GDI汽油机缸内工作过程与传热耦合关系及模拟方法研究
发布时间：2023-06-27 21:03
随着日益趋严的油耗和排放法规,缸内直喷技术已经成为现代乘用车汽油机的必备技术。在发动机的缸内工作过程和传热模拟计算中已大量采用CAE技术,而且对CAE的计算精度和效率提出了更高的要求,然而GDI汽油机的缸内流动燃烧过程是一个极其复杂的物理和化学变化过程,同时伴随着与周围零部件和冷却系统的传热,而燃烧系统壁面是缸内工作过程与传热之间耦合作用关系的桥梁,为了能够准确模拟缸内燃烧过程,准确的壁面温度分布是十分必要的,而更为准确的缸内燃烧过程输出的气侧热边界对于传热过程及温度预测也是极其有利的。本文以一台2.0TGDI汽油机为研究对象,分别在常用部分负荷工况和额定工况下,采用一种迭代方法对上述耦合关系进行研究。首先根据发动机台架实验数据结果标定一维热力学模型并提取三维缸内流动和燃烧CFD所需的瞬态边界条件;然后在基于经验的均匀壁温边界条件下模拟缸内燃烧过程并获得燃烧系统壁面气侧时均热边界,以此热边界求解机体、缸盖、水套共轭换热(CHT)模型和活塞传热(PHT)模型获得整机温度分布;随后将其中的燃烧系统表面非均匀壁面温度再反过来映射给三维缸内流动及燃烧CFD模型,重新计算缸内工作过程,最后再更新...
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
字母注释表
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究机体与缸盖热负荷及温度的意义
1.1.2 研究缸内工作过程与传热耦合数值模拟的意义
1.2 国内外研究概况
1.2.1 发动机工作过程数值模拟研究现状
1.2.2 发动机传热数值模拟方法研究现状
1.2.3 发动机工作过程与传热耦合数值模拟研究现状
1.2.4 GDI汽油机排放预测研究现状
1.3 本文主要研究内容
1.3.1 研究方法
1.3.2 研究目标
第二章 数学模型
2.1 喷雾模型
2.1.1 油滴蒸发模型
2.1.2 喷雾-壁面相互作用模型
2.1.3 壁面油膜蒸发模型
2.2 壁面传热模型
2.3 共轭传热模型
2.3.1 固体传热模型
2.3.2 流固交界面的共轭传热
2.3.3 摩擦热模型
2.4 燃烧模型
2.5 排放模型
2.5.1 NOx排放模型
2.5.2 Soot排放模型
2.6 本章小结
第三章 发动机一维热力学分析
3.1 发动机台架测试及一维模型边界提取
3.1.1 试验对象
3.1.2 试验工况选取及命名
3.1.3 主要测试结果
3.2 一维热力学模型的建立及标定
3.2.1 基于三维模型的一维气路离散
3.2.2 稳态进排气道实验及气道、气阀建模
3.3 标定结果及三维CFD所需边界条件提取
3.4 本章小结
第四章 基于假定均匀壁温下的缸内流动和燃烧分析
4.1 计算时间域、初始化及边界条件
4.1.1 计算时间域的确定
4.1.2 初始化条件
4.1.3 壁面温度边界条件
4.2 喷雾模型标定及CFD模型设置
4.2.1 喷雾模型标定
4.2.2 动态计算网格
4.2.3 物理模型的选择
4.3 模型验证及误差分析
4.4 用于初始温度预测模型的边界条件分析
4.5 本章小结
第五章 初始温度预测及传热分析
5.1 初始机体缸盖组共轭传热CHT模型
5.1.1 冷却系统边界条件
5.1.2 热边界条件
5.2 初始机体缸盖组共轭传热模型的仿真结果分析及试验验证
5.2.1 缸盖底面硬度塞测温试验验证
5.2.2 温度预测结果
5.2.3 水套流场分布结果
5.3 初始活塞传热模型及边界条件
5.4 初始活塞传热模型计算结果及试验验证
5.4.1 活塞顶硬度塞测温试验
5.4.2 温度预测结果
5.5 第一次迭代燃烧CFD所需的非均匀壁温边界条件提取
5.6 本章小结
第六章 迭代模拟计算结果汇总及分析
6.1 缸内流动及燃烧模拟宏观结果对比分析
6.1.1 壁面温度对燃油蒸发和混合过程的影响
6.1.2 壁面温度对缸内流动状态的影响
6.1.3 壁面温度对燃烧放热过程的影响
6.2 缸内混合气形成过程对比
6.2.1 喷雾及湿壁燃油油膜厚度发展
6.2.2 缸内当量比分布发展
6.3 缸内燃烧过程对比
6.4 缸内流动及燃烧模拟排放物生成对比
6.5 燃烧系统壁面温度场对比
6.6 本章小结
第七章 全文总结及展望
7.1 全文总结
7.2 工作展望
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢
本文编号：3835332
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
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摘要
ABSTRACT
字母注释表
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究机体与缸盖热负荷及温度的意义
1.1.2 研究缸内工作过程与传热耦合数值模拟的意义
1.2 国内外研究概况
1.2.1 发动机工作过程数值模拟研究现状
1.2.2 发动机传热数值模拟方法研究现状
1.2.3 发动机工作过程与传热耦合数值模拟研究现状
1.2.4 GDI汽油机排放预测研究现状
1.3 本文主要研究内容
1.3.1 研究方法
1.3.2 研究目标
第二章 数学模型
2.1 喷雾模型
2.1.1 油滴蒸发模型
2.1.2 喷雾-壁面相互作用模型
2.1.3 壁面油膜蒸发模型
2.2 壁面传热模型
2.3 共轭传热模型
2.3.1 固体传热模型
2.3.2 流固交界面的共轭传热
2.3.3 摩擦热模型
2.4 燃烧模型
2.5 排放模型
2.5.1 NOx排放模型
2.5.2 Soot排放模型
2.6 本章小结
第三章 发动机一维热力学分析
3.1 发动机台架测试及一维模型边界提取
3.1.1 试验对象
3.1.2 试验工况选取及命名
3.1.3 主要测试结果
3.2 一维热力学模型的建立及标定
3.2.1 基于三维模型的一维气路离散
3.2.2 稳态进排气道实验及气道、气阀建模
3.3 标定结果及三维CFD所需边界条件提取
3.4 本章小结
第四章 基于假定均匀壁温下的缸内流动和燃烧分析
4.1 计算时间域、初始化及边界条件
4.1.1 计算时间域的确定
4.1.2 初始化条件
4.1.3 壁面温度边界条件
4.2 喷雾模型标定及CFD模型设置
4.2.1 喷雾模型标定
4.2.2 动态计算网格
4.2.3 物理模型的选择
4.3 模型验证及误差分析
4.4 用于初始温度预测模型的边界条件分析
4.5 本章小结
第五章 初始温度预测及传热分析
5.1 初始机体缸盖组共轭传热CHT模型
5.1.1 冷却系统边界条件
5.1.2 热边界条件
5.2 初始机体缸盖组共轭传热模型的仿真结果分析及试验验证
5.2.1 缸盖底面硬度塞测温试验验证
5.2.2 温度预测结果
5.2.3 水套流场分布结果
5.3 初始活塞传热模型及边界条件
5.4 初始活塞传热模型计算结果及试验验证
5.4.1 活塞顶硬度塞测温试验
5.4.2 温度预测结果
5.5 第一次迭代燃烧CFD所需的非均匀壁温边界条件提取
5.6 本章小结
第六章 迭代模拟计算结果汇总及分析
6.1 缸内流动及燃烧模拟宏观结果对比分析
6.1.1 壁面温度对燃油蒸发和混合过程的影响
6.1.2 壁面温度对缸内流动状态的影响
6.1.3 壁面温度对燃烧放热过程的影响
6.2 缸内混合气形成过程对比
6.2.1 喷雾及湿壁燃油油膜厚度发展
6.2.2 缸内当量比分布发展
6.3 缸内燃烧过程对比
6.4 缸内流动及燃烧模拟排放物生成对比
6.5 燃烧系统壁面温度场对比
6.6 本章小结
第七章 全文总结及展望
7.1 全文总结
7.2 工作展望
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢
本文编号：3835332
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