壁面模型對缸內(nèi)傳熱模擬計算的影響

1、壁面模型對缸內(nèi)傳熱模擬計算的影響作者：廣州本田汽車有限公司柴油機工作時缸內(nèi)氣流的流動對壁面換熱會產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，因此對缸內(nèi)傳熱過程進 行多維瞬態(tài)模擬計算時，首先需要對缸內(nèi)氣體流動進行準確模擬。但由于缸內(nèi)氣體的流動 具有強瞬變、強壓縮、強旋轉(zhuǎn)和各向異性等特點，是極其復雜的多維湍流運動，為了對缸 內(nèi)氣體運動進行多維瞬態(tài)模擬計算，必須采用一定的湍流模型。目前，多數(shù)湍流模型都是 以湍動能生成和耗散相平衡為基礎(chǔ)，主要適用于離壁面有一定距離的湍流區(qū)域。在接近壁 面的湍流運動中，湍流脈動由于壁面約束而下降，分子粘性擴散作用逐漸增強，因而在貼 近壁面處擴散項占較大成分，湍流雷諾數(shù)很小，所以湍流模型不能直接

2、應用到該區(qū)域。為 了將現(xiàn)有湍流模型應用于缸內(nèi)多維數(shù)值模擬計算，需要對壁面進行特殊處理。由此可見， 在近壁處對不同壁面模型的處理方式將決定對缸內(nèi)傳熱過程的多維模擬計算是否準確。為 此本文利用多維瞬態(tài)模擬計算方法考察不同壁面模型對缸內(nèi)傳熱多維瞬態(tài)模擬計算的影 響，通過模擬計算可以獲取最佳缸內(nèi)傳熱多維瞬態(tài)模擬計算模型，進而為確定缸內(nèi)工作過 程的多維瞬態(tài)模擬提供有利支持。模型的建立湍流模型在整個工作循環(huán)過程中，柴油機缸內(nèi)氣體流動是一個包括湍流剪切層、邊界層和回流區(qū)的 復雜結(jié)構(gòu)，始終進行著極其復雜而又強烈瞬變的非穩(wěn)態(tài)三維湍流運動。這種湍流運動是柴 油機工作、燃燒過程和傳熱過程中各個物理化學變化子過程的一

3、個共同基礎(chǔ)，它決定各種 量在缸內(nèi)的輸運及其空間分布，對可燃混合氣的形成及其濃度場分布、火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿?燒品質(zhì)、缸內(nèi)傳熱及污染物生成等都具有直接的、本質(zhì)的影響。因此，要正確分析柴油機 缸內(nèi)工作過程、傳熱、噴霧、燃燒和排放，絕對離不開對缸內(nèi)湍流運動的正確描述和模擬。 正是基于這一原因，使得湍流模型的研究在內(nèi)燃機缸內(nèi)模擬計算中得到了廣泛發(fā)展，出現(xiàn) 了大量不同結(jié)構(gòu)形式的湍流模型。雖然現(xiàn)在大量湍流模型得到了充分的發(fā)展和廣泛的應用，但不同湍流模型的使用范圍依然 存在著極大差異，針對不同的流動問題需要選用不同的湍流模型。而在湍流模型的選取上， 主要依賴于所模擬流動的物理機理、同類問題的經(jīng)驗積累、精度要求、

4、計算機資源和處理 問題所需的時間。為了能夠?qū)ν牧髂Ｐ妥龀銮‘數(shù)倪x擇，對計算結(jié)果給出合理分析，必須了解各種模型的預測能力和局限性，特別是針對柴油機缸內(nèi)多維瞬態(tài)模擬數(shù)值計算。鑒于湍流模型對整個模擬計算的重要性，本文為了既能保證計算精度又能實現(xiàn)快速計算， 采用的湍流模型為k-Z-?湍流模型。此模型是在Durbin的v2-?模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的， 其中速度尺度Z=v2/k，替代v2。經(jīng)過修正后，k-Z-?模型與Durbin的v2-?模型相比，更加 穩(wěn)定，收斂性也得到極大改善。壁面模型理論上k-Z-?湍流模型是以湍動能生成和耗散相平衡為基礎(chǔ)，主要適用于離壁面一定距離的 湍流區(qū)域。但在接近壁面的湍流運動

5、中，湍流脈動由于壁面約束而下降，分子粘性擴散作 用逐漸增強，因而在貼近壁面處擴散項占較大成分，湍流雷諾數(shù)很小，所以k-Z- ?湍流模型 不能直接應用到該區(qū)域。簡單壁湍流試驗研究表明，近壁區(qū)域內(nèi)的流動可分為3層：內(nèi)層 是粘性底層，分子粘性控制流動，平均速度隨距壁面距離線性增長，也稱之為線性底層； 外層是等雷諾應力層，分子粘性影響很小，湍流控制流動，平均速度隨距壁面距離按對數(shù) 率分布，稱為湍流的壁面率；中間存在過渡層，分子粘性應力和雷諾應力屬同一量級。由 此可見，為了將k-Z-?湍流模型應用于柴油機缸內(nèi)多維數(shù)值模擬計算中，需要對壁面進行特 殊處理。其中，壁面的處理方式主要有：標準壁面函數(shù)法、雙區(qū)壁

6、面函數(shù)法、復合壁函數(shù) 法以及直接求解的低雷諾數(shù)k-模型等。對直接求解的低雷諾數(shù)k-e模型來說，其對計算網(wǎng) 格要求較高，而在柴油機缸內(nèi)多維瞬態(tài)數(shù)值模擬中，計算網(wǎng)格隨曲軸旋轉(zhuǎn)不斷變化，這就 很難保證滿足低雷諾數(shù)k-e模型的要求，并不能很好地適用于缸內(nèi)多維瞬態(tài)數(shù)值模擬計算。 因此，在柴油機缸內(nèi)模擬計算中通常使用其他3種壁面處理方式：標準壁面函數(shù)法。標準壁面函數(shù)法忽略緊貼壁面的粘性底層和過渡層，假設(shè)離開壁面的第一層網(wǎng)格內(nèi)節(jié)點P 位于雷諾等應力層，通過壁面函數(shù)建立第一層網(wǎng)格與壁面特性的關(guān)系，其是半經(jīng)驗方程， 通過試驗驗證和相似原則推導出來。 j切也Ji j jjlfwa 徹姻物U - ： In(尸、 I

7、 L63探中匕E h. /P式中：k為卡門常數(shù)；下標P代表貼近壁面一層網(wǎng)格中心點；E為定常數(shù)。雙區(qū)壁面函數(shù)法。雙區(qū)模型是將流場分為粘性影響區(qū)和全湍流區(qū)，基于公式2來判斷，對于Rey200的全湍 流區(qū)采用k-Z-?模型，對于Rey200的粘性影響區(qū)采用低雷諾數(shù)一方程模型求解近壁網(wǎng)格 的方程和湍流粘度，兩區(qū)在粘性底層的“邊界”相匹配，這樣就大大減小了 yP的影響。雙區(qū) 模型要求近壁網(wǎng)格細到足夠可以模擬粘性底層，因此大大增加了對計算機資源的需求。復合壁函數(shù)法。復合壁函數(shù)法是Popovac和Hanjalic擴展了 Kader對壁面邊界層內(nèi)溫度分布而建立起來 的。尸=4 *上；近壁Bi作岫pH =PT其

8、中日式中：Pr為分子普朗特數(shù)；k為卡門常數(shù)。 復合壁函數(shù)法近壁處湍能被修正以確保對壁面無量綱距離y+較小的區(qū)域計算結(jié)果跟采用 低雷諾數(shù)模型的一致，而對壁面無量綱距離y+較高的區(qū)域，計算結(jié)果與采用標準壁函數(shù)的 一致，從而提高整個壁面模型的處理計算精度。傳熱模型本計算采用Han-Reitz的湍流壁面換熱模型，其充分考慮壁面邊界層內(nèi)氣體密度的變化和 湍流Plantl數(shù)的增加對傳熱的影響，且對壁面附近的網(wǎng)格質(zhì)量要求較低。壁面熱流為：式中：Cp為氣體定壓比熱，UT為壁面剪切速率，T為氣體溫度，Tw為壁面溫度。其他模型噴霧模型包括一些用于計算燃油霧化、蒸發(fā)、破碎和碰壁的子模型。本研究在計算中選用 的噴霧子

9、模型主要有：燃油湍流耗散選用Gosman模型；粒子相互作用選用ORouke模 型；蒸發(fā)選用Dukowicz模型；破碎選用Wave模型；碰壁選用Walljet1模型。燃燒模型 采用特征時間模型，其與Wave破碎模型相結(jié)合可以更好地應用與柴油機的噴霧燃燒模擬。模擬計算發(fā)動機參數(shù)本文以某柴油機單缸作為研究對象，發(fā)動機的基本性能參數(shù)為：功率（180kW ）；轉(zhuǎn)速（2 300r/min）；缸徑（106mm）；活塞行程（125mm）；壓縮比（17.5:1 ）；定義壓縮過程 活塞位于上止點時刻，曲軸轉(zhuǎn)角為0。計算網(wǎng)格生成對柴油機缸內(nèi)工作過程的多維瞬態(tài)模擬來說，存在活塞的運動，要想真實地反映其實際工 作情況，

10、必須采用動網(wǎng)格才可以實現(xiàn)。本文為了提高缸內(nèi)計算的精確度，網(wǎng)格劃分上完全 采用結(jié)構(gòu)化六面體進行。六面體網(wǎng)格不但可以使計算網(wǎng)格數(shù)量減少，而且有計算精度高、 適應的算法較多等優(yōu)點。將缸內(nèi)區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，活塞位于上止點時缸內(nèi)網(wǎng)格如圖1所 示。圖1活塞位于上止點計算網(wǎng)格初始條件對于本計算來說，由于計算是從進氣門關(guān)閉開始，持續(xù)到排氣門開啟，遠遠小于一個循環(huán) 過程，這就使初始條件的確定顯得尤為重要。為此本文通過進氣過程的三維瞬態(tài)數(shù)值模擬 獲得缸內(nèi)模擬計算的初始條件。邊界條件缸內(nèi)過程僅僅涉及壁面邊界條件，對壁面邊界而言，認為所有壁面無質(zhì)量傳遞，但存在熱 量傳遞，即無絕熱壁面。將涉及的燃燒室部件進行分區(qū)，即分

11、為：氣缸蓋底面與缸內(nèi)氣體 接觸區(qū)、活塞頂面區(qū)以及氣缸套內(nèi)表面與缸內(nèi)氣體接觸區(qū)，不同區(qū)域定義不同大小溫度值， 如表所示。燃燒室表面溫度計算結(jié)果及分析圖2和圖3給出3種不同的壁面模型狀態(tài)下缸內(nèi)平均有效壓力、放熱率和溫度曲線分布。采用雙區(qū)壁面函數(shù)法處理壁面計算得到的壓力峰值和溫度峰值略高于其他兩種方法，標準 壁函數(shù)法和復合壁函數(shù)法模擬預測的缸內(nèi)平均有效壓力、放熱率和溫度都非常接近，但復合壁函數(shù)法預測得到的缸內(nèi)平均有效壓力曲線更接近于試驗曲線。Conk njje (!)嘩 nee)圖3不同壁面模型，缸內(nèi)溫度的比較E-riwraii54:iiwiAlil：LJlludk-|jI -no I: iTri W h|J- loiJrl(nmk Anle (DcsiTe)圖2不同壁面模型，缸內(nèi)壓力和放熱率的比較UiMid W 制 jiiWiji圖4和圖5則是3種不同的壁面模型狀態(tài)下缸蓋底面和活塞頂面熱流密度分布。進一步說 明雙區(qū)壁面函數(shù)法在相同的傳熱模型條件下得到的缸內(nèi)壁面熱流密度要小于其他兩種方 法，尤其是活塞位于上止點附近時，從而導致缸內(nèi)最高燃燒溫度和壓力升高，而其他兩種方法計算的壁面熱流密度則非常接近。Conk A nok (Degree)圖4不同壁面模型，缸蓋底面熱流密度的比較結(jié)語壁面模型的處理形式對柴油機缸內(nèi)傳熱的多維瞬態(tài)數(shù)值模擬計算