廣義RNG湍流模型及其在柴油機低溫燃燒模擬中應(yīng)用的研究.pdf

1、內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒過程的多維數(shù)值模擬技術(shù)已成為當前汽車發(fā)動機產(chǎn)品先進設(shè)計與開發(fā)的重要手段。而內(nèi)燃機缸內(nèi)湍流的數(shù)值模擬，作為整個缸內(nèi)數(shù)值模擬過程中最重要、最基礎(chǔ)部分之一，其重要性不言而喻。由于內(nèi)燃機缸內(nèi)湍流運動具有強瞬變性、強壓縮性、強旋轉(zhuǎn)性以及各向異性的特點，因此對其的準確模擬是非常復(fù)雜和困難的。近年來隨著計算機科技水平的長足發(fā)展，采用大渦模擬技術(shù)（LES），甚至是直接數(shù)值模擬（DNS）技術(shù)對發(fā)動機缸內(nèi)湍流過程進行計算逐漸成為可能。且與傳統(tǒng)

2、基于雷諾平均(RANS)的湍流模型相比，LES顯示出了高的流場分辨率、能夠解析發(fā)動機流場與燃燒過程中的循環(huán)變動等優(yōu)勢。但其高額的計算成本在工程上仍然難以接受。因此在未來數(shù)十年里，計算效率更高、實用性更好的RANS湍流模型仍將成為工程上發(fā)動機缸內(nèi)湍流及燃燒過程數(shù)值計算和研究的主要方法。然而雖然歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，RANS湍流模型對內(nèi)燃機缸內(nèi)湍流及燃燒過程數(shù)值模擬的精確度仍然不令人滿意。主要原因是該模型不能完全地再生缸內(nèi)紊流的物理特征，導(dǎo)致氣

3、液兩相耦合不準確，使得計算得到的數(shù)值結(jié)果與實驗值仍有不小差距。因此，繼續(xù)致力于該類模型的改進研究和應(yīng)用仍然具有十分重要的實用價值。而這也就形成了本文研究的核心內(nèi)容。
　　本文首先借助不可壓縮空氣射流和可壓縮氦氣射流實驗結(jié)果、發(fā)動機缸內(nèi)復(fù)雜湍流光學(xué)LDV和PIV實驗測量結(jié)果以及先進直接數(shù)值模擬（DNS）結(jié)果，對工程上常用的標準k-ε湍流模型和基于重整化群理論（RNG）推導(dǎo)的RNG k-ε湍流模型的性能進行了深入地數(shù)值評估。結(jié)果表明：

4、現(xiàn)有湍流模型存在明顯缺陷，預(yù)測的湍流特征參數(shù)尤其是湍流長度尺度的變化規(guī)律與實驗結(jié)果偏差很大。解決湍流模型這些問題的一個潛在辦法是將模型耗散方程中的主要模型系數(shù)模擬為依賴于流場的特征應(yīng)變（或湍流與平均流時間尺度的比例）。根據(jù)以上評估結(jié)論提供的思路和方向，基于湍流快速壓縮畸變理論以及各向同性湍流的衰減分析，推導(dǎo)出了能夠反映流場壓縮形態(tài)隨流場局部應(yīng)變率張量變化的廣義RNG封閉模型。該模型的主要特征是其主要模型系數(shù)均被推理模擬為局部流場應(yīng)變率張

5、量的函數(shù)。為了驗證發(fā)展的廣義RNG湍流模型，文中在多種經(jīng)典湍流模型發(fā)展算例中測試了該模型。如不可壓縮空氣射流、可壓縮氦氣射流、后臺階流以及內(nèi)燃機復(fù)雜進氣及缸內(nèi)流動等。與標準RNG湍流模型以及k-ε模型相比，廣義RNG湍流模型明顯改進預(yù)測結(jié)果，預(yù)測的湍流相關(guān)參數(shù)與實驗結(jié)果吻合更好。由于發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程中的熱力場與湍流場是高度耦合的，湍流渦粘性在油-氣混合控制的發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程中扮演著非常重要的角色。為此，文中最后將發(fā)展的廣義RNG封閉