定容弹内喷雾的大涡模拟模型计算

本文摘要（由AI生成）：

本文研究了柴油机或缸内直喷汽油机中高压喷射喷油器的喷雾模拟，涉及喷雾破碎、气液动量交换、湍流扩散、液滴蒸发、液滴碰撞和喷雾碰壁等子模型。喷雾模拟中湍流模型的选择十分重要，近年来大涡模拟（LES）因其能获取更多细微结构和流动图像而得到广泛应用。本文采用LES模型对ECN的spray G喷油器进行定容弹内喷雾模拟，使用精细网格和时间步长进行计算，得到喷雾形态、速度、密度、温度和燃油质量分数等分布云图，以及索特平均直径、液相贯穿距和蒸汽相贯穿距的变化曲线。结果表明，LES模型能很好地捕捉喷雾结构和流场信息。

柴油机或缸内直喷汽油机为了降低油耗和排放，使用的喷油器都是高压喷射喷油器。发动机内的高压喷雾是喷射、油束扩展、油气混合、破碎、蒸发、碰壁等过程的综合与叠加，所以在进行喷雾模拟时会涉及到喷雾破碎、气液动量交换、湍流扩散、液滴蒸发、液滴碰撞和喷雾碰壁等子模型。由于蒸发、破碎等模型的发展还不太成熟，因而缸内喷雾的模拟一直是一个很困难的课题。

现有的手段是先分别对喷油器在定容弹内进行试验测试和模拟仿真，使仿真结果和试验结果一致后再将喷雾模型应用到缸内。不管是缸内或是在定容弹内，气体的宏观流动和湍流脉动对喷雾都具有强烈的影响，所以模拟时湍流模型的选择十分重要。

在喷雾的工程化模拟研究中，湍流模型大都选用k-湍流模型，但近年来随着计算机的发展，且由于雷诺平均湍流模型采用的是时间平均，抹去了时间上的脉动值，丢失了流场的很多信息，而大涡模拟模型（LES）可以得到很多雷诺时均方法无法获得的的细微结构和流动图像，所以大涡模拟正越来越多的应用到了喷雾的模拟上。

大涡模拟方法是由气象学家Smagorinsky在1963年提出的，当时是用于全球天气预报的研究。大涡模拟的基本思想是通过对湍流中不同尺度的涡进行过滤（使用数学滤波函数来实现），将涡分为大尺度结构和小尺度结构。大尺度结构在流场中占据主导地位，属于可解尺度量，可被计算网格分辨出来，无需加以模化，因而可直接通过求解N-S方程即能得到。小尺度涡因小于计算网格无法直接求解，且小尺度结构在统计上较好地满足各向同性，可通过一定假设对其进行模化为可解尺度量的函数，亦即构筑亚网格尺度模型。

LES的数学模型

喷雾的LES计算

本文针对ECN（Engine Combustion Network）的spray G喷油器使用LES模型对其进行定容弹内喷雾模拟，喷油器的喷油规律如图1所示，喷雾模型建立的条件如表1所示。喷雾破碎、湍流扩散、液滴蒸发、液滴碰撞和喷雾碰壁等模型的选择如表2所示。由于实施大涡模拟必须有足够精细的网格，否则LES与普通的湍流全场模拟模型没有本质区别，所以本文取网格尺度为65um，最大网格数可达1000万，同时取时间步长为1e-8s。

表1 喷雾模拟的条件

表2 计算模型的选择

图1 喷油规律曲线

通过使用CFD软件计算，得到1.4ms时刻的喷雾形态图如图2所示，1.4ms某截面上的速度分布云图、密度分布云图、温度分布云图和燃油质量分数的分布云图分别如图3、图4、图5和图6所示。从这些图片可以看出，LES模型很好的捕捉到了小涡团及喷雾的整个结构。同时得到索特平均直径（SMD）的变化曲线、液相贯穿距的变化曲线和蒸汽相贯穿距的变化曲线分别如图7、图8和图9所示。

图2 1.4ms时刻的喷雾形态

图3 1.4ms某截面的速度云图

图4 1.4ms某截面的密度分布图

图5 1.4ms某截面的温度分布图

图6 1.4ms某截面IC8H18组分的分布云图

图7 索特平均直径的变化曲线

图8 液相贯穿距的变化曲线

图9 蒸汽相贯穿距的变化曲线