本文是一篇机械自动化类论文，本文主要研究了不同转速下循环波动特性对火花点火式发动机爆震燃烧的影响，为了探究转速对于发动机燃烧循环波动的更深层次的影响，首先开展了三种转速下正常燃烧工况连续循环的三维大涡模拟仿真。
第一章 绪 论
1.1 引言
随着全球化的不断加速和世界经济的快速发展，全球对能源的需求持续增长，尤其是对化石燃料的依赖更加明显[1]。能源需求不仅对经济发展至关重要，同时也关系到国家安全和全球政治格局的稳定。特别是在中国、印度等发展中国家的经济迅速崛起的背景之下，世界对能源的需求更是日益增长。然而，化石燃料资源的有限性和环境负担不断加重迫使全球各个国家对能源结构进行调整和优化。
在这个背景下，汽车行业作为全球能源消耗的重要部分，面临着巨大的转型压力。传统内燃机汽车的高能耗和高排放问题促使企业和高校寻求更为高效和环保的解决方案。发动机小型强化技术成为了应对这一挑战的重要手段，它通过增压和采用轻量化材料等方法，在保持了动力输出的同时实现了燃油经济性的提升和温室气体排放的减少，成为了提升内燃机热效率的有效途径。
然而，随着增压强化技术在发动机领域的深入应用，缸内平均有效制动压力的提高使得小型强化汽油机面临着爆震问题，这成为现代汽油机进一步大幅提高升功率的主要技术瓶颈。爆震不仅会降低发动机的效率，还可能导致发动机的损坏，因此对爆震现象的深入研究具有重要的意义。
1.2 国家节能减排目标与措施
1.2.1 全球能源危机
随着全球化进程的不断加速，21世纪以来，全球对能源尤其是化石燃料的需求持续攀升。能源问题不仅关系到经济发展，更是影响国家安全和全球政治格局的重要因素，世界各国对于能源安全的关注持续升温[1]。近十年间全球经济总量呈现高速增长的态势，特别是中国、印度等发展中国家的迅猛崛起，为全球经济注入了巨大的活力。在这种情况下，经济的发展及工业化进程的加速需要更多的能源支撑，工业企业需要大量的能源支持其生产和运营，而以石油为代表的传统化石能源是最常见的能源来源之一。其次，全球人口数量在新世纪以来呈现不断增长的趋势，尤其是在发展中国家的人口增长更为迅速，这也加剧了对传统石油能源的消耗。根据《BP世界能源统计年鉴2023》[2]，全球绝大部分国家能源消费呈增长态势，中国能源消费同比增长7.1%，占全球能源总消费量的26.5%，全球排名第一，是第二名美国的1.7倍。对比近几年的能源消费，2020年能源消费水平的下降是由于全球经济被新冠疫情重挫，然而当中国经济率先快速复苏后，对于石油、天然气等一次能源消费总量的占比又有进一步提高的趋势，如图1-1所示。
第二章 计算模型
2.3 大涡模拟模型
湍流燃烧的数值模拟可以分为三大类：直接数值模拟（Direct Numerical Simulation），大涡模拟（Large Eddy Simulation）以及雷诺平均模拟（Reynolds Average Navier-Stokes）。 直接数值模拟核心原理是直接求解流体动力学的基本控制方程-纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，并且不需要任何形式的湍流模型或封闭假设来简化方程。这使得DNS能够精确捕捉流场中的所有流体动态，包括各种尺度的涡流和湍流细节。由于没有引入任何湍流模型，DNS能够提供非常准确的流场数据，是研究复杂湍流交互、详细化学反应和热传递等现象的理想工具。但DNS对计算资源有极端需求，包括需要极高的网格分辨率和极小的时间步长，实际工程中通常难以使用。
雷诺平均方法的核心是对流体速度及其他相关变量进行分解，但是会产生额外的雷诺应力项，需要选用适合的湍流模型如零方程模型、一方程模型和两方程模型表达雷诺应力，从而实现方程的封闭。虽然RANS在工程应用中因其较低的计算成本而广泛使用，但它主要提供平均后的流场信息，无法详细捕捉如旋流演变、湍流脉动或燃烧不稳定等瞬态现象。
大涡模拟（LES）方法通过空间滤波手段对流场的速度波动进行分类，分为可直接求解的大尺度涡流和需要模型化的小尺度涡流。其中大尺度涡流包含流场的主要动力信息，可以直接求解以捕获关键流场特性，而小尺度涡流的流场运动主要表现为各向同性的湍流耗散，需要引入亚格子模型进行求解。在大涡模拟的计算过程中，流体运动区域被划分成多个有限的体积单元，控制方程在这些网格上离散化后进行求解。
2.4 燃烧模型
燃烧模型在发动机的计算流体动力学（CFD）模拟中起着至关重要的作用。发动机是一个高度复杂的热力系统，其中燃烧过程的模拟对于预测发动机性能、优化设计、减少排放以及提高燃油效率等方面都具有重要意义。不同的燃烧模型在燃烧过程中有着本质的区别，SAGE（Stochastic Averaged Gradient Equation）模型是一种PDF（概率密度函数）方法，用于模拟非预混和部分预混燃烧。SAGE模型通过计算物质的混合过程和化学反应过程的PDF来模拟燃烧，它可以解决复杂化学反应的燃烧模拟问题。SAGE模型通过追踪计算域内每一点的混合物组成的PDF，来考虑化学反应速率对温度、压力和组分浓度的依赖性，以及混合物在空间上的非均匀性。SAGE模型特别适合于复杂燃烧过程的模拟，包括非预混和部分预混燃烧，其中燃料和氧化剂的混合程度变化较大。在发动机爆震模拟时，远离火花塞的混合气体在火焰尚未传播到的时候发生自燃，这种自燃的发生是混合气在高温高压及合适的当量比条件下，经过一定酝酿时间自发发生的。要模拟这种现象，需要考虑低温(相对于燃烧温度)下混合气的详细反应，因此必须用到详细化学反应燃烧模型。本研究采用的燃烧机理是同时在火焰锋面内外区域，采用详细化学动力学方法（CONVERGE中为SAGE模型）进行求解，并且通过G方程追踪火焰前锋面，该方法可提高对污染物生成以及未燃区自燃的预测准确度。
第三章 试验及模型标定 ........................ 23
3.1 引言 ........................................ 23
3.2 试验装置 ............................. 23
3.3 三维几何模型建立 ............................ 25
第四章 正常燃烧工况转速对燃烧循环波动的影响 ..................... 34
4.1 引言 ................................... 34
4.2 模型验证 ................................ 34
4.3 循环波动分析 ................................ 35
第五章 不同转速下循环波动对爆震燃烧的影响 ................................ 51
5.1 引言 .......................... 51
5.2 模型验证 ................................. 51
5.3 爆震压力曲线分析 ......................52
第五章 不同转速下循环波动对爆震燃烧的影响
5.2 模型验证
本研究三维模拟模型所使用的边界条件是根据一维软件标定的数据，为了验证其有效性，将燃烧阶段连续工况下发动机的缸内平均压力的模拟值与试验值进行对比，如图5-1所示，压力随曲轴转角的变化曲线的试验值与模拟值基本吻合，燃烧相位基本相同，因此可以认为本研究所进行的大涡模拟可以较好的呈现缸内的燃烧过程，模拟计算结果的可靠性较好，缸内状态与实际发动机运转时的缸内状态接近。可以看到3000r/min转速下的缸内压力峰值相较于4000r/min转速时更低，这是由于发动机转速提高时会增加缸内进气流量，使得缸内未燃混合气的密度增加，同时转速的提高会增加缸内的流场强度，提高湍流燃烧速率，从而使缸内平均压力峰值增高。
第六章 全文总结与展望
6.1 全文总结
发动机小型强化技术带来了强劲的动力性和优秀的燃油经济性，是应对日趋严格的节能减排政策法规的有效手段之一。然而随着增压程度的不断提高，发动机发生末端气体自燃等非正常燃烧的事件的概率也在不断增加。末端气体自燃导致发动机产生的爆震现象会降低发动机功率甚至破坏发动机结构，这成为现代汽油机进一步大幅提高升功率的主要技术瓶颈。本文主要研究了不同转速下循环波动特性对火花点火式发动机爆震燃烧的影响，为了探究转速对于发动机燃烧循环波动的更深层次的影响，首先开展了三种转速下正常燃烧工况连续循环的三维大涡模拟仿真，分别研究了温度、残余废气、燃油浓度和流场分布对发动机循环波动的和主火焰传播状态的影响，接着在此基础上对发动机进行爆震燃烧工况的数值模拟，模拟结果与试验值有相同的变化趋势，最后探究了转速变化导致的火焰传播速度的改变对自燃过程的影响规律及不同强度压力波产生过程。本论文的主要结论如下：
（1）基于进气道点燃式发动机台架建立了高精度大涡模拟平台，通过耦合G方程和SAGE燃烧模型可以准确模拟发动机循环波动和爆震燃烧过程，G方程可以模拟预混燃烧的湍流-燃烧现象，能更好的追踪火焰前锋面，SAGE模型可以准确计算低温(相对于燃烧温度)下混合气的详细反应从而更加精准的模拟末端气体自燃。其次，通过GT-POWER对发动机进行了冷流压缩工况和燃烧工况的一维模拟，确定了三维模拟的边界条件。对三维大涡模拟模型进行了网格无关化验证，并对多变量组合的AMR策略进行了分析，找到了兼顾计算时间与计算精度的合适的基本网格尺寸。基于该大涡模拟平台的模拟结果的燃烧相位、最大爆发压力以及爆震特性的变化趋势可以较好吻合实验测量结果。
（2）循环间的燃油分布、流场和温度场存在差异所
