AVL BOOST燃燒模型和傳熱模型介紹課件

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BOOST燃燒模型和傳熱模型介紹AVL

B

O

O

S

T

燃燒模型和傳熱模型介紹8th.Jan.20162高壓循環(huán)的能量平衡燃燒模型零維燃燒模型擴(kuò)展零維燃燒模型準(zhǔn)維燃燒模型氣體機(jī)燃燒模型其他燃燒模型傳熱模型發(fā)動(dòng)機(jī)常用性能參數(shù)高壓循環(huán)氣缸內(nèi)能量平衡圖高壓循環(huán)氣缸內(nèi)能量平衡8th.Jan.20164d

d

d

d

d

dmBBdV

dQBBFhc

p

cd

m

u

dQW缸內(nèi)高壓循環(huán)模擬缸內(nèi)高壓循環(huán)的計(jì)算基于熱力學(xué)第一定律：(1)mc氣缸里工質(zhì)的質(zhì)量；u

比內(nèi)能；cp氣缸內(nèi)壓力；V

氣缸容積；QF噴入燃料燃燒放出的熱量；Qw壁熱損失；

曲軸轉(zhuǎn)角；hBB漏氣焓；dmBB

d

氣質(zhì)量流。

c

d

d

(m

u)氣缸里工質(zhì)內(nèi)能變化；d

p

dV工質(zhì)對(duì)活塞做的功；dQF

d

噴入燃料燃燒放出的熱量；

dQ

w

d

工質(zhì)與氣缸蓋、缸套、活塞進(jìn)行熱交換的熱量；d

dmBBhBB由于漏氣而引起的焓流；8th.Jan.20165缸內(nèi)高壓循環(huán)求解8th.Jan.20166熱力學(xué)第一定律：氣缸里的內(nèi)能變化等于活塞功、燃料燃燒放出的熱量、壁熱損失和漏氣引起的焓流的代數(shù)和。對(duì)于內(nèi)部混合的發(fā)動(dòng)機(jī)，假定：進(jìn)入氣缸的燃料被立即燃燒；燃燒產(chǎn)物與氣缸里的剩余氣體立即混合形成新的均勻統(tǒng)一混合氣體；缸內(nèi)混合氣的空燃比的值從燃燒開始到燃燒結(jié)束不斷減小。對(duì)于外部混合的發(fā)動(dòng)機(jī)，假定：在燃燒開始前混合物是均勻混合物；在燃燒過程中空燃比是恒定的；即使成分不同，已燃和未燃充氣也具有相同的壓力和溫度。為了求解方程(1)，需要建立燃燒過程、氣缸壁傳熱和在一定壓力、溫度、氣體組成下的氣體性質(zhì)的模型，即理想氣體狀態(tài)方程：(2)活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律TDCs(α)BDCrleByaStandard

crank

train

l

e

2

l

r

l

1

sin

s

r

l

cos

r

cos

r

l

arcsin

esrle

活塞距離上止點(diǎn)的距離曲柄半徑連桿長(zhǎng)度活塞銷偏心相對(duì)上止點(diǎn)的曲柄轉(zhuǎn)角8th.Jan.20167BOOST燃燒模型8th.Jan.201612Nr.燃燒放熱模型分類適用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況混合物準(zhǔn)備/燃料污染物評(píng)估使用頻率1Vibe0D

predefined穩(wěn)態(tài),或定義map計(jì)算瞬態(tài)所有無(wú)很多2Vibe

2-Zone0D

predefined穩(wěn)態(tài),或定義map計(jì)算瞬態(tài)所有有很多3Double

Vibe0D

predefined穩(wěn)態(tài),或定義map計(jì)算瞬態(tài)所有，推薦用于柴油機(jī)無(wú)很多4Table

(ROHR)0D

predefined穩(wěn)態(tài),或定義ROHRmap計(jì)算瞬態(tài)所有無(wú)很多5Two

Zone

Table(ROHR)0D

predefined穩(wěn)態(tài),或定義ROHRmap計(jì)算瞬態(tài)所有有很多6Target

PressureCurve0D

predefined穩(wěn)態(tài)所有無(wú)偶爾*7Target

PressureCurve2-Zone0Dpredefined穩(wěn)態(tài)所有有偶爾*8Constant

Volume0D

predefined穩(wěn)態(tài)所有無(wú)不9Constant

Pressure0D

predefined穩(wěn)態(tài)所有無(wú)不10Hires

et

al0D

predefined瞬態(tài)(Vibe

based)外部混合/汽油機(jī)無(wú)偶爾BOOST燃燒模型8th.Jan.201613Nr.燃燒放熱模型分類適用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況混合物準(zhǔn)備/燃料污染物評(píng)估使用頻率11Woschni/Anisits0D

predefined瞬態(tài)(Vibe

based)內(nèi)部混合/柴油無(wú)偶爾12Motored0D

motored發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖工況所有無(wú)偶爾13FractalPhenomenologicalquasi

dimensional穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)外部混合/汽油有很多14AVL

MCCPhenomenologicalquasi

dimensional穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)內(nèi)部混合/柴油有很多15MZCMPhenomenologicalquasi

dimensional穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)內(nèi)部混合/柴油有很多16Open

ChamberGas

EnginePhenomenologicalquasi

dimensional穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)外部混合/火花點(diǎn)燃?xì)怏w燃料有較多17Pre-ChamberSpark

IgnitedGasEngine

(PCSI)Phenomenologicalquasi

dimensional穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)預(yù)燃室/火花點(diǎn)燃?xì)怏w燃料有較多*使用Target

Pressure

Curve/2-Zone

模型時(shí)，需要注意進(jìn)氣過程進(jìn)入到缸內(nèi)的氣體質(zhì)量是否和實(shí)際一致，如果不一致采用這種燃燒模型計(jì)算出的結(jié)果是不合理的。零維燃燒模型——TABLE建立燃燒過程模型的最簡(jiǎn)單的方法是直接指定放熱率：如果有實(shí)測(cè)的缸壓曲線，可以使用BURN工具計(jì)算得到燃燒放熱率可以對(duì)輸入的放熱率曲線進(jìn)行相位的移動(dòng)TwoZoneTable的輸入與Table沒有任何區(qū)別，但是程序會(huì)將燃燒室分為已燃區(qū)和未燃區(qū)兩個(gè)區(qū)域，分別建立質(zhì)量和能量守恒方程，選擇這個(gè)模型能夠計(jì)算排放。8th.Jan.201614Table模型為零維燃燒模型，直接輸入通過試驗(yàn)方法或者經(jīng)驗(yàn)方法得到的放熱率曲線。零維燃燒模型——VIBE函數(shù)韋伯函數(shù)經(jīng)常用來(lái)近似描述發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)的放熱特征：QF

燃料燃燒放出的總熱量；曲軸轉(zhuǎn)角；

o

燃燒開始時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角；

燃燒持續(xù)期；m形狀參數(shù)；a完全燃燒的參數(shù)，a=6.9。對(duì)Vibe函數(shù)積分，得到從燃燒開始時(shí)刻起至某一時(shí)刻所燒掉的燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)x：

0

8th.Jan.201615

a

0

e

(

m

1)

m

m

1

FF F

Q

b

Q

dQ

dx

ad

d

a

0

(

m

1)

d

1

e

bx

dx

b

d

零維燃燒模型——VIBE函數(shù)0.050.0450.040.0350.030.0250.020.0150.010.0050-20-1030405060Kot

zasuka

motorne

gredi

[*]dQ/Q.dtheta

[1/J]m=0.5

m=1.0

m=2.0

m=3.00

10

20Crank

angle

[degCRA]00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-20-10405060Kot

zasuka

motorne

gredi

[*]]-[aviro

gageterog

z?le

dinsaMm=0.5

m=1.0

m=2.0

m=3.00

10

20

30Crank

angle

[degCRA]xb[-]形狀因子m對(duì)燃燒放熱率曲線的影響根據(jù)燃燒效率（combustion

efficiency，CE）計(jì)算a

a

ln(1

c

)

c

1

e0

a

xb

0

dxd

a

(

m

1)xb

b

d

1

eCE8th.Jan.201616零維燃燒模型——VIBE函數(shù)

1

1

根據(jù)已知的MFB10，MFB50和MFB90計(jì)算SOC和CD：燃燒完成50%所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角θMFB50燃燒完成10%和完成90%之間持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角xB10%

和xB90%

(CD10_90)m1

11

1ln

ln

11

1

m

1

m

1

m

1

B50

MFB50

a

1

xB90

1

xB10

aCD10_

90

a

ln

1

x

BOOSTSOC1

18th.Jan.201617

m

1

B50

BOOST

1

MFB50

a

ln

1

x

SOC

CDBOOST

Vibe函數(shù)由于輸入?yún)?shù)少被廣泛的使用，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)的概念設(shè)計(jì)階段。Vibe函數(shù)的參數(shù)可以使用BOOST

Burn工具分析試驗(yàn)缸壓曲線得到。零維燃燒模型——VIBE函數(shù)8th.Jan.201618零維燃燒模型——VIBE函數(shù)各種類型發(fā)動(dòng)機(jī)常用Vibe參數(shù)推薦：8th.Jan.201619零維燃燒模型——VIBE

2-ZONE對(duì)于外部混合的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以選擇一個(gè)雙區(qū)模型。仍然使用Vibe函數(shù)計(jì)算放熱率和已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但取消關(guān)于已燃區(qū)和未燃區(qū)有相同溫度的假設(shè)，取而代之的是用熱力學(xué)第一定律來(lái)分別分析已燃區(qū)和未燃區(qū)。其中，表示新鮮充量在向燃燒產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的過程中，從未燃區(qū)流向已燃區(qū)的焓流，并忽略兩區(qū)之間的熱流。另外，兩區(qū)總?cè)莘e的變化必須與氣缸容積的變化相等，兩區(qū)容積之和必須和氣缸容積相等。d

8th.Jan.201620dmhBu零維燃燒模型——VIBE

2-ZONE已燃區(qū)溫度變化率：同樣可以建立一個(gè)類似的關(guān)于未燃區(qū)溫度的方程，每一時(shí)間步已燃混合氣的量可由用戶指定的Vibe函數(shù)得到。8th.Jan.201621零維燃燒模型——VIBE

2-ZONEVibe

2-zone模型可以激活敲缸模型，敲缸模型計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)不敲缸運(yùn)行所需要的最小辛烷值。（辛烷值）敲缸模型的點(diǎn)火延遲期由燃料的辛烷值和氣體屬性決定：如果未燃區(qū)中某點(diǎn)的點(diǎn)火延遲期比燃燒火焰到達(dá)該點(diǎn)的時(shí)間長(zhǎng)，則發(fā)生敲缸現(xiàn)象。8th.Jan.201622模型常量：A

=17.68

ms，a

=3.402，n

=1.7，B

=3800K。

iD著火延遲期；零維燃燒模型——DOUBLE

VIBE模型使用兩個(gè)Vibe函數(shù)的疊加來(lái)更精確的模擬壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的放熱特性。在這種情況下，指定兩個(gè)韋伯函數(shù)，第一個(gè)用來(lái)模擬預(yù)混合燃燒峰值，第二個(gè)用來(lái)模擬擴(kuò)散燃燒。確定Vibe函數(shù)的燃料分配，將兩個(gè)函數(shù)得到的放熱量相加，就得到雙韋伯函數(shù)的放熱率。8th.Jan.201623零維燃燒模型——DOUBLE

VIBE模型Vibe1

用于模擬預(yù)混燃燒；Vibe2

用于模擬擴(kuò)散燃燒；

Fuelallotment：定義了Vibe1中燃燒的燃油的比例；8th.Jan.201624Double

Vibe函數(shù)參數(shù)輸入窗口零維燃燒模型——MULTIPLE

VIBE模型8th.Jan.201625Multiple

Vibe模型通過定義1個(gè)或多個(gè)Vibe函數(shù)來(lái)定義燃燒放熱率曲線，最終的ROHR曲線考慮每一個(gè)Vibe函數(shù)中燃燒燃油的比例權(quán)重，將全部Vibe函數(shù)曲線相加后得到的曲線。Multiple

Vibe模型需要在BOOST軟件界面定義Vibe函數(shù)的參考特征參數(shù)：ReferenceAngle.：用于定義發(fā)火上止點(diǎn)的角度，一般用50%MFB表示Duration

Start：用于定義燃燒開始的角度，一般用0%，5%或者10%MFB表示Duration

End：用于定義燃燒結(jié)束的角度，一般用90%，95%o或者100%MFB表示。對(duì)于每一個(gè)Vibe函數(shù)，需要定義所燃燒燃油的比例及特征參數(shù)：Fuel

fraction：每一個(gè)Vibe函數(shù)燃燒燃料的比例，所有的加起來(lái)應(yīng)該等于1.Ref.

Angle：每一個(gè)Vibe函數(shù)對(duì)應(yīng)的Reference

Angle的角度；Duration：每一個(gè)Vibe函數(shù)的持續(xù)期（=Duration

End-Duration

Start）；.“m”

和“a”：每一個(gè)Vibe函數(shù)的形狀參數(shù)；零維燃燒模型——MULTIPLE

VIBE模型8th.Jan.201626擴(kuò)展零維燃燒模型——WOSCHNI/ANISITS模型對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)現(xiàn)象的模擬，上述方法是不夠的，因?yàn)榉艧崽匦允请S著發(fā)動(dòng)機(jī)的速度和負(fù)荷而變化的。由于在模擬程序運(yùn)行之前，瞬時(shí)的速度和負(fù)荷是未知的，因此，需要一個(gè)在某一工況下預(yù)測(cè)放熱率的模型。柴油機(jī)所用的方法是基于Woschni/Anisits的模型。需要定義某工況下的特性參數(shù)和Vibe函數(shù)。再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行條件，模型可以預(yù)測(cè)韋伯參數(shù)的變化：

c

為燃燒持續(xù)期；AF為空燃比；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；id

點(diǎn)火延遲期；PIVC

為進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)的壓力；TIVC

為進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)的溫度;下標(biāo)ref

表示參考（標(biāo)準(zhǔn)）工況。8th.Jan.201627擴(kuò)展零維燃燒模型——WOSCHNI/ANISITS模型適用于柴油機(jī)，根據(jù)參考工作點(diǎn)的Vibe燃燒參數(shù)，預(yù)測(cè)不同運(yùn)行工況點(diǎn)Vibe模型的m值和燃燒持續(xù)期。8th.Jan.201628該工況的噴油正時(shí)以下的數(shù)據(jù)都是參考工況點(diǎn)的燃燒和狀態(tài)數(shù)據(jù)參考工況點(diǎn)的Vibe參數(shù)參考工況點(diǎn)的空燃比和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速參考工況點(diǎn)在進(jìn)氣門關(guān)閉的時(shí)刻缸內(nèi)的氣體壓力和溫度擴(kuò)展零維燃燒模型——HIERS

ET

AL模型對(duì)于汽油機(jī)，和Woschni/Anisits模型類似，燃燒持續(xù)期和點(diǎn)火延遲期的變化可由點(diǎn)火時(shí)刻氣缸內(nèi)的條件計(jì)算得到：s

為層流火焰速度；f為點(diǎn)火時(shí)刻活塞頂?shù)綒飧咨w的距離。層流火焰速度是缸內(nèi)條件、空燃比和殘余氣體摩爾分?jǐn)?shù)的函數(shù)。8th.Jan.201629擴(kuò)展零維燃燒模型——HIERS

ET

AL模型8th.Jan.201630該工況的點(diǎn)火正時(shí)以下的數(shù)據(jù)都是參考工況點(diǎn)的燃燒和狀態(tài)數(shù)據(jù)參考工況點(diǎn)的Vibe參數(shù)參考工況點(diǎn)的空燃比和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速參考工況點(diǎn)在進(jìn)氣門關(guān)閉的時(shí)刻缸內(nèi)的氣體壓力和溫度準(zhǔn)維燃燒模型——AVL

M

CC

模型m=2a=6.908AVLMCC

（MixingControlledCombustion）模型用于計(jì)算直噴式柴油機(jī)的燃燒過程，能夠根據(jù)氣缸內(nèi)的噴油量以及由于燃油噴射形成的湍動(dòng)能預(yù)測(cè)燃燒放熱率和NOx排放。模型需要輸入噴孔的數(shù)目、噴孔直徑、噴孔的流量系數(shù)以及噴油軌壓來(lái)計(jì)算噴孔的有效流通面積和噴油湍動(dòng)能。MCC燃燒模型同時(shí)考慮了預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒的發(fā)展，總的燃燒放熱率為：dQtotal

dQPMC

dQMCCd

d

d

預(yù)混燃燒的進(jìn)行，采用Vibe函數(shù)進(jìn)行描述：8th.Jan.201631準(zhǔn)維燃燒模型——AVL

MCC模型擴(kuò)散燃燒的放熱率為：從擴(kuò)散燃燒的放熱率計(jì)算方程可以看出，放熱率和混合氣中氧的濃度、缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)以及缸內(nèi)的湍動(dòng)能相關(guān)。QMCC

擴(kuò)散燃燒累計(jì)放熱量

[kJ]Ccomb

燃燒常數(shù)[kJ/kg/deg

CA]CRate

混合速率常數(shù)k當(dāng)?shù)赝牧鲃?dòng)能密度[m2

s

2

]8th.Jan.201632mF噴射的燃料質(zhì)量[kg]燃燒低熱值[kJ/(kg)]EGR

影響因子噴油時(shí)刻混合氣中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)LCVCEGRwOxygen,available準(zhǔn)維燃燒模型——AVL

MCC模型由于缸內(nèi)的擠流和渦流形成的湍動(dòng)能相對(duì)較小，主要考慮由于燃料噴射形成的湍動(dòng)能。由于燃油噴射形成的湍動(dòng)能的量由噴油速率決定，耗散率被認(rèn)為與形成的湍動(dòng)能存在比例關(guān)系。CTurbCDiss.mF

,I

A

Fmstoich

diff湍流產(chǎn)生常數(shù)耗散率常數(shù)噴油速率有效噴孔流通面積燃油密度化學(xué)計(jì)量新鮮充量質(zhì)量擴(kuò)散燃燒過量空氣系數(shù)mF8th.Jan.201633F

AFv

.燃油噴射速率nt發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)間準(zhǔn)維燃燒模型——AVL

MCC模型點(diǎn)火滯燃期根據(jù)Andree和Pachernegg模型進(jìn)行求解得到：當(dāng)滯燃期的積分值Iid的值等于1.0(=)之后，滯燃期的值等于：IIdTrefTUBQref

id

SOI

id滯燃期積分參考溫度=505K未燃區(qū)溫度參考反應(yīng)能量[K]滯燃期噴油開始時(shí)刻點(diǎn)火遲滯期

id

SOI

idfid

Qref8th.Jan.201634

TUB

TrefdIidd

準(zhǔn)維燃燒模型——AVL

MCC模型燃油的蒸發(fā)速度：液滴直徑變化：其中常數(shù)0.70353可以在expert模式中進(jìn)行調(diào)整evap.Velocity

parameter。Tdpc

ve

dddd

,0等溫液滴蒸發(fā)平衡溫度缸內(nèi)壓力蒸發(fā)速率實(shí)際液滴直徑初始液滴直徑ev

tdd

d2d

,0d8th.Jan.201635TcTdep

ev

0.70353

4159噴嘴的設(shè)置：噴孔數(shù)目，噴孔直徑，流量系數(shù)以及噴射壓力這些參數(shù)會(huì)對(duì)液滴的速度產(chǎn)生影響，進(jìn)一步影響缸內(nèi)的湍流水平影響放熱規(guī)律的調(diào)整參數(shù)：其中combustion，turbulence以及Dissipation這三個(gè)參數(shù)的影響最大，具體參數(shù)的影響請(qǐng)見上述幾頁(yè)的描述。8th.Jan.201636準(zhǔn)維燃燒模型——AVL

MCC模型噴油速率的選擇噴油速率的輸入只要保證相似即可，不需要輸入絕對(duì)數(shù)值如果選擇了calculated的模式，程序會(huì)根據(jù)針閥在臺(tái)架上的流量測(cè)試數(shù)據(jù)，以及針閥的開啟規(guī)律和缸內(nèi)背壓計(jì)算出實(shí)際的噴油規(guī)律，需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，不再詳述。8th.Jan.201637準(zhǔn)維燃燒模型——AVL

MCC模型調(diào)整預(yù)混燃燒噴油持續(xù)期的參數(shù)湍動(dòng)能的計(jì)算模式，建議選擇Revised已燃區(qū)空燃比的調(diào)整因子，這個(gè)參數(shù)對(duì)NOx的形成會(huì)產(chǎn)生影響調(diào)整燃油蒸發(fā)速率的因子，增大，蒸發(fā)速度加快選擇experienced

Users

Input

模式準(zhǔn)維燃燒模型——AVL

MCC模型8th.Jan.201638準(zhǔn)維燃燒模型——MZCM模型tzonegenerationvbreak-upignition

delaycombustionEvaporationCombustionEntrainmentRe-Entrainment壓燃多區(qū)模型在噴霧的軸向和徑向方向采用拉格朗日法離散；每一個(gè)區(qū)滿足熱力學(xué)狀態(tài)方程和質(zhì)量守恒方程；通過進(jìn)行下列計(jì)算得到各區(qū)隨時(shí)間的變化：蒸發(fā)卷吸反卷吸燃燒熱傳遞基于氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)、氣體組成的污染物生成模型（NOx、Soot）；計(jì)算量和1D循環(huán)模擬計(jì)算類似。Burned

GasChargeEntrainment

&Re-Entrainment8th.Jan.201639準(zhǔn)維燃燒模型——MZCM模型In

theMulti-Zone

model

the

injectionspray

is

subdivided

into

a

high

numberof

zones.One

package

of

zones

is

generated

ineach

injection

timestepPackages

are

further

subdivided

inradial

direction8th.Jan.201640準(zhǔn)維燃燒模型——MZCM模型Mechanisms

modeled

withineach

spray

zoneSpray

BreakupEvaporationCharge

EntrainmentIgnitionCombustionEmission

Formation8th.Jan.201641準(zhǔn)維燃燒模型——MZCM模型xxxxxHigher

Sophisticated

Approach8th.Jan.201642Basic

Multi-Zone

ApproachRe-EntrainmentUnique

approach

for

spray

and

burned

combustion

products

interaction準(zhǔn)維燃燒模型——MZCM模型The

discretization

of

the

injection

sprayallows

simultaneous

calculation

of

NOXand

Soot

emissions8th.Jan.201643準(zhǔn)維燃燒模型——MZCM模型8th.Jan.201644準(zhǔn)維燃燒模型——MZCM模型8th.Jan.201645準(zhǔn)維燃燒模型——MZCM模型8th.Jan.201646準(zhǔn)維燃燒模型——MZCM模型8th.Jan.201647準(zhǔn)維燃燒模型——MZCM模型8th.Jan.2016481

local

T/lam

at

10

°CA10adb

0m

10a

L-110500

1000

1500

2000100

Temperature500-20

-10

0

10

20

3010.50-20

-10

0

10

20

30phi[°CA]準(zhǔn)維燃燒模型——MZCM模型10010500-1010101TemperatureLambda-20-10010050010.5local

T/lam

at

-10

°CA

llllllllllllllllolllllllllooooooooooooooollllllllllooooooooooooooooooocccccccccccccccccccccccccccccccccccaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaalllllllllllllllllllllllllllllllllllTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT////////////////l/////////lllllllllllllll//////////alllllllllaaaaaaaaaaaaaaallllllllllaaaaaaaaaaaaaaaaaaammmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaattttttttttttttttttttttttttttttttttt-1112111122221111---------60391548724218765395935760120241380°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA111111111111111111111111111111111111010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaadddddddddddddddddddddddddddddddddddbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb

00000000000000000000000000000000000mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm

1010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-110101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010100 1500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500

100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010002000

150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500150015002500

200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000200020003000

250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500

300030003000300030003000300030003000300030003000300030003000300030003000300030003000300030003000300030003000300030003000300030003000300030003000100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100

TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeemmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmpppppppppppppppppppppppppppppppppppeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeerrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaatttttttttttttttttttttttttttttttttttuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuurrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrreeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee5050505050505050505050505050505050505050505050505050505050505050505050

dQ/dphi

[J/°KW]

ddddddddddddddddddddddddddddddddddddQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ////////////////////////////////////ddddddddddddddddddddddddddddddddddddpppppppppppppppppppppppppppppppppppphhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii

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RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRROOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII

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20-----------------------------------1111111111111111111111111111111111100000000000000000000000000000000000

3000000000000000000000000000000000000

401010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010

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603030303030303030303030303030303030303030303030303030303030303030303030

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NOx

[-]

NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

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20-----------------------------------1111111111111111111111111111111111100000000000000000000000000000000000

3000000000000000000000000000000000000

401010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010

502020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020

603030303030303030303030303030303030303030303030303030303030303030303030

404040404040404040404040404040404040404040404040404040404040404040404040

505050505050505050505050505050505050505050505050505050505050505050505050

606060606060606060606060606060606060606060606060606060606060606060606060phi[°CA]

ppppppppppppppppppppppppppppppppppphhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii

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T/lam

at

24

°CATemperatureLambda-20-1001020

300100502500

3000dQ/dphi[J/°KW]

ROI

[-]40

50

60-20-1001040

5060010.520

30phi[°CA]NOx

[-]111111111111111111111111111111111111

lllllllllllllllllollllllllloooooooooooooooolllllllllloooooooooooooooooooccccccccccccccccccccccccccccccccccccaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaallllllllllllllllllllllllllllllllllllTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT/////////////////l/////////llllllllllllllll//////////alllllllllaaaaaaaaaaaaaaaallllllllllaaaaaaaaaaaaaaaaaaammmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaatttttttttttttttttttttttttttttttttttt-11111111222211121---------384670952117584629345689204710332100°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaddddddddddddddddddddddddddddddddddddbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb

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101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500

100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000

150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500150015001500

200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000200020002000

25002500250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500250025002500250050010001500200010-1010101local

T/lam

at

25

°CATemperatureLambda-20-1001020

300501002500

3000dQ/dphi[J/°KW]

ROI

[-]40

50

60-20-10010405060010.520

30phi[°CA]NOx

[-]High

NO

Formation8th.Jan.201649Lo-2w0

NO-1F0ormationHigh

NO

FormationLow

NO

FormationLow

EGRHigh

EGR壓燃多區(qū)模型除了氣缸的總體計(jì)算結(jié)果（如ROHR、污染物生成量），AVLMZCI模型可以對(duì)單個(gè)區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分析；例如，EGR對(duì)局部的NOx和Soot生成的影響；準(zhǔn)維燃燒模型——FRACTAL模型8th.Jan.201650Fractal燃燒模型適用于火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，用于預(yù)測(cè)均質(zhì)混合氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒放熱率，可以預(yù)測(cè)敲缸，且模型考慮了如下的影響因素：燃燒室的形狀；火花塞的位置和點(diǎn)火時(shí)刻；缸內(nèi)工質(zhì)的組成（燃燒廢氣，EGR氣，新鮮空氣和燃油蒸汽）；缸內(nèi)工質(zhì)的宏觀運(yùn)動(dòng)和滾流水平；Fractal燃燒模型將燃燒分為以下四個(gè)階段：點(diǎn)火；湍流火焰發(fā)展；湍流火焰?zhèn)鞑?；火焰到達(dá)壁面，燃燒終止；可以用于在1D模型階段進(jìn)行火花塞位置、燃燒室形狀以及活塞形狀優(yōu)化。Fractal燃燒模型——基本概念模型將混合氣分為已燃區(qū)和未燃區(qū)，分別應(yīng)用熱力學(xué)方程進(jìn)行求解（見Vibe

2-Zone中的介紹）；湍流火焰面積由參與燃燒的局部層流火焰面積考慮湍流的影響得到；湍流火焰具有無(wú)限分形幾何結(jié)構(gòu)；Mandelbrot

set8th.Jan.201651Bunsen

burner

&

engine

flames準(zhǔn)維燃燒模型——FRACTAL模型Fractal燃燒模型——基本概念燃燒的燃燒速率為:其中，

mb=已然混合氣質(zhì)量;

dmb/dt=燃燒率; =未燃區(qū)的密度;AL=層流火焰面積;Lmax=最大不規(guī)則分形幾何的尺寸;

Lmin=最小不規(guī)則分形幾何的尺寸;

D3=分形尺寸;

SL=層流火焰速度;計(jì)算褶皺尺度

Lmin

-Lmax

以及分形尺寸D3

都需要基于氣缸內(nèi)的湍流場(chǎng)分布。AL

SL

D3

2

dt

fractals

Lmin

b

L

u

max

dm

準(zhǔn)維燃燒模型——FRACTAL模型

uD38th.Jan.201652Fractal燃燒模型——基本概念BOOST中采用K–k模型計(jì)算湍流水平：uin

inm

P

K

m

ex

K

uu

2dK

1

m

dt

2udt

m

dk

P

m

k

m

ex

k

ukmIt

LP

0.3307c

K2f21K

mU23k

mu

2IL

u

3tRe3

/

4LIkl

u

u

LItRe

I

lL

c

HwithandL8th.Jan.201653u

SD

L

2.35u

2.05S3其中，LI

=積分長(zhǎng)度尺度,假設(shè)和氣缸瞬時(shí)高度H成比例關(guān)系，大約（cl

=0.2~0.8）；

u

=未燃混合氣的運(yùn)動(dòng)粘度；分形尺度D3為：其中K=平均流場(chǎng)(Uf)的動(dòng)能，它的產(chǎn)生和耗散主要有進(jìn)排氣系統(tǒng)的流動(dòng)（m

in

和m

ex

）決定;k=湍流場(chǎng)的動(dòng)能（假定湍流各向同性）;

=湍流場(chǎng)的能量耗散率；P=湍流產(chǎn)生項(xiàng)，決定平均流場(chǎng)和湍流場(chǎng)間的能量傳遞；ct=調(diào)整參數(shù)；u'=湍流強(qiáng)度根據(jù)上述模型還可以估計(jì)Kolmogorov長(zhǎng)度尺度：準(zhǔn)維燃燒模型——FRACTAL模型Fractal燃燒模型——基本概念在點(diǎn)火結(jié)束200

ms后，形成一個(gè)半徑2

mm、表面光滑的球狀火核，開始燃燒計(jì)算?；鸷诵纬傻臅r(shí)間可以通過調(diào)整

cign

進(jìn)行修改。然后火焰以某一個(gè)速率開始褶皺，火核的尺寸和湍流的強(qiáng)度（和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比）也隨著不斷發(fā)生變化。其中，rf

,ref

=參考可調(diào)直徑，為1cm;

nref

=參考發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，固定值為1000rpm.采用這樣的建模方式，燃燒的初始階段主要由接近最小尺度D3,min的分形結(jié)構(gòu)決定，燃燒速度近似為層流。但在任何情況下，最小分形尺寸都大于2，用于彌補(bǔ)在火核形成過程中，由于火花塞提供能量形成的很高的燃燒速度?？梢哉{(diào)整rf

,ref

和cl

，使計(jì)算得到的缸內(nèi)壓力和試驗(yàn)缸壓曲線能夠吻合。rfwrr

nf

,ref

refn

L8th.Jan.201654u

S

D3,maxu

D3,min

SLD3D3,min

2.05準(zhǔn)維燃燒模型——FRACTAL模型Fractal燃燒模型——基本概念當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ奖诿婧?，需要考慮壁面處燃燒在壁面處火焰?zhèn)鞑サ姆中螜C(jī)理不再起作用壁面阻止氣體膨脹壁面限制所有的流動(dòng)作為低溫固體邊界，降低氣體的溫度大約有30%~40%比例的未燃燃料以壁面燃燒的模式燃燒，反應(yīng)速率可以簡(jiǎn)單的由一個(gè)指數(shù)衰減方程描述：其中，

是上述過程的時(shí)間尺度。

分形燃燒和壁面燃燒的切換由轉(zhuǎn)化時(shí)間ttr

決定，由火焰首次到達(dá)氣缸壁面的時(shí)間決定。

dt

dmb

m

mb

wall

combustionIL

/2rcylrfu

T L

tr8th.Jan.201655

A

S

m

mb

trfr

準(zhǔn)維燃燒模型——FRACTAL模型Fractal燃燒模型——基本概念總的燃燒速率將由分形燃燒和壁面燃燒決定，通過一個(gè)權(quán)重因子將二者結(jié)合起來(lái)：其中，w2

=權(quán)重因子，取決于瞬時(shí)未燃混合氣的質(zhì)量(m-mb)和轉(zhuǎn)換時(shí)刻的質(zhì)量的比，隨著時(shí)間線性增加。b8th.Jan.201656dt

w

dmb

dt

overall

fractals

wall

combustion

dt

dmb

dm22

1

w

準(zhǔn)維燃燒模型——FRACTAL模型Fractal

燃燒模型–BOOST

輸入?yún)?shù)界面準(zhǔn)維燃燒模型——FRACTAL模型cignrf,ref點(diǎn)火時(shí)刻火核形成時(shí)間校正參數(shù)火核直徑ct

湍流模型調(diào)整參數(shù)cl

湍流長(zhǎng)度尺度調(diào)整參數(shù)m

湍流模型調(diào)整參數(shù)壁面燃燒所占燃料的質(zhì)量百分比d

殘余廢氣影響參數(shù)8th.Jan.201657準(zhǔn)維燃燒模型——FRACTAL模型8th.Jan.201658Fractal模型調(diào)整的步驟：Step

1:

Setting

initial

values

for

all

7

combustion

parameters.Ignition

delay

parameter:

cign=

1.0Reference

flame

radius:

Rf,ref=

0.01Mass

fraction

for

wall

combustion:

w2=0.2Residual

gas

content

influence

parameter:

d

=

2Turbulence-combustion

interaction

parameter:

m

=

-

0.33Turbulence

production

constant:

ct=

0.5Turbulent

length

scale

parameter:

cL=

0.5.Step

2:

Tuning

the

ignition

delay

parameter

cign.Increase

cign

will

increase

the

ignition

delay

period.Step

3:

Tuning

turbulent

production

constant

ctand

turbulent

length

scale

parameter

cL.Step

4:

Tuning

turbulence-combustion

interaction

parameter

m.The

turbulence-combustion

interaction

parameter

m

is

a

fine

tuning

parameter

to

bettermatch

the

cylinder

pressures

and

ROHR.

Because

it

works

as

a

factor

that

correctstheturbulent

length

scale

parameter

cL,

depending

on

the

value

for

cL,

the

final

valuefor

m

may

be

several

times

of

its

default

value

in

either

positive

or

negative

direction最終標(biāo)定好的K-k湍流模型的一組參數(shù)對(duì)全部發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況都適用。8th.Jan.201659準(zhǔn)維燃燒模型——FRACTAL模型K-k

湍流模型標(biāo)定準(zhǔn)維燃燒模型——FRACTAL模型氣缸蓋8th.Jan.201660活塞考慮火花塞偏置對(duì)你燃燒過程的影響考慮燃燒室形狀對(duì)燃燒過程的影響。氣體機(jī)燃燒模型——OPEN

CHAMBER

GAS

ENGINE

模型Open

Chamber

Gas

Engine

模型用于模擬火花點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程，下面將說(shuō)明湍流、點(diǎn)火滯燃期和火焰?zhèn)鞑サ慕?。氣缸中的湍?dòng)能主要是由缸內(nèi)的渦流和擠流產(chǎn)生，產(chǎn)生位置對(duì)應(yīng)下圖中的V1和V2兩部分子容積，且V1和V2滿足能量平衡。8th.Jan.201661氣體機(jī)燃燒模型——OPEN

CHAMBER

GAS

ENGINE

模型擠流部分是由于氣流從一個(gè)子容積流入到另一個(gè)子容積產(chǎn)生的，根據(jù)兩個(gè)容積間簡(jiǎn)化的連續(xù)性方程求解擠流湍動(dòng)能：v2dEt

,sq

Csquish

ct

dmct2

R

R

dsdtdm

ctdtclb

hR

mc

22

2

R1

hb

R2

h22221

1ctdtvct

c

ct

A

1

dm

由于擠流產(chǎn)生的湍動(dòng)能兩個(gè)子容積間的氣流速度Et

,sqCsquishvctdmct兩個(gè)子容積間的質(zhì)量流率缸內(nèi)氣體質(zhì)量dtmcdsdt活塞速度28th.Jan.2016621bdR

活塞凹坑半徑擠流常數(shù)bd活塞凹坑直徑2R氣缸半徑hbclh從活塞凹坑底部到缸蓋的距離Act兩個(gè)子容積間的交界面積活塞凹坑深度氣體機(jī)燃燒模型——OPENCHAMBER GASENGINE模型缸內(nèi)渦流的計(jì)算仍然基于將氣缸分成的兩個(gè)子容積V1和V2，考慮摩擦對(duì)渦流角動(dòng)量的影響：渦流產(chǎn)生的湍動(dòng)能為：CsfIii

i

dIi

j

dI

jd

i

;

i,

j

1,2;

i

j

d

2

iIiCsf

子容積Vi中的角速度子容積Vi中的角動(dòng)量渦流摩擦系數(shù)曲軸轉(zhuǎn)角

d

8th.Jan.2016632dEt.sw

2

Cswirl

Csf

I1

11Et

,sw由于渦流產(chǎn)生的湍