发动机缸内湍流场拟序结构和循环变动的研究

The in-cylinder flow field acts as a common environment for the various physical and chemical sub-processes throughout the engine combustion process. At an operating condition, the in-cylinder gas charge motion of the engine is always extremely variable and highly transient, which not only exhibits a highly unsteady state within a single cycle, but also has a high degree of randomness and variations from cycle to cycle. This research is focused on the in-cylinder turbulent flow characteristics by using laser optical diagnostic and large eddy simulation. In experiment, the 3D-PIV、Micro-PIV and LDV diagnostic technics will be used to record the multi-scale turbulence characteristics and cycle-to-cycle variations information. In simulation, non-viscosity subgrid stress model will be established to simulate the in-cylinder flow. And then, the proper orthogonal decomposition method and Q criterion will be used to separate the vortexes with different scales in order to isolate the coherent structures. Its characteristics and influences to the in-cylinder turbulence can be studied in the whole engine working process. In the end, the cycle-to-cycle variations will be studied by analyzing the measurement and simulation database. This research is beneficial to gain more and deeper insights into characteristics of the in-cylinder turbulent flow, which makes sense to realize flow movement controlling and optimize engine combustion. Meanwhile, the coherent structure research is significant for people to understand the turbulence fundamental and establish reasonable turbulence theory.

本项目使用激光可视化测量技术和大涡数值模拟相结合的方式来研究缸内湍流场拟序结构以及循环变动特性。实验方面，使用三维粒子图像测速(3D-PIV)系统、微观粒子图像测速(Micro-PIV)系统以及激光多普勒测速(LDV)系统，来综合考察缸内多尺度下湍流场特性及其循环变动特性。数值模拟方面，构建基于亚网格非粘性系数概念的亚网格应力湍流模型，来实现对缸内湍流场多循环大涡模拟(LES)。然后采用POD方法和Q准则相结合的方式对缸内流场拟序结构进行提取，研究其在发动机完整工作过程中整个生命周期演变情况，以及在该过程中其对湍流场的影响。并通过对缸内湍流场数据库进行数学概率分析以及POD分析，综合探究发动机循环变动特性、及其关键性影响因素。本研究对深入理解缸内流场运动规律，实现流动的有效组织和控制，优化发动机燃烧方式具有重要意义。同时对拟序结构的研究还有利于人们正确理解湍流的本质以及建立合理的湍流理论。

发动机缸内湍流场对可燃混合气的形成、火焰传播速率和燃烧品质、缸壁的传热以及污染物的形成等都有直接的、本质的影响。其自身呈现高瞬态强湍流特性以及明细的循环变动特性。本项目使用激光可视化测量技术和大涡数值模拟相结合的方式来研究缸内湍流场拟序结构以及循环变动特性。在实验方面，采用粒子图像测速手段记录光学发动机缸内冷态多循环工作流场。数值模拟方面，构建了基于亚网格非粘性系数概念的亚网格应力湍流模型，并完成缸内湍流场多循环大涡模拟，构建了多周期缸内瞬态流场数据库。然后采用Q准则、本征正交分解方法和动态模态分解方法对瞬态流场数据库进行加工，有效的提取了不同尺度流场结构，包括大尺度的拟序结构以及小尺度的随机脉动涡团。然后从含能情况、频率特性以及循环变动等多方面加以分析，研究了各种尺度流场结构在发动机完整工作过程中整个生命周期演变情况，以及在该过程中其对湍流场的影响。结果发现大涡模拟方法可以再现和预测发动机缸内瞬态湍流场，而本征正交分解方法可以用来作为验证湍流场数值模拟结果准确性的有效工具。缸内涡量场存在着明显的循环变动现象，特别是在进气冲程早期阶段；尽管各个周期内的涡量场在空间分布和时间演变上存在着相似性，但是局部细节上有着明显不同；应用相不变本征正交分解方法可以同时研究缸内流场单一周期内的演变以及多周期间的循环变动情况；低阶模态主要反映大尺度涡团，高阶模态则主要反映所有冲程下的小尺度涡团。本研究成果对深入理解缸内流场运动规律，实现流动的有效组织和控制，优化发动机燃烧方式具有重要意义。