[发明专利]内燃机缸内湍流场拟序结构提取方法

说明书

本发明涉及一种内燃机缸内湍流场拟序结构提取方法，采用大涡模拟和速度梯度张量不变量法则相结合的方法来实现对缸内流场拟序结构进行提取，其步骤为：第一步构建适用于内燃机的大涡模拟模型；第二步使用大涡模拟来获得内燃机缸内高瞬态、强涡旋的湍流场数据库；第三步采用速度梯度张量不变量法则来获得缸内拟序结构特性。该方法有利于人们正确理解缸内气流运动的变化规律，为实现缸内流动的合理的预测、有效组织和控制奠定基础，对拟序结构的科学提取和研究还将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。

技术领域

本发明涉及一种内燃机缸内瞬态湍流场信息的获得和加工环节，可实现缸内湍流场拟序结构的提取。

背景技术

在各种湍流运动形式中，内燃机缸内湍流流动可以说是最为复杂的一种运动之一。当发动机工作时，其缸内气体充量始终在进行着极其复杂而又强烈瞬变的湍流运动。该运动不仅具有单循环高度的不定常性，同时又具有多循环变化的高度随机性。这种湍流运动是发动机工作和燃烧过程中各个物理化学子过程的共同的基础。它决定了各物理量在缸内的输运及其空间分布，其对可燃混合气的形成及浓度场、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具有直接的、本质的影响，强烈地影响到发动机的燃油经济性和排放水平。

在内燃机运行过程中，缸内流场存在着涡流、挤流和滚流等大尺度的宏观运动形态，其中那些含能的大尺度拟序结构，其结构的生长、空间分布的演变以及能量的增减均对缸内流场特性产生最直接的影响，然后影响到燃油的雾化效果和空间分布，以及火焰的传播特性等，进而对发动机的经济性、动力性以及排放特性产生影响，所以对缸内湍流场拟序结构特点进行研究，认识其发展规律，将有利于全面了解内燃机工作特性，进而实现通过控制缸内拟序结构来影响湍流场流动特性，然后再影响到喷雾、燃烧等物化过程。由于缸内拟序结构会经历复杂的演变，其在不同的冲程阶段有着不同的形态结构和空间分布，并对整个缸内湍流场有着不同程度的影响作用。所以要想科学合理的描述缸内流场拟序结构的特性及其演变规律，就必须依据科学先进的技术方法。

由于拟序结构呈现瞬时三维立体性，传统的流动显示法并不能对其进行全面观测，且无法定量测量流场流速，只能提供有限的直观图像。现在随着激光诊断技术的发展，粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)被大量的应用到拟序结构的研究中。但二维的PIV技术仍无法对拟序结构进行全方位立体观测，而三维PIV技术目前尚不成熟。激光测试方法有激光多普勒测速(Laser Doppler Velocimetry,LDV)具有响应快，可进行实时测量，测量范围广等优点。但是，对于瞬变、强循环变动的缸内流场，LDV只能得到流场空间单点信息,无法得到缸内某一瞬时的空间流场分布。

幸运的是，大型高速计算机的出现，为研究者们提供了先进的技术手段来突破现有试验方法的局限性，创造了研究湍流脉动及拟序结构的便利条件。通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟计算，三维瞬态湍流场可以得到精确再现，瞬态流场的所有信息均可以被获取。在CFD数值模拟方面，传统湍流研究方法是将湍流运动分解成平均运动与脉动运动两部分，其中脉动运动被视为完全不规则的随机运动，即雷诺平均法。该在解决实际工程问题中发挥了重大的作用，但是由于进行了时间平均操作，湍流场时空脉动信息细节会被丢失。

拟序结构是一种在时间上具有准周期性，空间上具有一定随机性的较大尺度涡团形态，携带着较大比重的流场能量，并对流场湍动能的产生和湍流的维持具有决定性作用。拟序结构周围不仅充斥着复杂的背景湍流，且其本身也在不断地变动。通过实验观察或数值计算，得到的流场信息处于原始状态，若通过定义合适的数学方法从湍流场信息数据库中将拟序结构信息与背景湍流信息区分开，则有助于人们对拟序结构以及湍流的本质有进一步深入的理解和认识。对拟序结构成功提取是研究其特性的关键步骤，该过程需建立在运用科学的数学加工方法基础上。此时所选用的数学方法对拟序结构的识别有着直接的影响。目前人们多采用涡动力学方法来刻画拟序结构，但是由于涡量法对流体的剪切运动和真正的涡团转动并不能进行有效区分，故该方法不能作为提取拟序结构的有效工具。