基于动态模态分解的缸内流场演变及动能分析
发布时间：2021-06-19 19:42
采用高速粒子图像测速技术（particle image velocimetry,PIV）测量了一台直喷式光学发动机的缸内流场,利用动态模态分解（dynamic mode decomposition,DMD）算法,提取了发动机从进气冲程早期到压缩冲程后期中出现的多尺度涡团结构,量化了涡团的比动能在整个冲程阶段的衰减程度。结果表明:从进气冲程早期开始,缸内流场主要由低阶DMD模态表现的大尺度流场结构和高阶DMD模态表现的小尺度涡团结构组成;DMD模态的比动能变化可清楚地反映从大尺度流场结构到小尺度涡团的能量级联和耗散过程。同时还发现,与压缩冲程相比,进气冲程期间的流场可形成更多小尺度的涡团结构,并表现出更快的能量衰减特征,且该阶段流场能量衰减现象对发动机转速更加敏感。
【文章来源】：内燃机工程. 2020,41(05)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【图文】：
光学诊断原理图
试验所用发动机是由一款2.2L的产品发动机改造而成的单缸光学发动机，配置了双顶置凸轮四气门缸盖。发动机本体及光学视窗如图1所示。此外，活塞底部安装了45°反射镜，能够观测到涡流平面的流场。发动机参数和测试条件见表1。试验所用光学发动机进气系统包含2个进气道，其中一个进气道中安装了涡流控制阀，目的是在低转速工况下利用涡流控制阀改善缸内涡流强度，研究其促进油气混合，提高燃烧效率，同时降低循环波动的效果[18-19]。因此，本研究中在低转速工况下，针对进气和压缩冲程，对缸内涡流场演变过程、不同涡团结构和能量的变化及两个冲程间的差异性进行研究。试验测试条件为高涡流下的4个低转速工况。涡流比在不同转速下存在一定的波动，但在所测试的低转速工况范围内涡流比基本保持不变。本研究意义在于用定量的方法揭示涡团结构和能量发展变化，填补了现阶段对低转速工况下缸内涡流场演变过程的研究空白。整个PIV光学诊断原理图如图2所示。本试验采用的高速PIV系统由一台高速摄像机（Vision Research Phantom V7.3）和一台Photonics Industries双腔高速Nd:YAG脉冲激光器组成。镜头为尼康105mm f/2.8，相机芯片尺寸为800像素×600像素（17.6mm×13.2mm），最大频率为6 688MHz。波长为527nm、最大脉冲频率为10kHz的激光束经过透镜后，激光光斑形成厚度约为1mm的激光片。根据缸内流场速度特性，双脉冲激光的时间间隔设置为20μs。采集流场的曲轴转角分辨率为2°，因此在4种发动机转速工况下，激光频率分别为1.5kHz、2.4kHz、3.0kHz和3.9kHz。本次试验观测缸内涡流场平面位于喷油器喷嘴下方30mm处，因此在进气冲程中有效的流场数据介于上止点后（after top dead center,ATDC)-300°（即上止点前300°，记为-300°或-300°ATDC）到-180°ATDC之间，在压缩冲程介于-180°ATDC到-60°ATDC之间。试验所用示踪粒子由TSI公司提供的硅油雾化器（型号9306A）产生，这些粒子在进入气缸前已与新鲜空气充分混合。经过测量，示踪粒子的斯托克斯数为4.28×10-2[18]，远小于1，即具有较好的连续流场跟随性，满足PIV测量的需要。粒子图像处理过程中使用LaVision公司提供的软件DaVis 8.4进行图像互相关计算，查询窗口从96像素×96像素减少到32像素×32像素，重叠率为50%，确保了每个窗口包含10～15个粒子，进而可得到较好的相关特性。测量结果显示流场空间分辨率为1.7mm。
式中，t为采样时间；Δt为采样时间间隔；hm为模态幅值；αm为增长或衰减系数；fm为模态频率；i为虚单位；e为欧拉数。hmeαmt描述了模态的能量在时间域上的增长或衰减变化，而cos(2πfmt)+isin(2πfmt）则描述了模态以某一固定频率进行的周期性行为。据此，模态的比动能Em为：3 结果与讨论
【参考文献】：
期刊论文
[1]高滚流Atkinson循环燃烧系统研究[J]. 徐学亮,何爽,郭骥飞,魏强,高莹,徐英健. 内燃机工程. 2019(06)
[2]缸内涡流比对冷起动燃烧火焰的影响探究[J]. 田少雄,孔令逊,许敏,杨杰,庄瀚洋. 内燃机工程. 2017(03)
本文编号：3238423
【文章来源】：内燃机工程. 2020,41(05)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【图文】：
光学诊断原理图
试验所用发动机是由一款2.2L的产品发动机改造而成的单缸光学发动机，配置了双顶置凸轮四气门缸盖。发动机本体及光学视窗如图1所示。此外，活塞底部安装了45°反射镜，能够观测到涡流平面的流场。发动机参数和测试条件见表1。试验所用光学发动机进气系统包含2个进气道，其中一个进气道中安装了涡流控制阀，目的是在低转速工况下利用涡流控制阀改善缸内涡流强度，研究其促进油气混合，提高燃烧效率，同时降低循环波动的效果[18-19]。因此，本研究中在低转速工况下，针对进气和压缩冲程，对缸内涡流场演变过程、不同涡团结构和能量的变化及两个冲程间的差异性进行研究。试验测试条件为高涡流下的4个低转速工况。涡流比在不同转速下存在一定的波动，但在所测试的低转速工况范围内涡流比基本保持不变。本研究意义在于用定量的方法揭示涡团结构和能量发展变化，填补了现阶段对低转速工况下缸内涡流场演变过程的研究空白。整个PIV光学诊断原理图如图2所示。本试验采用的高速PIV系统由一台高速摄像机（Vision Research Phantom V7.3）和一台Photonics Industries双腔高速Nd:YAG脉冲激光器组成。镜头为尼康105mm f/2.8，相机芯片尺寸为800像素×600像素（17.6mm×13.2mm），最大频率为6 688MHz。波长为527nm、最大脉冲频率为10kHz的激光束经过透镜后，激光光斑形成厚度约为1mm的激光片。根据缸内流场速度特性，双脉冲激光的时间间隔设置为20μs。采集流场的曲轴转角分辨率为2°，因此在4种发动机转速工况下，激光频率分别为1.5kHz、2.4kHz、3.0kHz和3.9kHz。本次试验观测缸内涡流场平面位于喷油器喷嘴下方30mm处，因此在进气冲程中有效的流场数据介于上止点后（after top dead center,ATDC)-300°（即上止点前300°，记为-300°或-300°ATDC）到-180°ATDC之间，在压缩冲程介于-180°ATDC到-60°ATDC之间。试验所用示踪粒子由TSI公司提供的硅油雾化器（型号9306A）产生，这些粒子在进入气缸前已与新鲜空气充分混合。经过测量，示踪粒子的斯托克斯数为4.28×10-2[18]，远小于1，即具有较好的连续流场跟随性，满足PIV测量的需要。粒子图像处理过程中使用LaVision公司提供的软件DaVis 8.4进行图像互相关计算，查询窗口从96像素×96像素减少到32像素×32像素，重叠率为50%，确保了每个窗口包含10～15个粒子，进而可得到较好的相关特性。测量结果显示流场空间分辨率为1.7mm。
式中，t为采样时间；Δt为采样时间间隔；hm为模态幅值；αm为增长或衰减系数；fm为模态频率；i为虚单位；e为欧拉数。hmeαmt描述了模态的能量在时间域上的增长或衰减变化，而cos(2πfmt)+isin(2πfmt）则描述了模态以某一固定频率进行的周期性行为。据此，模态的比动能Em为：3 结果与讨论
【参考文献】：
期刊论文
[1]高滚流Atkinson循环燃烧系统研究[J]. 徐学亮,何爽,郭骥飞,魏强,高莹,徐英健. 内燃机工程. 2019(06)
[2]缸内涡流比对冷起动燃烧火焰的影响探究[J]. 田少雄,孔令逊,许敏,杨杰,庄瀚洋. 内燃机工程. 2017(03)
本文编号：3238423
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