二一二Qe印卜3MQ0"N% ,廣為:grid carb.或沌cynr'b疣)M* - 4.46* 10_J exp(-1500/(AT)、*位為(gmciLcirbaii/(secat hbai)X , = 1.51 k 1 0 ?3：p( 97000 /1 H'f )111 (1 -i (guicl -carbdii/(se c-cxiiL -b iir )A . = 2 li.：七Hp0 I.0* 再»,1 Ji7 (gm cl -c arb oil/ (st c - cm ' -b ai-J< i?

44、J. 2.-l'. . C213J . dl/的.煙度R"倏擬礁排I的勺成2.4限制方程的離散方法基于守恒方程建立的關(guān)于缸內(nèi)流動、傳熱、傳質(zhì)以及湍流輸運等過程的微分限制方程具有封閉性、非線性、聯(lián)立耦合性和形式相同性,在一般情況下都不可能用解析法來求解,而必須 首先把微分方程離散成代數(shù)方程,再根據(jù)初始條件(對非定常問題)和邊界條件,用合理的數(shù)值計算方法在計算機上進行數(shù)值求解.實踐說明,對于內(nèi)燃機中有化學(xué)反響的可壓縮流體的流動計算,任意拉格朗日歐拉法 (Arbitrary Lagrange-Euler MethodALE)和解壓力耦合方程組的半隱式算法(Semi-Implicit

45、 Method for Pressure-Linked EquationsSIMPLE)在對限制方程做離散化處理時表現(xiàn)得更為有效.2.4.1 解壓力耦合方程組的半隱式 (SIMPLE)算法解壓力耦合方程組的半隱式算法(SIMPLE)是由S.V.Patankar和D.B.Spalding于1972年提出的,它主要用于求解不可壓流場,也可用于求解可壓流動.SIMPLE法對積分區(qū)域的離散化一般采用正交網(wǎng)格系統(tǒng),特別是正交貼體坐標網(wǎng)格系統(tǒng),它易于離散根本方程,能適用于具有復(fù)雜幾何形狀的積分區(qū)域,能夠在近固體壁處布置較密的網(wǎng)格,以適應(yīng)近避面參數(shù)變化較劇烈的要求.時間上采用全隱格式,利用隨時間運動的網(wǎng)格技

46、術(shù)處理運動邊界,計算程序的通用性較高.SIMPLE算法自問世以來,不斷地得到改善和開展,其中最著名的改良算法包 括SIMPLEC、SIMPLER和PISO算法.但由于內(nèi)燃機包括的氣道、氣門以及燃燒室的形狀 復(fù)雜,對其進行正交貼體網(wǎng)格生成時,正交性不易滿足,計算結(jié)果不易收斂.2.4.2 任意拉格朗日一一歐拉 (ALE)法任意拉格朗日一一歐拉法(ALE)是由C.W.Hirt等提出的,它是內(nèi)燃機中解流動和燃燒問題的LosAlamos國家實CONCHAS ,一類應(yīng)用廣泛的數(shù)值方法,對計算區(qū)域可采用任意六面體分網(wǎng)格.美國驗室進一步開展了該方法,并陸續(xù)將其用于內(nèi)機燃燒模擬的大型計算程序CONCHAS-SP

47、RAY 和KIVA.ALE方法的特點是它采用的網(wǎng)格既不是Euler的固定網(wǎng)格,也不是Lagrange的隨流體運動網(wǎng)格,而是既可以象普通的Lagrange方法一樣,讓網(wǎng)格嵌在流體內(nèi)和流體一起動,又可以象Euler方法一樣,讓網(wǎng)格固定.因而它具有一種連續(xù)重分網(wǎng)格的水平,即每一步(或者每隔假設(shè)干步)根據(jù)物質(zhì)區(qū)域的邊界構(gòu)造一個適宜的網(wǎng)格,以防止在嚴 重扭曲的網(wǎng)格上進行計算,因而很適合于柴油機氣缸這類容積不斷變化的流動計算區(qū)域.KIVA-3V對限制方程的離散如下：(1)時間差分ALE法對限制方程的時間差分采用的是向前差分,即對于任意物理量 Q,它對時間的偏微分項基于ALE方法, 對于每個n到n+1的時間

48、步長,計算是分 A、B、C三個階段完成的：第一階段為顯式的 拉格朗日計算,網(wǎng)格保持不動；第二階段是隱式的,它通過一個迭代過程求出壓力在本時刻 的新值,進而求出速度的新值；第三階段,把網(wǎng)格移到新的位置,同時計算對流通量.前兩 步屬于拉格朗日階段,第三步是歐拉階段.ALE法雖然網(wǎng)格的劃分比擬隨意,但它在時間上是顯式的,時間步長受到嚴格限制,因而計算很費時.(2)空間離散空間差分以ALE方法為根底,用任意六面體構(gòu)造三維網(wǎng)格單元,利用有限體積法或積分平衡法構(gòu)造空間差分格式,以最大限度地保持差分方程的局部守恒性.在三維坐標下用一個任意六面體的網(wǎng)格作為限制容積,在每個限制容積內(nèi)將積分守恒形式的微分方程組離散為差分方程組.通常情況下,網(wǎng)格單元是不規(guī)那么的,典型的有限差分單元如圖 2-2所示,稱為常規(guī) 單元.單元在邏輯空間坐標系用第4節(jié)點坐標(i,j,k)來代表.第4節(jié)點在物理空間直角坐標系中表示為 力脹、丫脹、Zjk),其值隨時間變化.定義單元中央為：小垃' .小垃3"物J°口 7A A-1也代表圖中的在個仃山,(心, 心,心)為節(jié)點Q的物理空間坐標, 舊£說(4*巾,不是質(zhì)量中央或體積中央,為了計算動量方程,防止差分出現(xiàn)病態(tài),引入節(jié)點動量單元的定義.節(jié)點動量單元以節(jié)點i4 為中央,主要用于對動量方程進行差分.常規(guī)單元有