fire v2008 缸内计算控制参数说明.pdf

AVL先进模拟技术 AVL FIRE v2008 缸内计算控制参数说明缸内计算控制参数说明缸内计算控制参数说明缸内计算控制参数说明 2C-PM / FIRE-100004, 2008 •本讲义的侧重点是对于缸内的喷雾，燃烧和排放模块（柴 油机和汽油机）的解释和参数意义的说明 •在边界条件和初始条件上以柴油机的部分模型为重点进行 介绍 •本讲义未包含壁膜模型wall film的讲解 说明说明说明说明 3C-PM / FIRE-100004, 2008 首先可以使用模板进行定 义，这样做的好处是模板 中已经对一些常规的量进 行了设置，用户只需要根 据自己的实际参数进行修 改，从而减轻了输入的工 作量，对于柴油机没有直 接的模板可以选择，我们 可选择Gasoline_DI 如果用户使用ESE_Diesel 生成柴油机的计算项目的 话，模板也是FIRE自动在 ESE_Diesel中设置好的 模板的选择模板的选择模板的选择模板的选择 4C-PM / FIRE-100004, 2008 缸内计算是瞬态计算，run mode 选择 曲柄转角代表时间的变化 对于柴油机的部分模型，由于只 计算高压循环，所以起始角是进进进进 气门关气门关气门关气门关的时刻 关闭角是排气门开排气门开排气门开排气门开的时刻 运行模式运行模式运行模式运行模式 5C-PM / FIRE-100004, 2008 时间步长一定要精心控制，对计算 的稳定性和精确性都会有影响。

在 计算的开始时刻，收敛性差，应该 采用较小的时间步长使计算稳定， 随着计算的进行，时间步长可以逐 渐加大整个压缩冲程最大可以使 用2度 喷油开始前需将步长调小，喷雾阶 段使用0.2度的计算步长，本例由 于是两次喷射，在两次喷射间期使 用0.5度步长燃烧过程可以使用 0.5或者0.2度进行尝试 膨胀过程计算步长可增加到1度 时间步长的选择时间步长的选择时间步长的选择时间步长的选择 6C-PM / FIRE-100004, 2008 子模型需要激活combustion，spray和 emission模块，由于这三个模块都有 物质的成分变化，所以species transport模块是被自动激活的 如果进一步要给有限元赋边界条件， 需要激活CFD-FEM coupling模块，本 讲义不对这个模块进行详述 子模块子模块子模块子模块 7C-PM / FIRE-100004, 2008 边界条件的设置 柴油机的部分模型整个计算过程气缸是闭口 系，边界的类型一般都是wall，直接设置壁 面温度即可 柴油机的部分模型，为保证中心网格是六面体，在中心处形成的面， 设置为对称边界 边界条件的设置边界条件的设置边界条件的设置边界条件的设置（（（（1）））） 8C-PM / FIRE-100004, 2008 Periodic这种边界类型是针对柴油机一个 segment的两边的面，如右图所示。

这两个面 之间的关系是从其中一个面流入的质量需要从 另一个面流出(位置也是对应的）如果用户 是自己生成的网格，需要手动的对这两个面做 periodic connection，如果使用ESE，程序会自 动连接 如果是全模型，这样的边界是不存在的 边界条件的设置边界条件的设置边界条件的设置边界条件的设置（（（（2）））） 9C-PM / FIRE-100004, 2008 补偿容积所起到的作用是保证计算的压缩比与实际 一致应该忽略其壁面的传热作用（实际不存在这 样的面），故heat flux选择0 边界条件的设置边界条件的设置边界条件的设置边界条件的设置（（（（3）））） 10C-PM / FIRE-100004, 2008 流体的特性仍然使用AIR物质成分的变化以及随之 而来的物性的变化程序会自动考虑 物性的设置物性的设置物性的设置物性的设置 11C-PM / FIRE-100004, 2008 对于瞬态计算，初始条件的正确设置非常重要对 于只计算高压循环的柴油机，初始条件决定了气缸 内的空气质量和初始状态压力和温度的数值可采压力和温度的数值可采压力和温度的数值可采压力和温度的数值可采 用试验值用试验值用试验值用试验值，，，，也可以采用一维也可以采用一维也可以采用一维也可以采用一维BOOST计算后对应时刻计算后对应时刻计算后对应时刻计算后对应时刻 （（（（即进气门关即进气门关即进气门关即进气门关））））的数值的数值的数值的数值。

定义了压力和温度后，密 度会自动计算 湍动能与活塞平均速度相关湍动能与活塞平均速度相关湍动能与活塞平均速度相关湍动能与活塞平均速度相关，，，，如下如下如下如下： 湍流长度尺度湍流长度尺度湍流长度尺度湍流长度尺度，取气门最大升程的一半 初始条件的设置初始条件的设置初始条件的设置初始条件的设置（（（（1）））） 12C-PM / FIRE-100004, 2008 初始条件的设置初始条件的设置初始条件的设置初始条件的设置（（（（2）））） 定义缸内初始的涡流强度和方向： 涡流强度的计算是使用试验测量的平均涡流比乘以发动机转速 其方向是采用旋转轴上两个点的坐标的差值进行确定的 13C-PM / FIRE-100004, 2008 初始条件的设置初始条件的设置初始条件的设置初始条件的设置（（（（3）））） Type of hydrocarbon fuel目前可以选择的燃油种类如右： 如果用户所使用的是多种燃料的话，需要选择USER， 此时用户需要自定义CHO三种原子的数目，如下图 14C-PM / FIRE-100004, 2008 初始条件的设置初始条件的设置初始条件的设置初始条件的设置（（（（4）））） EGR mass fraction：：：：初始时刻缸内的残余废气系数 EGR composition：：：： 混合燃烧生成这种废气的空气和燃油之间的比例， 其定义是过量空气系数的倒数 Laminar flame speed： Metghaichi S y ;yMIN A R Pr O fu r 2 fuel concentrationproducts concentration oxygen concentration ε =τ k r 时间尺度是湍流时间尺度： Combustion 燃烧模型：涡破碎模型 67C-PM / FIRE-100004, 2008 Eddy Break-up Model Constant A：主要调节参数，其值增大， 燃烧速率增大。

Constant B：1 压燃式发动机 0 点燃式发动机 Time scale：计算特征时间步长的方法 Local：特征时间步长取决于当地的湍动能 和耗散率，应用于柴油机 Global：特征时间步长取决于全局的湍动 能和耗散率，应用于汽油机 Strech：特征时间步长是对当地的湍流时间 尺度的修正，考虑了火焰厚度和速度以及 湍流特性的影响 Limit：对湍流时间尺度的一个限制，防止 其过小，引起燃烧速度过快 Combustion 燃烧模型：涡破碎模型 68C-PM / FIRE-100004, 2008 Turbulent Flame Speed Closure Model 湍流火焰速度模型 适用于汽油机适用于汽油机适用于汽油机适用于汽油机 ? 燃油的反应速率受下述影响: ?湍流火焰速度：其定义考虑了湍流的 影响 ?层流火焰速度：考虑了化学反应机理 ? 火焰厚度 ? 火焰的传播过程考虑了 ? 湍流和化学反应机理的相互作用 ? 适用于很宽广的空燃比范围 ? 适用于均匀的和非均匀的混合气预混燃烧 Governing Equations Combustion Simulation IC Engine Specific Combustion Models Combustion 燃烧模型：湍流火焰速度模型 69C-PM / FIRE-100004, 2008 Turbulent Flame Speed Closure Model 湍流火焰速度模型 TFSCA：适用于均匀混合的燃烧 TFSCB：适用于均匀混合和非均匀混合的 燃烧，与TFSCA相比，其对近壁处的燃烧 做了修正 CAI：不可调参数，始终为0 CFP：控制参数，增大会加速燃烧速度 Governing Equations Combustion 燃烧模型：湍流火焰速度模型 70C-PM / FIRE-100004, 2008 Coherent Flamelet Model 相关火焰模型相关火焰模型相关火焰模型相关火焰模型 采用火焰面密度的方法描述火焰的发展过程采用火焰面密度的方法描述火焰的发展过程采用火焰面密度的方法描述火焰的发展过程采用火焰面密度的方法描述火焰的发展过程 ，，，，火焰面密度可以理解为单位体积内的火焰火焰面密度可以理解为单位体积内的火焰火焰面密度可以理解为单位体积内的火焰火焰面密度可以理解为单位体积内的火焰 面的面积面的面积面的面积面的面积 火焰面密度的控制方程: ? 生成相取决于湍流对火焰面产生的褶皱 效应 ? 其耗散相取决于当地的化学反应 速率以及物质浓度等的影响 ?通过这样的方式将化学相和湍流相分别处理 ，从物理意义上更准确 ? 考虑了火焰厚度和形状影响的修正 ? 特点： ? 考虑了湍流和化学机理的相互影响 ?适用于柴油机和汽油机适用于柴油机和汽油机适用于柴油机和汽油机适用于柴油机和汽油机 Governing Equations () 2 Σ−Σ=         ∂ Σ∂ ∂ ∂ −Σ ∂ ∂ + ∂ Σ∂ Σfu l fr fu j eff j j j S K xx U xtρ ρ βα σ ν ()Σ−=         ∂ ∂ ∂ ∂ − ∂ ∂ + ∂ ∂ l fr fu j fueff j fuj j fu S xx U xt fu ρ ρ σ ν ρ ρ ρ Combustion Simulation IC Engine Specific Combustion Models Combustion 燃烧模型：相关火焰模型 71C-PM / FIRE-100004, 2008 Coherent Flamelet Model 相关火焰模型相关火焰模型相关火焰模型相关火焰模型 CFM-2A MCFM ECFM 均适用于火花点火发动机 CFM－－－－2A适用的当量比范围在0.6-1.7之间 MCFM 与CFM2A相比，所计算的当量比的范围更 广，可以计算小于0.5大于2.0的当量比范围 ECFM 适用于GDI的发动机，另外燃油的反应机理 是两步反应，考虑了CO和H2的生成。

目前对于所目前对于所目前对于所目前对于所 有的火花点火的汽油机和气体发动机我们都推荐使有的火花点火的汽油机和气体发动机我们都推荐使有的火花点火的汽油机和气体发动机我们都推荐使有的火花点火的汽油机和气体发动机我们都推荐使 用这个模型用这个模型用这个模型用这个模型 Governing Equations Combustion 燃烧模型：相关火焰模型 72C-PM / FIRE-100004, 2008 Coherent Flamelet Model 相关火焰模型相关火焰模型相关火焰模型相关火焰模型 Automatic model parameters：：：：v2008版本的新功 能，程序会根据发动机的实际工况对下述三个控制 参数进行自动调节（依据fire自带的database），所 以在initial condition中层流火焰速率的计算必须选择 database，如下： Initial flame density：：：：初始火焰密度，推荐值在100 －500,数值越大，燃烧迟滞期越短 Strech factor：：：：调整参数，推荐值在1.0-4.0，数值越 大，燃烧速率越快 Comsuption factor：：：：1.0 不做调整 Combustion 燃烧模型：相关火焰模型 73C-PM / FIRE-100004, 2008 Cohe。